Оптические вычисления - Optical computing

В оптических или фотонных вычислениях для вычислений используются фотоны, производимые лазерами или диодами . На протяжении десятилетий фотоны обещали обеспечить более широкую полосу пропускания, чем электроны, используемые в обычных компьютерах (см. Оптические волокна ).

Большинство исследовательских проектов сосредоточено на замене существующих компьютерных компонентов на оптические эквиваленты, в результате чего создается оптическая цифровая компьютерная система, обрабатывающая двоичные данные . Этот подход, по-видимому, открывает наилучшие краткосрочные перспективы для коммерческих оптических вычислений, поскольку оптические компоненты могут быть интегрированы в традиционные компьютеры для создания оптико-электронного гибрида. Однако оптоэлектронные устройства потребляют 30% своей энергии, преобразуя электронную энергию в фотоны и обратно; это преобразование также замедляет передачу сообщений. Полностью оптические компьютеры устраняют необходимость в оптико-электрооптических преобразованиях (OEO), тем самым снижая потребление электроэнергии.

Специализированные устройства, такие как радар с синтезированной апертурой (SAR) и оптические корреляторы , были разработаны с учетом принципов оптических вычислений. Корреляторы могут использоваться, например, для обнаружения и отслеживания объектов, а также для классификации последовательных оптических данных во временной области.

Оптические компоненты для двоичного цифрового компьютера

Основным строительным блоком современных электронных компьютеров является транзистор . Для замены электронных компонентов на оптические требуется эквивалентный оптический транзистор . Это достигается с помощью материалов с нелинейным показателем преломления . В частности, существуют материалы, в которых интенсивность падающего света влияет на интенсивность света, проходящего через материал, аналогично токовой характеристике биполярного транзистора. Такой оптический транзистор можно использовать для создания оптических логических вентилей , которые, в свою очередь, встраиваются в компоненты более высокого уровня центрального процессора (ЦП) компьютера. Это будут нелинейные оптические кристаллы, используемые для манипулирования световыми лучами с целью управления другими световыми лучами.

Как и любой вычислительной системе, оптической вычислительной системе для нормальной работы необходимы три вещи:

1. оптический процессор
2. оптическая передача данных, например оптоволоконный кабель
3. оптическое хранилище ,

Замена электрических компонентов потребует преобразования формата данных из фотонов в электроны, что замедлит работу системы.

Полемика

Между исследователями существуют разногласия относительно будущих возможностей оптических компьютеров; Могут ли они конкурировать с электронными компьютерами на основе полупроводников с точки зрения скорости, энергопотребления, стоимости и размера - вопрос открытый. Критики отмечают , что реальные логические системы требуют «восстановления логического уровня, cascadability, веера из и ввода-вывода изоляции», все из которых в настоящее время предусмотрено с помощью электронных транзисторов при низкой стоимости, низкой мощности и высокой скорости. Чтобы оптическая логика была конкурентоспособной за пределами нескольких нишевых приложений, потребуются серьезные прорывы в технологии нелинейных оптических устройств или, возможно, изменение самой природы вычислений.

Заблуждения, проблемы и перспективы

Существенная проблема для оптических вычислений заключается в том, что вычисления - это нелинейный процесс, в котором должны взаимодействовать несколько сигналов. Свет, который является электромагнитной волной , может взаимодействовать с другой электромагнитной волной только в присутствии электронов в материале, и сила этого взаимодействия намного слабее для электромагнитных волн, таких как свет, чем для электронных сигналов в обычном компьютере. . Это может привести к тому, что элементы обработки для оптического компьютера потребуют большей мощности и больших размеров, чем элементы для обычного электронного компьютера, использующего транзисторы.

Еще одно заблуждение состоит в том, что, поскольку свет может распространяться намного быстрее, чем скорость дрейфа электронов, и на частотах, измеряемых в ТГц , оптические транзисторы должны поддерживать чрезвычайно высокие частоты. Однако любая электромагнитная волна должна подчиняться пределу преобразования , и поэтому скорость, с которой оптический транзистор может реагировать на сигнал, по-прежнему ограничена его спектральной полосой пропускания . Однако в волоконно-оптической связи практические ограничения, такие как дисперсия, часто ограничивают каналы полосой пропускания 10 ГГц, что лишь немного лучше, чем у многих кремниевых транзисторов. Поэтому для достижения значительно более быстрой работы, чем у электронных транзисторов, потребуются практические методы передачи ультракоротких импульсов по волноводам с высокой дисперсией.

