Введение. Идея использования света (фотонов) в принципиальных узлах вычислительных машин появилась одновременно с изобретением лазеров - оптических квантовыхИдея использования света (фотонов) в принципиальных узлах вычислительных машин появилась одновременно с изобретением лазеров - оптических квантовых генераторов - и уже несколько десятилетий исследователи и конструкторы успешно создают отдельные узлы электронно-вычислительных систем с использованием оптических технологий. Фотоны, являющиеся основными носителями информации в оптическом компьютере, по своим физическим характеристикам принципиально отличаются от электронов. Полевая природа света обуславливает многочисленные преимущества оптических технологий для задач передачи, записи, обработки и хранения информации: Преимущества оптической технологии: • Частота оптического излучения составляет 1012…1016 Гц, что позволяет создать до 105 информационных каналов со спектральной шириной 100 ГГц; • Передача информации фотонами происходит действительно со скоростью света с0 = 3∙1010 см/с, в то время как скорость распространения электрического импульса по чипу определяется временем перезарядки цепи и реально составляет величину в 20-30 раз меньше с0; • Большое число световых пучков могут свободно проходить по одной и той же области пространства, пересекаться и из-за отсутствия у фотонов электрического заряда не влиять друг на друга; • Использование двумерного (изображения) и трехмерного (голограммы) характера световых полей позволяет значительно увеличить плотность и скорость передачи информации;
Все эти преимущества достигаются благодаря тому, что в качестве носителей информации используются фотоны, а не электроны.
В современном электронном компьютере можно отметить следующие оптические узлы и элементы: устройства ввода информации – оптический сканер, оптическая мышь; устройства обмена информацией – инфракрасный порт, оптоволокно; устройства вывода информации – лазерный принтер, дисплей, голографический (объемный) дисплей; устройства памяти – долговременная память на перезаписываемых оптических дисках, магнитооптические диски, голографические диски. Компания Intel в 2004 г. анонсировала программу Silicon Photonics ориентированную на создание оптических узлов, встраиваемых в процессор, – лазеров, модуляторов, мультиплексоров и демультиплексоров с использованием интегральной кремниевой технологии. В 2003 году компания Lenslet (www.lenslet.com) создала первый в мире коммерческий оптический процессор, предназначенный для увеличения вычислительной мощности электронных процессоров. Процессор назывался EnLight256, его производительность составляет 8 тераоп ( Первые цифровые оптические компьютеры В 1984 году Б. Дженкинс из Университета Южной Калифорнии продемонстрировал первый цифровой оптический компьютер, выполнявший достаточно сложную последовательность команд. Основным элементом компьютера являлся жидкокристаллический пространственный модулятор, на заднюю поверхность которого был нанесен фотопроводник. При падении света на фотопроводник локально изменяется потенциал, воздействующий на жидкий кристалл и приводящий к изменению пропускания элемента. Используя управляющий луч с одной стороны устройства и считывающий луч с другой стороны, возможно создание бистабильного логического элемента и реализация булевской логики. Следует отметить, что быстродействие данного устройства определялось инерционностью жидкого кристалла, и граничная частота следования импульсов составляла ~ 1 МГц. В 80-е годы прошлого века интенсивно работали над созданием полностью оптических компьютеров нового поколения. В 1990 году компания “Bell” (Bell Labs) создала макет первого оптического компьютера. См рис1.
Рис. 1. Макет цифрового оптического устройства фирмы Bell [8].
Основу процессора разработанного оптического компьютера составляли двумерные матрицы бистабильных элементов (размерностью 4х8) на основе квантоворазмерных полупроводниковых структур, обладающих нелинейными электро-оптическим свойствами (self-electro-optic-effect devices - SEED). SEED был разработан в 1986 г. и представляет собой PIN[1] фотодиод из GaAlAs p-области и n-области, слаболегированная i-область состоит из 100 чередующихся слоев GaAs и GaAlAs толщиной по 95 нм, образуя структуру множественных квантовых ям. В элементе SEED обратная связь осуществляется за счет приложения электрического поля к квантоворазмерной структуре, причем само поле возникает при прохождении через структуру светового излучения. Нелинейное пропускание элемента SEED связано с уменьшением экситонного поглощения вследствие смещения пика экситонного поглощения из-за квантового эффекта Штарка. SEED обладает двумя стабильными состояниями при заданном уровне мощности падающего излучения, включение которых определяется предысторией ранее проводившейся засветки и является оптическим бистабильным устройством. В симметричном SEED'е (S-SEED рис. 2), состоящем из двух PIN фотодиодов, которые включены последовательно в питающую цепь, при освещении одного из диодов в цепи возникал ток, который вызывал падение напряжения на структуре сверхрешетки и приводил к увеличению пропускания света через вторую структуру. Таким образом, возникала положительная обратная связь, и совокупность этих элементов могла образовать логические ячейки «ИЛИ– НЕ», «ИЛИ– И» и т.д.
