X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Ни для кого не секрет, что в настоящее время ведется разработка компьютеров пятого поколения. По различным данным начиная с 1980-х–90-х годов разрабатывается новая вычислительная техники, в основе которой лежит оптическое излучение. Свет доберется и до компьютеров! Но как изменятся компьютеры после внедрения оптических технологий?

Существует три основных направления, по которым происходит внедрение оптических методов в вычислительную технику. Первое из них основано на использовании аналоговых интерференционных вычислениях, которые способствуют решению большого класса специальных задач, связанных с необходимостью быстрого выполнения интегральных задач. Следует сказать, что использование аналоговых сигналов затрудненно из-за их недостаточной точности (накопление различных шумов в процессе обработки, малая динамичность диапазона). Второе направление – использование оптических соединений для передачи сигналов на различных устройствах вычислительной техники. Переход к оптоэлектронным системам является одним из возможных решений. При этом в компьютере обязательно должны присутствовать новые элементы, такие как: оптоэлектронные преобразователи электрических сигналов в оптические и обратно. И, наконец, третье направление непосредственно связано с созданием такого компьютера, который будет полностью состоять из оптических устройств обработки информации. Экспериментально уже были созданы оптические логические устройства и усилители, которые помогают создавать сложные информационные системы.

Основным преимуществом оптических компьютеров является еще более высокое быстродействие даже по сравнению с сегодняшними-самыми скоростными компьютерами. По оценкам специалистов для решения задач, на которые раньше бы требовались годы, сейчас будет уходить всего несколько часов. Эта задача на первый взгляд кажется просто фантастической и невыполнимой! Но с оптическими технологиями это станет действительно возможным. Исследователи предчувствуют, что технологии продвинутся настолько, что компьютеры, действующие с помощью потока фотонов, сгенерированных лазерами или диодами, станут повседневной реальностью.

Специалисты вот уже в течение нескольких десятилетий практикуются в создании оптических компьютеров. К примеру, еще в 1994 году группа студентов под руководством Гарри Ф. Джордана разработала устройство, которое, как они говорили, можно было назвать первым оптическим компьютером общего назначения (Stored Program Optical Computer-SPOC). Но, как говорится, первый блин всегда комом. Поэтому и это устройство обладало своими недостатками. Этот компьютер мог выполнять только лишь основные математические операции, что касается Microsoft Office – его нельзя было здесь запустить. До сегодняшнего дня ученые еще не раз представят свои разработки, но, к сожалению, оптический компьютер все еще остается «технологией будущего».

Современные компьютеры используют электрический ток для своей работы. В оптических компьютерах (по другому их называют фотонными), как уже было сказано, электрический ток будет заменен светом. Результатом послужит новая цифровая компьютерная система для обработки данных. Оптические компьютеры появятся не сразу, сначала их технология будет постепенно внедрятся в действия стандартных компьютеров, будут созданы гибридные системы, и уже потом оптический компьютер выступит как самостоятельное устройство.

В таком устройстве вычисления будут происходить при помощи фотонов, которые сгенерированы миниатюрными лазерами и которые будут распространятся по чипу с помощью системы отражателей. Для того, чтобы сохранить современную логику, присущую вычислительной технике, необходимо воссоздать основной элемент, необходимый для работы оптического компьютера, – оптический транзистор. Но уже созданные транзисторы, которые в зависимости от света могут менять свои свойства, требуют больших энергетических затрат, чем современные стандартные транзисторы. В основе работы оптических транзисторов, триггеров, ячеек памяти и носителей информации лежит явление, которое называется «оптической бистабильностью». Это одно из видов взаимодействия света с веществом, которое проходит в нелинейных системах, с обратной связью. При этом взаимодействии определенная поляризация и интенсивность излучения, которое падает на вещество, соответствует двум возможным состояниям световой волны, которые отличаются друг от друга амплитудой или же параметрами поляризации. При этом обязательным составляющим является то, что состояние вещества, идущее вначале, определяет, какое состояние реализуется на выходе. Еще одной проблемой при создании оптических компьютеров является то, что ученые не могут добиться миниатюрности компонентов оптического процессора, но они предлагают решить эту задачу таким способом: проецировать частоту колебаний световой волны в колебание электронов на поверхности металла. Это позволит уменьшить оптическую систему, но при этом сохранить все ее преимущества. Другими немаловажными компонентами оптического компьютера являются оптические логические вентили, сумматоры, процессоры, системы хранения информации, межсоединения, модуляторы, которые формируют, преобразуют и передают информационные и управляющие световые потоки, а также осуществляют операции над ними. Весь представленный набор оптических логических устройств для обработки сложных блоков оптических компьютеров реализуется на основе пассивных нелинейных резонаторов–интерферометров. Все зависит от начального положения пика пропускания, а также начальной интенсивности оптического излучения: в пассивном резонаторе, являющимся нелинейным, такой же нелинейный процесс заканчивается тем, что один из двух устойчивых состояний пропускания падающего излечения устанавливался. Элементы памяти оптического компьютера – полупроводниковые нелинейные оптические интерферометры, минимальный размер которых соответствует количеству необходимых атомов, при котором наблюдается, ранее уже упомянутое определение, –оптическая бистабильность.

