Оптический компьютинг
Немного из истории:
Оптический компьютер компании «Bell Labs»
Первый макет оптического компьютера был создан в 1990 году компанией Аланом Хуаном (Bell Labs). Процессор второго поколения носил название «DOC-II» (англ. Digital Optical Computer — цифровой оптический компьютер) и был способен проверять до 80 тыс. страниц текста в секунду при выполнении команды поиска слова.
Оптический компьютер компании «Lenslet»
Компанией «Lenslet» был выпущен единственный на данный момент коммерческий оптический процессор EnLight256. Особенностью его архитектуры является то, что в то время, как ядро основано на оптических технологиях, все входы и выходы - электронные. Этот процессор способен выполнять до 8×1012 операций в секунду. Компьютер на базе EnLight256 способен обрабатывать 15 видеоканалов стандарта HDTV в режиме реального времени и позволяет создать новое направление в голографическом 3D TV.
Первые прототипы 32-нм оптоэлектронных чипов
В 2009 году профессорами Массачусетского технологического института Владимиром Стояновичем и Радживом Ремом было предложено использовать для создания оптоэлектронных устройств, в том числе и оптических процессоров, обычный технологический процесс изготовления полупроводниковых процессоров, основанный на 32-нм технологии. По их расчётам это позволит достигнуть большего прогресса.
Оптические компьютеры:
Развитие вычислительной техники представляет собой постоянно сменяющие друг друга физические способы реализации логических алгоритмов - от механических устройств (вычислительная машина Бэббиджа) к ламповым (компьютеры 40-50-х годов Марк I и Марк II), затем к транзисторным и, наконец, к интегральным схемам. И уже на рубеже XXI века идут разговоры о скором достижении пределов применения полупроводниковых технологий и появлении вычислительных устройств, работающих на совершенно ином принципе. Все это свидетельствует о том, что прогресс не стоит на месте, и с течением времени ученые открывают новые возможности создания вычислительных систем, принципиально отличающихся от широко применяемых компьютеров. Существует несколько возможных альтернатив замены современных компьютеров, одна из которых - создание так называемых оптических компьютеров, носителем информации в которых будет световой поток.
Проникновение оптических методов в вычислительную технику ведется по трем основным направлениям. Первое основано на использовании аналоговых интерференционных оптических вычислений для решения отдельных специальных задач, связанных с необходимостью быстрого выполнения интегральных преобразований. Второе направление связано с использованием оптических соединений для передачи сигналов на различных ступенях иерархии элементов вычислительной техники, т.е. создание чисто оптических или гибридных (оптоэлектронных) соединений вместо обычных, менее надежных, электрических соединений. При этом в конструкции компьютера появляются новые элементы - оптоэлектронные преобразователи электрических сигналов в оптические и обратно. Но самым перспективным направлением развития оптических вычислительных устройств является создание компьютера, полностью состоящего из оптических устройств обработки информации. Это направление интенсивно развивают с начала 80-х годов ведущие научные центры (MTI, Sandia Laboratories и др.) и основные компании-производители компьютерного оборудования (Intel, IBM).
В основе работы различных компонентов оптического компьютера (трансфазаторы-оптические транзисторы, триггеры, ячейки памяти, носители информации) лежит явление оптической бистабильности. Оптическая бистабильность - это одно из проявлений взаимодействия света с веществом в нелинейных системах с обратной связью, при котором определенной интенсивности и поляризации падающего на вещество излучения соответствуют два (аналог 0 и 1 в полупроводниковых системах) возможных стационарных состояния световой волны, прошедшей через вещество, отличающихся амплитудой и (или) параметрами поляризации. Причем предыдущее состояние вещества однозначно определяет, какое из двух состояний световой волны реализуется на выходе. Для большего понимания явление оптической бистабильности можно сравнить с обычной петлей магнитного гистерезиса (эффект, используемый в магнитных носителях информации). Увеличение интенсивности падающего на вещество светового луча до некоторого значения I1 приводит к резкому возрастанию интенсивности прошедшего луча; на обратном же ходе при уменьшении интенсивности падающего луча до некоторого значения I2<I1 интенсивность прошедшего луча остается постоянной, а затем резко падает. Таким образом, интенсивности падающего пучка I, значение которой находится в пределах петли гистерезиса, соответствуют два значения интенсивности прошедшего пучка, зависящих от предыдущего оптического состояния поглощающего вещества.
