Оптичний комп’ютер

Застосування мікроелектроніки в системах обробки інформації і зв’язку корінним чином змінило навколишній світ. В результаті розвитку і створення все більш потужних комп’ютерів і мереж комп’ютерного зв’язку люди працюють ефективніше, не встаючи з робочого столу, зв’язуються зі всім світом і одержують інформацію зі всіх куточків земної кулі, відпочивають комфортніше. В наш час комп’ютери збільшують суму людського знання, зберігають ці знання, відкривають нові можливості в промисловості і побуті, створюють нові робочі місця.

Поява потужних цифрових електронно-обчислювальних машин (ЕОМ) стала можливою завдяки створенню технології інтеграції мільйонів транзисторів і з’єднань на кремнієвих мікрочипах. Починаючи з 70-х років, число електронних компонентів, розташованих на мікрочипі, подвоювалося кожні 18 місяців, дозволяючи комп’ютерам розвивати удвічі більші швидкості рахунку. Хоча ця тенденція, яка була передбачена в 60-х роках Гордоном Муром [91] з фірми Intel, може продовжуватися протягом наступних декількох років, межа швидкості, з якою інтегральні схеми зможуть працювати, скоро буде досягнута.

Зараз можна купити персональний комп’ютер з процесором, що працює на тактовій частоті 1 ГГц, але поява настільного комп’ютера з мікрочипом на 100 ГГц через 10 років з погляду сучасної науки здається проблематичним. Навіть якщо розмір окремого елемента буде значно зменшений шляхом використання ренгенолітографії, частота інтегральної схеми буде обмежена часом перемикання в транзисторах, який практично не зменшується з його габаритами.

Недавно був проведений аналіз перспектив і фундаментальних обмежень на параметри існуючих і майбутніх інтегральних схем [92]. Одні з найбільш важливих параметрів мікрочипів — час і потужність, що витрачаються на одне перемикання в окремому транзисторі. На рис. 5.1 наведена узагальнена картина граничних параметрів CMOS -технологій. Лінії а і b є термодинамічною і квантово-механічною межами, лінії c і d обумовлюють межі матеріалу (кремнію), лінія e — межі транзистора як пристрою, f — логічні комірки, g — системи з логічних комірок. Нижні межі ліній e, f, g з обернено пропорційною залежністю потужності від часу перемикання обумовлені наявністю мінімуму енергії на перемикання транзистора. Верхні межі з квадратичною залежністю (P ~ t2) обумовлені мінімумом часу, потрібного на перемикання транзистора. Системні обмеження (лінія g) жорсткіші і в основному пов’язані з наявністю ємності електричних з’єднань між логічними комірками. У роботі передбачається, що межа характеристик мікрочипів розташована у області з часом перемикання 50 пс (20 ГГц) і середньою потужністю 500 мкВт, що відповідає енергії 25 фДж на одне перемикання.

clip_image002

Рисунок 5.1 – Граничні параметри мікроелектронних і оптичних комп’ютерів

Інше фундаментальне обмеження, розглянуте у [92], пов’язане із залежністю часу перемикання від довжини з’єднань – чим більше логічних комірок, тим більша довжина з’єднань, тим більша ємність, тим більший час на з’єднання однієї комірки з іншою. Оскільки все більше транзисторів поміщається на один чип, затримки, обумовлені часом перемикання, приводитимуть до інформаційного затору. Мікрочипи повинні будуть обробляти все більш значний потік даних, використовувати все більшу кількість з’єднань, що вимагатиме зменшення загального струмового споживання і створення ефективних пристроїв відведення тепла. Передача потоку даних від одного чипа до іншого і його синхронізація по всьому пристрою створить додаткові труднощі.

Виходячи з вищесказаного, мікроелектроніка, швидше за все, не зможе гарантувати прогрес в інформаційних технологіях, і необхідно шукати альтернативні рішення, які забезпечують щільніший і швидший інформаційний зв’язок між логічними комірками.

5.2 Оптоелектроніка – галузь інформаційних технологій, що розвиваються

Оптоелектроніка обіцяє забезпечити нас комп’ютерами відповідної потужності, необхідної для зберігання і переробки гігантської маси інформації.