Если обратить свое внимание к истории развития оптических технологий, углубившись в прошлое, то самыми первыми устройствами, созданными для обработки информации, стали сконструированные в 1984 году оптические процессоры, которые использовали аналоговые метод. В 1990 году американская компания под названием «Bell Labs» создала макет процессора, который построен на основе двухмерных матриц из бистабильных оптоэлектронных элементов, размерность составляла 4×8. Матрица была освещена излучением полупроводникового лазера через голографическую решетку, которая была способна формировать 32 световых пучка с близкой по значению интенсивностью. Это делалось для того, чтобы все элементы работали одновременно. Сам процессор включал в себя четыре оптических модуля, объединенных в одно кольцо, в каждом из них находилась матрица, две пространственные маски, которые обеспечивали связь между элементами процессора, и, конечно же два полупроводниковых лазера. При всех особенностях величина энергии, требуемой для одного переключения, была в 6 раз меньше, чем у электронных компьютеров. С 1991 года, после представления П. Гилфойлом представления компьютера DOC-II (Digital Optical Computer) матрица стала представлять собой пространственный модулятор света, который имел размерность 64×128 каналов. Скорость передачи данных соответственно возросла, и стала составлять 100 Мбит/с, а частота переключений при использовании 64 параллельных каналов была около 10¹² с^-1, энергия на одно переключение стала составлять уже 7,15*10^-15 Дж. С каждым годом ученые все дальше и дальше продвигались в оптических технологиях. 2003 год был ознаменован появлением сигнального процессора с оптическим ядром – «EnLight 256». Он работал более продуктивно по сравнению со своими соотечественниками, производя 8*10¹² операций в секунду. Все ранние оптические компьютеры имели большой недостаток, связанный с памятью. Результаты современных разработок, конечно, дают надежду, что эта проблема будет решена. Исследователями создано множество архитектур, которые дают разработчикам возможность для уменьшения размеров оптического компьютера, а также упрощения его конструкции. Наиболее популярными являются устройства, работающие на основе микроэлектромеханических элементов (MEM). Суть таких устройств заключается в том, что здесь основную роль играют крохотные зеркала, которые поворачиваются, перемещаются под разными углами, тем самым они обеспечивают прохождение света через само устройство за счет многократных отражений.

Несмотря на все недоработки и сложности создания оптического компьютера, он имеет ряд преимуществ, позволяющих называть его «будущим технологий». Оптические компьютеры практически мгновенно смогут выполнять различные операции. Это связанно с тем, что скорость распространения светового сигнала в разы выше скорости электрического сигнала. Высокое быстродействие является наиболее важным и значительным достоинством оптического компьютера. В линейной среде световые потоки хоть и проходят на очень близком расстоянии друг от друга или даже пересекаются друг с другом, никогда не взаимодействуют между собой, благодаря этому требуется меньшее количество памяти, что является очень интересной особенностью оптического излучения. Световые потоки могут проходить в поперечном направлении до наименьших размеров (нм), и к тому же передаваться по свободному пространству, а их взаимодействие распределено по всей среде. Немаловажным достоинством является и то, что работа оптического компьютера основана на свете, поэтому беспокоиться о перегреве не стоит.

Развитие оптических технологий все равно будет продолжаться, поскольку полученные результаты важны не только для создания оптических компьютеров, но также и для оптических коммуникаций и сети Internet.

Код для цитирования: Скопировать