Рис.2. Оптический логический элемент S-SEED [9].
Первый оптический компьютер состоял из 4 каскадов и располагался на оптической плите размером I х I м2 (см рис1). Пространственное распределение излучения на выходе каждого из каскадов компьютера определялось состоянием входящей в его состав жидкокристаллической маски, управляемой обычным компьютером и распределением света на его входе. Освещение элементов производилось полупроводниковым лазером через голографическую решетку Даммена. Мощность излучения лазера составила 10 мВт, длина волны 850 нм. Важным достоинством первого оптического компьютера явилась возможность последовательного объединения его отдельных каскадов благодаря искусственному аналогу эффекта внутреннего усиления. Параметры системы были следующие: разрядность – 32 бита (массив 4х8); логика – бинарная; тактовая частота – 1,1 МГц (определялась быстродействием ЖК маски); число переключений в секунду – 40 Мб/c. Одним из достижений данного процессора была величина энергии на одно переключение, которое составляла 20 фДж и была на 6 порядков меньше величины энергии переключения в электронных компьютерах того времени. Второе поколение оптических цифровых компьютеров представлено компьютером DOC-II (digital optical computer), разработанного в научно-исследовательской фирме США Opticomp Corporation [10]. В DOC-II см рис3. использован принцип векторно-матричного умножения, однако вектор и матрица являются булевскими логическими. В данном устройстве входной поток данных образовывался излучением линейки 64 независимо модулируемых полупроводниковых лазеров с длиной волны 837 нм. Свет от каждого лазера линейки отображался на одну строчку матричного пространственного модулятора света с размером 64´128 элементов. Отдельный элемент матрицы представлял собой акусто-оптическую брэгговскую ячейку на основе полупроводника GaP. Свет, выходящий из рядов пространственного модулятора, попадал на линейку из 128 лавинных фотодиодов.
DOC-II имел 64´128 = 8192 межсоединений и работал на частоте передачи данных 100 Мб∙с-1, что соответствовало 0,8192´1012 переключений в секунду. Энергия на одно переключение составляла 7.15 фДж (~ 30000 фотонов). Для иллюстрации быстродействия представим, что нужно найти какое-то слово в тексте. Типичный современный персональный компьютер Duron 1,6/256 MB/Win XP SP1 на поиск слова в документе Win Word, состоящем из 953 страниц текста, тратит чуть больше трех секунд (а именно 3,175). В то время, как оптический компьютер DOC-II просматривает за 1 секунду 80 000 страниц обычного ASCII-текста. Принципиальным недостатком макетов первых оптических компьютеров являлась неинтегрируемость их отдельных компонентов.
В конце 90-х годов прошлого века велись работы по созданию интегрального модуля оптического компьютера с логической матрично-тензорной основой, названного HPOC (High Performance Optoelectronic Communication) см рис 4 [11]. В устройстве планировалось использовать входную матрицу VCSEL лазеров, соединенную планарными волноводами и обычной оптикой с матрицами переключения, на основе дифракционных оптических элементов, и выходную систему, состоящую из матрицы лавинных фотодиодов, совмещенную с матрицей вертикально-излучающих диодов. В модуле используются технологии CMOS, Bi-CMOS, GaAs, оптические межсоединения организованы с использованием свободного распространения световых пучков. В итоге получается квазичетерехмерная структура. Опытные образцы показали производительность 4.096 Тб∙с-1, а оценки показывают, что данная система способна развить скорость 1015 операций в секунду с энергией менее 1 фДж на одно переключение. Однако, в связи с мировым кризисом фотоники и рынка волоконных линий связи работы были прекращены. В настоящее время (2005г) фирма Opticomp Corporation разработала новый интегральный оптический элемент, состоящий из матрицы VCSEL лазеров и фотодетекторов, соединенных волноводом, и планирует использовать данные устройства, как для обработки информации, так и для создания свербыстрых переключателей в сверхплотных волоконных линиях связи.
|
арифметических операций в секунду) Операции выполняются за счет манипуляции потоков света, а не электронов, поэтому достигается такая производительность. Оптические технологии в первую очередь ориентированы (по крайней мере, сейчас) на промышленное производство, военную технику – там, где нужно в реальном времени обрабатывать большие потоки информации.