Фотонная логика

Реализация фотонно-управляемого НЕ-логического элемента для использования в квантовых вычислениях.

Фотонная логика - это использование фотонов ( света ) в логических элементах (НЕ, И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ИСКЛЮЧИТЕЛЬНОЕ ИЛИ). Переключение достигается с помощью нелинейных оптических эффектов при объединении двух или более сигналов.

Резонаторы особенно полезны в фотонной логике, поскольку они позволяют накапливать энергию от конструктивной интерференции , тем самым усиливая оптические нелинейные эффекты.

Другие подходы, которые были исследованы, включают фотонную логику на молекулярном уровне с использованием фотолюминесцентных химикатов. В демонстрации Witlicki et al. выполнял логические операции с использованием молекул и SERS .

Нетрадиционные подходы

Оптические вычисления с задержкой времени

Основная идея - задержать свет (или любой другой сигнал) для выполнения полезных вычислений. Интересно было бы решить NP-полные задачи, поскольку это сложные задачи для обычных компьютеров.

В этом подходе фактически используются два основных свойства света:

• Свет можно задержать, пропустив его через оптическое волокно определенной длины.
• Свет можно разделить на несколько (под) лучей. Это свойство также важно, потому что мы можем оценивать несколько решений одновременно.

При решении проблемы с задержками необходимо выполнить следующие шаги:

• Первый шаг - создать графоподобную структуру из оптических кабелей и разветвителей. У каждого графа есть начальный узел и целевой узел.
• Свет входит через начальный узел и пересекает граф, пока не достигнет пункта назначения. Он задерживается при прохождении дуг и разбивается внутри узлов.
• Свет маркируется при прохождении через дугу или через узел, чтобы мы могли легко идентифицировать этот факт в узле назначения.
• В узле назначения мы будем ждать сигнала (колебания интенсивности сигнала), который поступит в определенный момент (ы) времени. Если в этот момент не поступает сигнал, это означает, что у нас нет решения нашей проблемы. В противном случае у проблемы есть решение. Колебания можно прочитать с помощью фотоприемника и осциллографа .

Первой проблемой, решаемой таким образом, была проблема гамильтонова пути .

Самая простая из них - это задача о сумме подмножеств . Оптическое устройство, решающее пример с 4 числами {a1, a2, a3, a4}, изображено ниже:

Свет войдет в начальный узел. Он будет разделен на 2 (под) луча меньшей интенсивности. Эти 2 луча придут во второй узел в моменты a1 и 0. Каждый из них будет разделен на 2 подлуча, которые прибудут в 3-й узел в моменты 0, a1, a2 и a1 + a2. Они представляют все подмножества набора {a1, a2}. Мы ожидаем флуктуации интенсивности сигнала не более чем в 4 различных момента. В узле назначения мы ожидаем флуктуации не более чем в 16 различных моментов (которые являются подмножествами данного). Если у нас есть колебания в целевом моменте B, это означает, что у нас есть решение проблемы, в противном случае не существует подмножества, сумма элементов которого равна B. Для практической реализации у нас не может быть кабелей нулевой длины, поэтому все кабели являются увеличивается с небольшим (фиксированным для всех) значением k. В этом случае решение ожидается в момент B + n * k.

Вычисления на основе длины волны

Вычисления на основе длины волны могут использоваться для решения задачи 3-SAT с n переменными, m разделами и не более чем с 3 переменными на раздел. Каждая длина волны, содержащаяся в световом луче, рассматривается как возможное присвоение значений n переменным. Оптическое устройство содержит призмы и зеркала, которые используются для распознавания подходящих длин волн, удовлетворяющих формуле.

Ксерокопирование на прозрачных пленках

В этом подходе для выполнения вычислений используется машина Xerox и прозрачные листы. Задача k-SAT с n переменными, m предложениями и не более чем k переменными в каждом предложении была решена за 3 шага:

• Во-первых, все 2 ^ n возможных присвоений n переменных были сгенерированы путем выполнения n ксерокопий.
• Используя не более 2k копий таблицы истинности, каждое предложение оценивается одновременно в каждой строке таблицы истинности.
• Решение получается путем выполнения операции единственного копирования перекрывающихся прозрачных пленок всех m предложений.

