Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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. [1]

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 [2], а также для классификации последовательных оптических данных во временной области. [3]

Оптические компоненты для двоичного цифрового компьютера [ править ]

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 [4], где интенсивность падающего света влияет на интенсивность света, проходящего через материал, аналогично токовой характеристике биполярного транзистора. Такой оптический транзистор [5] [6] может быть использован для создания оптического логических вентилей , [6] , который , в свою очередь собраны в более высоких компонентов уровня компьютера центрального процессора(ЦПУ). 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. оптическая память , [7]

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

Противоречие [ править ]

Между исследователями существуют некоторые 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 [8] в реальном мире логика система требует «восстановление логического уровня, cascadability, вентилятор-выход и вход-выход изоляция», все из которых в настоящее время обеспечивается 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. [9]

Заблуждения, проблемы и перспективы [ править ]

Существенная проблема для оптических вычислений состоит в том, что вычисление - это нелинейный процесс, в котором должны взаимодействовать несколько сигналов. Свет, который представляет собой электромагнитную волну , может взаимодействовать с другой электромагнитной волной только в присутствии электронов в материале [10], и сила этого взаимодействия намного слабее для электромагнитных волн, таких как свет, чем для электронных сигналов в обычный компьютер. 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. [ необходима цитата ]

Еще одно заблуждение [ кем? ] заключается 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 шириной полосы . Однако в волоконно-оптической связи практические ограничения, такие как дисперсия, часто ограничивают каналы.с полосой пропускания 10 ГГц, лишь немного лучше, чем у многих кремниевых транзисторов. Следовательно, для достижения значительно более быстрой работы, чем у электронных транзисторов, потребуются практические методы передачи ультракоротких импульсов по волноводам с высокой дисперсией.

Фотонная логика [ править ]

Реализация фотонно-управляемого НЕ-гейта для использования в квантовых вычислениях

Фотонная логика - это использование фотонов ( света ) в логических элементах (НЕ, И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ИСКЛЮЧИТЕЛЬНОЕ ИЛИ). Переключение достигается с помощью нелинейных оптических эффектов при объединении двух или более сигналов. [6]

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

Другие подходы, которые были исследованы, включают фотонную логику на молекулярном уровне с использованием фотолюминесцентных химикатов. Во время демонстрации Witlicki et al. выполнял логические операции с использованием молекул и SERS . [11]

Нетрадиционные подходы [ править ]

Оптические вычисления с задержками [ править ]

Основная идея - задержать свет (или любой другой сигнал) для выполнения полезных вычислений. [12] Представляет интерес решение NP-полных задач, поскольку это сложные задачи для обычных компьютеров.

Фактически в этом подходе 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. Каждый граф имеет 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 дуги или узла, чтобы мы могли легко идентифицировать этот факт в узле назначения.
  • В узле назначения мы будем ждать сигнала (колебания в интенсивности сигнала), который поступит в определенный момент (ы) времени. Если в этот момент нет сигнала, 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 такой проблемой была проблема гамильтонова пути . [12]

Самая простая - это задача о сумме подмножеств . [13] 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 поступят 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 колебание целевого момента 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 [ править ]

Вычисления на основе длины волны [14] 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, используемые для различения подходящих длин волн, которые удовлетворяют формуле.

Ксерокопирование на прозрачных пленках [ править ]

В этом подходе для выполнения вычислений используется машина Xerox и прозрачные листы. [15] Задача k-SAT с n переменными, m предложениями и не более чем k переменными в каждом предложении была решена в 3 этапа:

  • Во-первых, все 2 ^ n возможных назначений 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 [ править ]

Задача коммивояжера была решена Шакедом и др. (2007) [16] 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 производится оптически с помощью оптического коррелятора.

Оптические сопроцессоры Фурье [ править ]

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.и 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. [17]

Машины Изинга [ править ]

Физические компьютеры, дизайн которых был вдохновлен теоретической моделью Изинга , называются машинами Изинга. [18] [19] [20]

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 . [18] [19]

Позже команда Hewlett Packard Labs разработала инструменты проектирования фотонных чипов и использовала их для создания машины Изинга на одном кристалле, объединив 1052 оптических компонента на одном кристалле. [18]

См. Также [ править ]

  • Линейные оптические квантовые вычисления
  • Оптическая нейронная сеть
  • Фотонная интегральная схема
  • Фотонная молекула
  • Фотонный транзистор

