Оптические компьютеры

Проблемы и перспективы развития КС

Опасность не в том, что машина начинает уподобляться человеку, а в том, что человек превращается в подобие машины.
Сидней Харрис

С точки зрения создания качественно новых высокопроизводительных вычислительных систем можно перечислить, например, нанокомпьютеры, оптические, квантовые, молекулярные (клеточные и ДНК-процессоры), коммуникационные, нейронные компьютеры и компьютеры с многозначной (нечеткой) логикой.

Наиболее перспективными (поскольку современная элементная и технологическая база имеет все необходимое для их создания) считаются оптические, квантовые и нейронные компьютеры.

Оптические компьютеры

Носитель информации – световой поток (не обязательно видимого диапазона). Работы ведутся по трем основным направлениям:

1. Использование аналоговых интерференционных оптических вычислений для решения отдельных специальных задач, связанных с необходимостью быстрого выполнения интегральных преобразований.

2. Использование оптических соединений вместо обычных электрических для передачи сигналов на различных стадиях традиционной обработки. При этом в конструкции компьютера появляются новые элементы – оптоэлектронные преобразователи электрических сигналов в оптические и обратно.

3. 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 лежит явление оптической бистабильности. Это одно из проявлений взаимодействия света с веществом, при котором определенной интенсивности и поляризации падающего на вещество излучения соответствуют два (аналог 0 и 1) возможных состояния световой волны.

Увеличение интенсивности падающего на вещество светового луча до некоторого значения I1 приводит к резкому возрастанию интенсивности прошедшего луча; 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.

Наборы оптических логических устройств для синтеза 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.

К настоящему времени уже созданы и оптимизированы отдельные составляющие оптических компьютеров – оптические процессоры, ячейки памяти). Основная проблема – синхронизация работы отдельных элементов оптического компьютера в единой системе.

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.

Потенциальные преимущества перед электрическими сигналами:

1. световые потоки, в отличие от электрических, могут пересекаться друг с другом;

2. световые потоки могут быть локализованы в поперечном направлении до нанометровых размеров и передаваться по свободному пространству;

3. скорость распространения светового сигнала выше скорости электрического;

4. взаимодействие световых потоков со средой распределено по всей среде (в отличие от полупроводниковой структуры), что позволяет эффективно создавать параллельные архитектуры.

5. крайне низкое энергопотребление (примерно на 2 порядка ниже);

6. нечувствительность к электромагнитным помехам.