Маскировка оптических лучей

Задача коммивояжера была решена Шакедом и др. (2007) с помощью оптического подхода. Все возможные пути TSP были сгенерированы и сохранены в двоичной матрице, которая была умножена на другой вектор серой шкалы, содержащий расстояния между городами. Умножение осуществляется оптически с помощью оптического коррелятора.

Оптические сопроцессоры Фурье

Многие вычисления, особенно в научных приложениях, требуют частого использования двумерного дискретного преобразования Фурье (ДПФ) - например, при решении дифференциальных уравнений, описывающих распространение волн или перенос тепла. Хотя современные технологии графического процессора обычно обеспечивают высокоскоростное вычисление больших двумерных ДПФ, были разработаны методы, которые могут выполнять непрерывное преобразование Фурье оптически за счет использования естественного свойства преобразования Фурье линз . Входной сигнал кодируется с помощью жидкокристаллического пространственного модулятора света, а результат измеряется с помощью обычного датчика изображения CMOS или CCD. Такие оптические архитектуры могут предлагать превосходное масштабирование вычислительной сложности из-за изначально сильно взаимосвязанной природы оптического распространения и использовались для решения двумерных уравнений теплопроводности.

Машины Изинга

Физические компьютеры, дизайн которых был вдохновлен теоретической моделью Изинга , называются машинами Изинга.

Лаборатория Йошихиса Ямамото в Стэнфорде впервые создала машины Изинга с использованием фотонов. Первоначально Ямамото и его коллеги построили машину Изинга, используя лазеры, зеркала и другие оптические компоненты, которые обычно можно найти на оптическом столе .

Позже команда Hewlett Packard Labs разработала инструменты проектирования фотонных чипов и использовала их для создания машины Ising на одном кристалле, объединив 1052 оптических компонента на одном кристалле.

Смотрите также

• Линейные оптические квантовые вычисления
• Оптическое соединение
• Оптическая нейронная сеть
• Фотонный кристалл § Приложения
• Фотонная интегральная схема
• Фотонная молекула
• Фотонный транзистор
• Кремниевая фотоника