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Nolte, DD (2001). Разум со скоростью света: новый вид интеллекта . Саймон и Шустер. п. 34. ISBN 978-0-7432-0501-6.
  2. ^ Feitelson, Дрор Г. (1988). «Глава 3: Оптическое изображение и обработка сигналов». Оптические вычисления: обзор для компьютерных ученых . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 978-0-262-06112-4.
  3. ^ Ким, СК; Года, К .; Фард, AM; Джалали, Б. (2011). «Оптический коррелятор аналоговых образов во временной области для высокоскоростного распознавания изображений в реальном времени» . Письма об оптике . 36 (2): 220–2. Bibcode : 2011OptL ... 36..220K . DOI : 10.1364 / ol.36.000220 . PMID 21263506 . S2CID 15492810 .  
  4. ^ «Энциклопедия лазерной физики и техники - нелинейный индекс, эффект Керра» .
  5. ^ Jain, K .; Пратт младший, GW (1976). «Оптический транзистор». Appl. Phys. Lett . 28 (12): 719. Bibcode : 1976ApPhL..28..719J . DOI : 10.1063 / 1.88627 .
  6. ^ a b c US 4382660 , K. Jain & GW Pratt, Jr., «Оптические транзисторы и логические схемы, воплощающие то же самое», опубликовано 10 мая 1983 г. 
  7. ^ "Проект Силика" . Microsoft Research . Проверено 7 ноября 2019 .
  8. Перейти ↑ Tucker, RS (2010). «Роль оптики в вычислительной технике». Природа Фотоника . 4 (7): 405. Bibcode : 2010NaPho ... 4..405T . DOI : 10.1038 / nphoton.2010.162 .
  9. ^ Rajan, рэндзю; Бабу, Падманабхан Рамеш; Сентилнатан, Кришнамурти. "All-Optical Logic Gates показывает перспективу для оптических вычислений" . Фотоника . Спектры фотоники . Проверено 8 апреля 2018 года .
  10. ^ Филип Р. Уоллес (1996). Утерянный парадокс: образы кванта . ISBN 978-0387946597.
  11. ^ Витлики, Эдвард Х .; Йонсен, Карстен; Hansen, Stinne W .; Silverstein, Daniel W .; Боттомли, Винсент Дж .; Jeppesen, Jan O .; Вонг, Эрик В .; Дженсен, Лассе; Флуд, Амар Х. (2011). "Молекулярные логические ворота с использованием поверхностно-усиленного рамановского рассеяния света" . Варенье. Chem. Soc. 133 (19): 7288–91. DOI : 10.1021 / ja200992x . PMID 21510609 .  
  12. ^ a b Oltean, Михай (2006). Устройство на основе света для решения задачи о гамильтоновом пути . Нетрадиционные вычисления. Springer LNCS 4135. С. 217–227. arXiv : 0708.1496 . DOI : 10.1007 / 11839132_18 .
  13. ^ Михай Oltean, Oana Мунтян (2009). «Решение проблемы подмножества суммы с помощью светового устройства». Естественные вычисления . 8 (2): 321–331. arXiv : 0708.1964 . DOI : 10.1007 / s11047-007-9059-3 . S2CID 869226 . 
  14. ^ Sama Goliaei Саидом Джалили (2009). Оптическое решение проблемы 3-SAT на основе длины волны . Мастерская оптических суперкомпьютеров. С. 77–85. Bibcode : 2009LNCS.5882 ... 77G . DOI : 10.1007 / 978-3-642-10442-8_10 .
  15. Перейти ↑ Head, Tom (2009). Параллельные вычисления путем ксерокопирования на прозрачных пленках . Алгоритмические биопроцессы. Springer. С. 631–637. DOI : 10.1007 / 978-3-540-88869-7_31 .
  16. ^ NT Shaked, S Messika, S Dolev, J Rosen (2007). «Оптическое решение ограниченных NP-полных задач» . Прикладная оптика . 46 (5): 711–724. Bibcode : 2007ApOpt..46..711S . DOI : 10,1364 / AO.46.000711 . S2CID 17440025 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  17. ^ AJ Macfaden, GSD Гордон, TD Уилкинсон (2017). «Сопроцессор оптического преобразования Фурье с прямым определением фазы» . Научные отчеты . 7 (1): 13667. Bibcode : 2017NatSR ... 713667M . DOI : 10.1038 / s41598-017-13733-1 . PMC 5651838 . PMID 29057903 .  CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. ^ a b c Рэйчел Кортленд. «Новый чип HPE знаменует собой веху в области оптических вычислений» .
  19. ^ а б Эдвин Картлидж. «Новые компьютеры Ising-machine берутся на штурм» .
  20. ^ Адриан Чо. «Странный компьютер справляется с запутанными задачами» .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • 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, штат 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 . 0 (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 .
  • Guan, TS; 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 .
  • Guan, TS; 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». Appl. 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). «Почему суперкомпьютеры будущего требуют оптики». 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 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Этот лазерный трюк - квантовый скачок
  • Компания Photonics Startup Pegs зафиксировала дату производства во втором квартале 2006 года
  • Остановка света в квантовом скачке
  • Оптические межкомпонентные соединения с высокой пропускной способностью
  • https://www.youtube.com/watch?v=4DeXPB3RU8Y (фильм: ксерокопирование на прозрачных пленках)