Весь набор полностью оптических логических устройств для синтеза более сложных блоков оптических компьютеров реализуется на основе пассивных нелинейных резонаторов-интерферометров. В зависимости от начальных условий (начального положения пика пропускания и начальной интенсивности оптического излучения) в пассивном нелинейном резонаторе, нелинейный процесс завершается установлением одного из двух устойчивых состояний пропускания падающего излучения. А из нескольких нелинейных резонаторов можно собрать любой, более сложный логический элемент (триггер).
На практике пассивные нелинейные резонаторы-интерферометры являются вакуумно-напыленными тонкопленочными многослойными полупроводниковыми структурами с несколькими промежуточными слоями из арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) или селенида цинка (ZnSe), формирующими в тонкопленочном элементе полупроводниковую сверхрешетку. Такие резонаторы обладают временами переключения ~10-8-10-9 с и удельными энергиями переключения ~10-12-10-14 Дж/мкм2.
Элементы памяти оптического компьютера представляют собой полупроводниковые нелинейные оптические интерферометры, в основном, созданными из арсенида галлия (GaAs). Минимальный размер оптического элемента памяти определяется минимально необходимым числом атомов, для которого устойчиво наблюдается оптическая бистабильность. Это число составляет ~1000 атомов, что соответствует 1-10 нанометрам. Времена переключения оптических элементов памяти примерно на три порядка ниже, чем у полупроводниковых элементов, и могут достигать долей пикосекунды. Важной особенностью оптической памяти является ее высокая защищенность от электромагнитных шумов и надежность (количество переключений не ограничено).
К настоящему времени уже созданы и оптимизированы отдельные составляющие оптических компьютеров (оптические процессоры, ячейки памяти), однако до полной сборки еще далеко. Основной проблемой, стоящей перед учеными, является синхронизация работы отдельных элементов оптического компьютера в единой системе, поскольку уже существующие элементы характеризуются различными параметрами рабочей волны светового излучения (интенсивность, длина волны), и уменьшение его размера. Если для конструирования оптического компьютера использовать уже разработанные компоненты, то обычный PC имел бы размеры легкового автомобиля. Однако применение оптического излучения в качестве носителя информации имеет ряд потенциальных преимуществ по сравнению с электрическими сигналами, а именно:
световые потоки, в отличие от электрических, могут пересекаться друг с другом;
световые потоки могут быть локализованы в поперечном направлении до нанометровых размеров и передаваться по свободному пространству;
скорость распространения светового сигнала выше скорости электрического;
взаимодействие световых потоков с нелинейными средами распределено по всей среде, что дает новые степени свободы (по сравнению с электронными системами) в организации связи и создании параллельных архитектур.
Вообще, создание большего количества параллельных архитектур, по сравнению с полупроводниковыми компьютерами, является основным достоинством оптических компьютеров, оно позволяет преодолеть ограничения по быстродействию и параллельной обработке информации, свойственные современным ЭВМ. Например, цифровой оптический процессор с числом параллельных каналов ~105-106 может совершать до 1013-1015 операций в секунду (при времени переключения в одном канале ~10-8-10-9 с), что значительно превосходит количество производимых операций в секунду в современных полупроводниковых процессорах.
Как уже стало ясно уважаемому читателю, создание оптических компьютеров очень перспективно, но и очень сложно (хотя исследователи из MIT и обещают к 2008 году сконструировать полностью работающий вариант оптического компьютера). Пока никто не может ответить, какой конкретно физический принцип заменит полупроводниковые технологии (биокомпьютеры, квантовые компьютеры, оптические компьютеры, или какие-нибудь еще). Но 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.
Золотые наночастицы могут стать будущим оптических компьютеров
В последнее время физиков-оптиков привлекает такое малоисследованное направление, как управление светом в наномасштабе. Особенно это направление перспективно для создания оптических компьютеров.
В основе любого компьютера, будь то полупроводниковый или оптический, стоят нелинейные операции, с помощью которых и производятся вычисления. В оптике такие операции проще всего реализовываются изменением длины волны света. Ранее такие операции были возможны лишь при высокой мощности.
Международная группа исследователей из Франции, Испании и США пришла к выводу, что наночастицы золота помогут решить проблему изменения длины волны при низкой мощности излучения. Облучая микроскопические частицы металла красным лазером, они обнаружили, что если размер частицы меньше длины волны, то каждая из них может выступать в роли резонатора и изменять длину волны света при перемещении относительно его источника. Такое раньше считалось практически неосуществимым.
Существуют, однако, серьезные препятствия на пути создания оптических компьютеров по данной технологии. Пока что используемые поля еще слишком мощные для практического применения. Необходимы дальнейшие исследования и разработки, прежде чем эффективные и конкурентоспособные оптические компьютеры станет возможным создавать на практике.