использованная литература

дальнейшее чтение

• Фейтельсон, Дрор Г. (1988). Оптические вычисления: обзор для компьютерных ученых . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 978-0-262-06112-4.
• Маколей, Аластер Д. (1991). Оптические компьютерные архитектуры: применение оптических концепций к компьютерам следующего поколения . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-63242-9.
• Ибрагим Т.А.; Amarnath K; Kuo LC; Grover R; Ван V; Хо ПТ (2004). «Фотонно-логический вентиль ИЛИ-НЕ на основе двух симметричных микрокольцевых резонаторов». Opt Lett . 29 (23): 2779–81. Bibcode : 2004OptL ... 29.2779I . DOI : 10.1364 / OL.29.002779 . PMID  15605503 .
• Biancardo M; Bignozzi C; Дойл Н; Редмонд Дж. (2005). «Потенциал и ионный коммутируемый молекулярный фотонный логический вентиль». Chem. Commun. (31): 3918–20. DOI : 10.1039 / B507021J . PMID  16075071 .
• Jahns, J .; Ли, Ш., ред. (1993). Аппаратное обеспечение оптических вычислений: Оптические вычисления . Elsevier Science. ISBN 978-1-4832-1844-1.
• Barros S; Guan S; Алукайдей Т. (1997). «Реконфигурируемая архитектура MPP с использованием оптических межсоединений в свободном пространстве и конфигурирования сети Петри». Журнал системной архитектуры . 43 (6–7): 391–402. DOI : 10.1016 / S1383-7621 (96) 00053-7 .
• Д. Госвами , «Оптические вычисления», Resonance, июнь 2003 г .; там же, июль 2003 г. Веб-архив www.iisc.ernet.in/academy/resonance/July2003/July2003p8-21.html
• Главный Т; Feuerstein RJ; Jordan HF; Heuring VP; Feehrer J; Любовь CE (1994). «Реализация универсального цифрового оптического компьютера с хранимой программой». Прикладная оптика . 33 (8): 1619–28. Bibcode : 1994ApOpt..33.1619M . DOI : 10,1364 / AO.33.001619 . PMID  20862187 .
• Гуань, Т.С.; Баррос, СПВ (апрель 1994 г.). «Реконфигурируемая многоповеденческая архитектура с использованием оптической связи в свободном пространстве». Труды международного семинара IEEE по массово-параллельной обработке с использованием оптических соединений . IEEE. С. 293–305. DOI : 10.1109 / MPPOI.1994.336615 . ISBN 978-0-8186-5832-7. S2CID  61886442 .
• Гуань, Т.С.; Баррос, СПВ (август 1994 г.). «Параллельная связь процессоров через оптику свободного пространства». TENCON '94. Девятая ежегодная международная конференция IEEE Region 10. Тема: Границы компьютерных технологий . 2 . IEEE. С. 677–681. DOI : 10.1109 / TENCON.1994.369219 . ISBN 978-0-7803-1862-5. S2CID  61493433 .
• Guha A .; Рамнараян Р .; Дерстин М. (1987). «Архитектурные вопросы при проектировании символьных процессоров в оптике». Материалы 14-го ежегодного международного симпозиума по компьютерной архитектуре (ISCA '87) . ACM. С. 145–151. DOI : 10.1145 / 30350.30367 . ISBN 978-0-8186-0776-9. S2CID  14228669 .
• К.-Х. Бреннер, Алан Хуанг: «Логика и архитектура для цифровых оптических компьютеров (A)», J. Opt. Soc. Am., А 3, 62, (1986)
• Бреннер, К.-Х. (1988). «Программируемый оптический процессор на основе символьной замены». Прил. Опт . 27 (9): 1687–91. Bibcode : 1988ApOpt..27.1687B . DOI : 10,1364 / AO.27.001687 . PMID  20531637 .
• Streibl N .; Бреннер К.-Х .; Хуанг А .; Jahns J .; Jewell JL; Lohmann AW; Miller DAB; Мурдокка MJ; Приз МЕНЯ; Сайзер II Т. (1989). «Цифровая оптика». Proc. IEEE . 77 (12): 1954–69. DOI : 10.1109 / 5.48834 .
• Ученые НАСА работают над улучшением оптических вычислительных технологий , 2000 г.
• Оптические решения для NP-полных задач
• Долев, С .; Haist, T .; Олтеан, М. (2008). Оптические суперкомпьютеры: первый международный семинар, OSC 2008, Вена, Австрия, 26 августа 2008 г., Труды . Springer. ISBN 978-3-540-85672-6.
• Долев, С .; Олтеан, М. (2009). Оптические суперкомпьютеры: второй международный семинар, OSC 2009, Бертиноро, Италия, 18–20 ноября 2009 г., Труды . Springer. ISBN 978-3-642-10441-1.
• Долев, С .; Олтеан, М. (2011). Оптические суперкомпьютеры: третий международный семинар, OSC 2010, Бертиноро, Италия, 17–19 ноября 2010 г., пересмотренные избранные статьи . Springer. ISBN 978-3-642-22493-5.
• Долев, С .; Олтеан, М. (2013). Оптические суперкомпьютеры: 4-й международный семинар, OSC 2012, памяти Х. Джона Колфилда, Бертиноро, Италия, 19–21 июля 2012 г. Отредактированные избранные статьи . Springer. ISBN 978-3-642-38250-5.
• Вычисления скорости света становятся на шаг ближе New Scientist
• Колфилд Н .; Долев С. (2010). «Зачем суперкомпьютерам будущего нужна оптика». Природа Фотоника . 4 (5): 261–263. DOI : 10.1038 / nphoton.2010.94 .
• Cohen E .; Долев С .; Розенблит М. (2016). «Полностью оптическая конструкция для реверсивных вентилей и схем с сохранением энергии» . Nature Communications . 7 : 11424. Bibcode : 2016NatCo ... 711424C . DOI : 10.1038 / ncomms11424 . PMC  4853429 . PMID  27113510 .
• Карасик, Евгений Б. (2019). Оптическая вычислительная геометрия . ISBN 979-8511243344.

внешние ссылки

• Этот лазерный трюк - квантовый скачок
• Стартап Photonics привязан к Q2'06 Дата производства
• Остановка света в квантовом скачке
• Оптические межкомпонентные соединения с высокой пропускной способностью
• https://www.youtube.com/watch?v=4DeXPB3RU8Y (фильм: ксерокопирование на прозрачных пленках)