Оптичний комп’ютер та оптичні процесори

XXI століття називають століттям оптичних технологій, грунтуючись на бурхливому розвитку в кінці XX століття таких напрямів, як волоконно-оптичний зв’язок, напівпровідникова оптоелектроніка, лазерна техніка. Особливо вражаючі досягнення волоконної оптики – вона практично революціонізувала системи телекомунікації, і зараз по волокну можлива передача інформації із швидкістю 40 Гб в секунду.

Проте це може бути тільки початком широкого використання оптики для інформаційних технологій. Можливості використання світла в обробці інформації практично безмежні. Якщо використовувати світло для передачі даних між чипами або логічними елементами, проблеми з часом затримки на з’єднання не існуватиме, оскільки передача інформації відбуватиметься дійсно із швидкістю світла. Велике число світлових пучків можуть вільно проходити по одній і тій же області простору, перетинатися і не впливати один на одного. Паралельний багатоканальний характер оптичних інформаційних систем явним чином витікає з двовимірної природи світлового потоку, а оптика пучків, які вільно розповсюджуються в просторі, природно підходить для створення в широкому масштабі паралельних з’єднань між різними площинами інформаційних пристроїв. Сучасна оптична система може вирішувати і відображати мільйони пікселів, кожний з яких може бути інформаційним каналом з частотною шириною смуги передачі понад 1 ТГц.

Щоб використовувати унікальні можливості оптики для обробки інформації, необхідно розробити відповідні технології створення пристроїв генерації, детектування оптичних сигналів, а також оптичних логічних елементів, керованих світлом. Елементарна оптична комірка повинна споживати енергії менше, ніж елемент мікрочипа, бути інтегрованою у великі масиви і мати можливість зв’язку з великим числом подібних елементів.

Починаючи із середини 80-х років, дослідники в оптиці і опто-електроніці інтенсивно працювали над створенням повністю оптичних комп’ютерів нового покоління [103-105]. Серцем такого комп’ютера повинен був стати оптичний процесор, який використовує елементи, в яких світло управляє світлом, а логічні операції здійснюються в процесі взаємодії світлових хвиль з речовиною. Значні зусилля, направлені на створення оптичного комп’ютера, привели до певних успіхів. Так, в 1990 р. в лабораторіях американської фірми “Белл” був створений макет цифрового оптичного пристрою [106, 107]. З його допомогою була продемонстрована можливість виконання цифрових і логічних операцій з високими параметрами швидкодії і споживання енергії. Основу процесора розробленого оптичного комп’ютера складали двовимірні матриці бістабільних елементів (розмірністю 4×8) на основі напівпровідникових структур з множинними квантовими ямами, які мають нелінійні електрооптичні властивості (self-electro-optic-effect devices – SEED [108]). Їх освітлення здійснювалося напівпровідниковим лазером, випромінювання якого пропускалося через голографічні гратки Дамменна [109], здатні забезпечувати високу ефективність освітлення кожного з елементів матриці. Потужність випромінювання лазера складало 10 мВт, а довжина хвилі випромінювання 850 нм. У симетричному SEED, що складається з двох PIN фотодіодів, усередині яких вирощені надгратки і які включені послідовно в коло живлення, при освітленні одного з діодів в колі виникав струм, який викликав спад напруги на структурі надгратки і приводив до збільшення пропускання світла через другу структуру. Таким чином, виникав позитивний зворотний зв’язок, і сукупність таких елементів могла утворювати логічні комірки «АБО – НЕ», «АБО – І» і т.д. [110]. Перший оптичний комп’ютер складався з 4 каскадів і розташовувався на оптичній плиті розміром 1×1 м2. Просторовий розподіл випромінювання на виході кожного з каскадів комп’ютера визначався станом рідкокристалічної маски, яка входить в його склад, керованої звичайним комп’ютером і розподілом світла на його вході. Важливою перевагою першого оптичного комп’ютера є можливість послідовного об’єднання його окремих каскадів завдяки штучному аналогу ефекту внутрішнього посилення.

Друге покоління оптичного комп’ютера представлене моделлю DOC-II (digital optical computer II) [111], в якому використана вже векторно-матрична логіка. У даному пристрої вхідний потік даних утворювався випромінюванням лінійки 64 незалежно модульованих лазерних діодів з довжиною хвилі випромінювання 837 нм. Світло від кожного діода лінійки відображалося на один рядок матричного просторового модулятора світла загальними розмірами 64×128 елементів. Окремий елемент матриці має акусто-оптичну брегівську решітку на основі GaP. Світло, що виходить з просторового модулятора, потрапляло на лінійку з 128 лавинних фотодіодів. Зовнішній вигляд комп’ютера поданий на рис. 5.2.

DOC-II має 64×128 = 8192 з’єднань і працює на частоті передачі даних 100 Мб·с-1, що відповідає 0.8192·1012 перемикань в секунду. Енергія на одне перемикання складає 7.15 фДж (~ 3·104 фотони). Було проведене тестування даної комп’ютерної системи [112, 113], зокрема, при пошуку потрібного слова в тексті DOC-II зміг проглядати 80000 сторінок ASCII тексту за одну секунду.

Принциповим недоліком макетів перших оптичних комп’ютерів була неінтегрованість його окремих компонентів. Виходячи з цього, основним завданням наступного етапу робіт із оптичного комп’ютера було створення його інтегрального варіанта.

В наш час ведуться роботи із створення інтегрального модуля оптичного комп’ютера з логічною тензорною для матриці основою, названого HPOC (High Performance Optoelectronic Communication) [114].

clip_image002

Рисунок 5.2 – Зовнішній вигляд оптичного комп’ютера DOC-II

У пристрої планується використовувати вхідну матрицю вертикально-випромінювальних лазерних діодів, сполучену планарними хвилеводами і звичайною оптикою з матрицями перемикання, на основі дифракційних оптичних елементів, і вихідну систему, що складається з матриці лавинних фотодіодів, суміщеної з матрицею вертикально-випромінювальних діодів. У модулі використовується GaAs, Bi-CMOS і CMOS технології, а оптичні з’єднання організовані з використанням вільного розповсюдження світлових пучків в просторі і в хвилеводах, що організовують квазі-чотиривимірну структуру. Дослідні зразки показали продуктивність 4.096 Тб·с-1, а оцінювання показують, що дана система здатна розвинути швидкість 1015 операцій в секунду з енергією менше 1 фДж на одне перемикання.

Слід зазначити, що розміри і вага системи, побудованої з модулів, зображених на рис. 5.3, перевищуватимуть розміри використовуваних зараз мікрочипів. В наш час вважають, що повністю оптичний процесор може бути побудований з так званих фотонних кристалів і квазікристалів -матеріалів з періодичною структурою, які можуть управляти і маніпулювати потоками фотонів.

clip_image004

Рисунок 5.3 – Інтегральний оптичний процесор
на основі 4-х модулів HPOC

Добавить комментарий

Your email address will not be published.

Default thumbnail
Previous Story

Класи інтерфейсних пристроїв

Default thumbnail
Next Story

Елементи оптичних комп'ютерів, вирощені за допомогою бактерій

Latest from Оптичний комп’ютер