Одним з дітищ союзу електрики і світла є більш довершена техніка дослідження світу. Учені розробляють зараз оптоэлектронні датчики, здатні реєструвати механічну напругу в крилах літака або в будівлях, проникати в живі клітини або вимірювати рівень забруднення повітря, жодна технологія не відкриває перед нами таких багатообразних можливостей», — стверджує фізик Алан Кореї, старший фахівець Naval Research Laboratory у Вашингтоні (округ Колумбія).

У технології створення датчиків використовується факт розповсюдження світла у вигляді хвиль. Розглянемо оптоволоконний гіроскоп, що вже знайшов застосування в технічному оснащенні деяких моделей літаків. Світловий потік лазера ділиться на два промені, які через котушку з волоконного світлопровода направляються назустріч один одному. Коли літак робить розворот, промінь світла, що проходить по котушці в одному напрямі, повинен пройти триваліший шлях, щоб досягти її кінця. Шлях іншого променя буде трохи коротший, а тому два потоки світлових хвиль повернуться до початкових точок з невеликою несинхронністю, що дозволить процесору обчислити кут повороту літака. Розроблені Honeywell Incorporation і іншими компаніями, ці гіроскопи простіші, легші і дешевші, ніж всі, що нині існують.

Розробники створюють датчики, вводячи в матеріал оптичних волокон домішки, що примушують скло по-різному відображати, розсіювати або випромінювати світло за наявності різних змін, наприклад температури або тиску. Один такий світлопровід, прокладений по території підприємства, здатний контролювати температуру десятків машин і печей. Недавно хімік з Університету шт. Мічиган Рауль Копельман створив мікроскопічний оптоволоконний датчик, що дозволяє біологам вимірювати рівень рН окремої живої клітини. Аналогічні пристрої зможуть контролювати інші її параметри — від рівня кальцію до вмісту цукру. Справді, це справжня знахідка для біомедичних досліджень.

Тим часом в оптоелектронних датчиках не завжди використовуються волоконні світлопроводи. Так, в детекторах забруднення «працюють» лазерні промені, які відбиваються від крихітних частинок, що забруднюють повітря. Компанія Hewlett-Packard розробила на базі світлочутливих діодів датчики, здатні виявляти навіть найменші повороти рульового колеса автомобіля. Ця інформація може бути сприйнята мікропроцесором, а той у свою чергу, впливаючи на активну систему підвіски, забезпечить такий рух автомашини, при якому вона точно впишеться в поворот. Марк Чендлер, фахівець з маркетингу в області оптоелектроніки компанії Hewlett-Packard, запевняє, що річний об’єм продажів цих датчиків в 2005 р. складе 100 млн. доларів.

Слід зазначити, що велика частина проектно-конструкторських робіт зі створення таких датчиків проводиться для оборони флоту. Наприклад, потрібні дешеві, але чутливі оптоволоконні датчики для виявлення найслабкіших сигналів, що створюються підводними човнами, що «крадуться». А компанія Hughes Aircraft та інші розробляють авіаційні і супутникові радари з фазованими антенними гратами. Замість величезних антенних обтічників ці літаки і супутники будуть оснащені безліччю крихітних радарних випромінювачів, встановлених на обшивці літака або супутника. «З’єднання з кожною групою випромінювачів за допомогою волоконних світлопроводів дозволить управляти результуючим радарним променем», — заявляє Річард Лінд, керівник лабораторією оптичної фізики компанії Hughes. За даними експертів, така система зможе розпізнати з орбіти табличку з номером на рухомому по землі автомобілі. Схоже, від оптоелектронних датчиків навряд чи вдасться що-небудь приховати!

Проте вирішальний вплив оптоелектроніка здатна зробити перш за все на телекомунікацію і обчислювальну техніку. Використання безлічі лазерів, кожний з яких генерує світлові імпульси, деякі хвилі, що відрізняються довжиною, створить тисячі «транспортних» рядів усередині одного і того ж волокна.

При цьому кожен канал має таку пропускну спроможність, що за секунду повністю можна передати зміст всієї Британської енциклопедії. Легко уявити собі, що загальна потужність системи обіцяє бути величезною або принаймні достатньою, щоб кардинально змінити стан справ в області зв’язку. Сьогодні споживач зазвичай платить телефонній компанії за перетворення інформації в світлові імпульси і її передачу через оптоволоконну систему, виходячи з кількості передаваних даних. Але у разі введення нової системи, названої Полемо Гріном, менеджером компанії IBM, «темною» мережею, клієнт міг би брати в оренду вільні, або «темні», лінії за порівняно невисоку плату, а для передачі інформації використовувати власні лазери.

