Оптичний комп’ютер та оптичні процесори

Главная » Каталог статей » Статьи на украинском » Оптичний комп’ютер » 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

Оставьте комментарий к статье