Оптоелектроніка допоможе також вирішити проблему зберігання всієї цієї гігантської маси інформації. Місткість оптичних постійних запам’ятовувальних пристроїв (ПЗП) на компакт-дисках, на поверхню яких лазери наносять інформацію у вигляді найдрібніших рівчаків, в 100 разів перевищує місткість накопичувачів, які застосовуються зараз, на гнучких магнітних дисках.

Практично цей же підхід використовується в рішенні таких задач в області медицини, як визначення рівня цукру в крові пацієнта. Коли в 1992 р. Марк Чендлер з компанії Hewlett-Packard за замовленням OIDA приступив до оцінки перспектив використання оптоелектроніки в біології і медицині, він, за його власними словами, був буквально приголомшений масштабами ринку збуту. Сьогодні група Чендлера прогнозує, що щорічний об’єм продажів на медичному ринку до 2013 р. перевершить 10 млрд доларів. Лазери вже використовуються для видалення бляшок з кровоносних артерій і при проведенні різних хірургічних операцій.

А попереду ще більш нестандартні рішення. Дослідники з корпорації Microelectronics & Computer Technology, р. Остін (шт. Техас), створили недавно компанію Tamarack Storage Devices Inc. для серійного виробництва системи голографічної пам’яті. У цьому пристрої промені двох лазерів експонують матеріал, що змінює під впливом світла свої хімічні властивості. Хвилі лазерів накладаються одна на одну, подібно до хвиль від рухомих по пересічних курсах кораблів. В результаті формується виразна хвильова картина, або голограма, що містить інформацію, яка може бути зчитана за допомогою лазера. Ця технологія значно підвищує об’єм пам’яті і скорочує час доступу до інформації. «Новий пристрій здатний замінити гнучкі магнітні диски, накопичувачі на магнітній стрічці, оптичні ПЗП на компакт-дисках і навіть до деякої міри жорсткі диски», — стверджує президент компанії Tamarack Джон Стоктон.

Оптоелектроніка обіцяє також забезпечити нас комп’ютерами відповідної потужності, необхідної для переробки подібної маси інформації. У 80-і рр. деякі дослідники почали розробляти основи для створення чисто оптичних комп’ютерів — машин, що використовують тільки енергію світла і які не мають усередині ніяких провідників. Інформація в них повинна була передаватися виключно світловими пересічними променями, які не взаємодіють. Мрія про оптичний комп’ютер ще жива: Алан Хуанг з компанії Bell Labs зумів побудувати повністю оптичний процесор. Недавно дослідники з Університету Колорадо продемонстрували простий оптичний комп’ютер, який може проводити прості математичні операції. Проте створити машину для вирішення складніших завдань виявилося куди важче, тому, перш ніж вдасться перейти до їх практичної реалізації, пройде, мабуть, не одне десятиліття.

Тим часом більшість дослідників віддали перевагу легшому шляху — створенню гібридного комп’ютера, в якому поєднуються електроніка і оптика. А компанії IBM, Martin Marietta, Honeywell і AT&T створили недавно Консорціум за оптоелектронними технологіями, який отримав від Управління перспективних досліджень і розробок при Пентагоні 8 млн. доларів на фінансування своєї діяльності. Завдання консорціуму — розробка оптичних зв’язків між процесором, двома запам’ятовувальними пристроями і портами зв’язку машини. Ця так звана оптична «материнська» плата дозволить усунути вузькі місця в сучасних машинах, обумовлені наявністю проводових зв’язків, і збільшить їх швидкодію.

Оптоелектроніка обіцяє також радикальну зміну процесу обробки інформації в комп’ютері. «Її перевага полягає в тому, що не біт, а образ стає одиницею інформації. Один образ несе близько мільярда бітів», — пояснює фізик Девід Нотл з Університету Пердью. Зараз, наприклад, щоб ідентифікувати відбитки пальців, комп’ютери досліджують на ідентичність дві картинки, порівнюючи тисячі окремих елементів зображення або точок растру, з яких складається кожна з них. Оптичний процесор здатний накласти обидва образи і визначити збіг або незбіг практично миттєво. Дослідник Христина Джонсон, фахівець з комп’ютерів в Університеті Колорадо, використовує цю властивість для конструювання оптичної мікросхеми, яка зуміє ідентифікувати ракові клітини в мазках пацієнта.

Основні перешкоди на шляху втілення подібних сміливих ідей — складність їх реалізації і величина необхідних для неї витрат. Адже, оскільки сучасні лазери випромінюють світло з бокової поверхні мікросхеми-чипа, кожну з них треба відрізати від нашарування з арсеніду галію, потім вручну під’єднати до нього скляне волокно завтовшки з людський волос. Легко уявити собі, яка це дорога робота. Оптимальним рішенням був би перехід від окремих лазерів до інтегрованих систем.

Але такий стрибок доведеться довго готувати. У знов створеній компанії Photonics Research Inc., р. Боудлер (шт. Колорадо), її співзасновник Джек Джуєл в співпраці з дослідниками фірми Bellcore використовує для створення нового покоління мікроскопічних лазерів техніку, запозичену з практики розробки мікросхем. Ці лазери випромінюють світло, направлене вверх відносно підкладки, що робить можливим створення мікросхем, орієнтуючих сотні або тисячі лазерів в одному і тому ж напрямі для формування потужного променя. Більш того, роботу зі з’єднання цієї безлічі лазерів з відповідною кількістю оптичних волокон належить спростити, щоб понизити виробничі витрати. «Збут даних вдосконалених пристроїв не складе труднощів», — затверджує Джуєл. До їх числа входять лазерні принтери, оптичні запам’ятовуваьні пристрої для комп’ютерів і покращені мережі телекомунікації.

Інша перспективна комп’ютерна технологія пов’язана із застосуванням так званих «розумних» пікселів (елементів зображення) — мікросхем з великою кількістю лазерів і транзисторів, які передають і приймають інформацію за допомогою сотні або тисячі світлових променів. Ці гібридні пристрої вже зараз здібні до таких простих операцій, як перемикання каналів передачі світлових сигналів. Команда Міллера з компанії Bell Labs сконструювала експериментальний «розумний» піксел, який обробляє 100 млн. бітів в секунду. Подібний результат можна отримати і з використанням звичайних мікросхем з високою швидкодією. Але перевага «розумних» пікселів полягає в тому, що вони можуть містити сотні або тисячі каналів, які працюють з тією ж швидкістю. Таким чином вони дозволяють побудувати ще більш швидкодіючі гібридні оптоелектронні комп’ютери і високошвидкісні перемикачі в мережах передачі даних. «Розумні» пікселі передбачається використовувати в системах комп’ютерного зору, здатних ідентифікувати відбитки пальців; вони можуть також служити «очима» для самонавідних ракет. І хоча «розумні» пікселі — найбільший крок до практичної реалізації інтегральних оптоелектронних схем, їх виробництво все ще пов’язане з чималими труднощами. Наприклад, пристрої компанії Bell Labs виготовляються з пластин, або нашарувань, складної структури, які обробляються для формування і транзисторів, і лазерів. Інший шлях — використання менш екзотичних нашарувань і методу, що отримав назву виборчої епітаксії. «Саме він дозволяє створювати лазери і транзистори окремо в одній і тій же мікросхемі», — підкреслює інженер-електрик Хенрік Темкин з Університету шт. Колорадо. Він вважає, що для вдосконалення цієї технології буде потрібно декілька років, але переконаний, що вона значно понизить витрати на виробництво ряду оптоелектронних пристроїв.

Будь-яке із згаданих досягнень, узяте окремо, є лише малим кроком вперед. Просування це деколи ледве помітне, наприклад в питаннях заміни провідників оптичними волокнами в комп’ютерах (хоча машини при цьому, звичайно, працюватимуть з більшою швидкістю). Але, звичайно ж, найчудовіша якість оптоелектроніки — широта її застосування. Вона проникла вже у всі області — від медицини до ведення війни. З впровадженням нової технології якість зображення в системах відеотелефонів радикально покращає, а кількість інформації, яку можна буде зберігати в базах даних, стрімко зросте. Літаки, зроблені з «розумніших» матеріалів, будуть безпечніші в експлуатації, медичні прилади — кращі і дешевші… І одного прекрасного дня ми зрозуміємо, що оптоелектроніка зробила справжній переворот в техніці — такий же, як той, що відбувся в день появи на світ кремнієвих мікросхем.

Оставьте комментарий к статье