litceysel.ru 1 2 3

Оптические процессоры: достижения и новые идеи




ОПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССОРЫ: ДОСТИЖЕНИЯ И НОВЫЕ ИДЕИ


П.А. Белов, В.Г. Беспалов, В.Н. Васильев, С.А. Козлов,

А.В. Павлов, К.Р. Симовский, Ю.А. Шполянский


Обзор посвящен достижениям, новым идеям и проблемам, связанным с созданием оптического процессора. В обзоре рассмотрены аналоговые и цифровые оптические процессоры, оптические процессоры нечеткой логики, а также перспективные материалы и технологии для создания элементной базы будущих оптических компьютеров.


Введение

Приходит время, когда электронные технологии, используемые для создания кремниевых процессоров, приближаются к теоретическому пределу своих возможностей. Эти фундаментальные ограничения определяются прежде всего квантово-механическими эффектами при уменьшении размеров транзистора до 10 нм, ростом рассеиваемой мощности, связанным со все более быстрым переключением полупроводниковых вентилей, а также физическими пределами скорости распространения электрического сигнала по чипу. Однако развитие науки и техники идет по пути быстрого и постоянно увеличивающегося роста потока информации, подлежащего переработке и использованию, и решение данной проблемы многим исследователям видится в привлечении оптических технологий.

Идея использования света (фотонов) в принципиальных узлах вычислительных машин появилась одновременно с изобретением лазеров - оптических квантовых генераторов - и уже несколько десятилетий исследователи и конструкторы успешно создают отдельные узлы электронно-вычислительных систем с использованием оптических технологий. Фотоны, являющиеся основными носителями информации в оптическом компьютере, по своим физическим характеристикам принципиально отличаются от электронов. Полевая природа света обуславливает многочисленные преимущества оптических технологий для задач передачи, записи, обработки и хранения информации:


  • частота оптического излучения составляет 1012…1016 Гц, что позволяет создать до 105 информационных каналов со спектральной шириной 100 ГГц;

  • передача информации фотонами происходит действительно со скоростью света с0 = 3∙1010 см/с, в то время как скорость распространения электрического импульса по чипу определяется временем перезарядки цепи и реально составляет величину в 20-30 раз меньше с0;

  • большое число световых пучков могут свободно проходить по одной и той же области пространства, пересекаться и из-за отсутствия у фотонов электрического заряда не влиять друг на друга;

  • использование двумерного (изображения) и трехмерного (голограммы) характера световых полей позволяет значительно увеличить плотность и скорость передачи информации;

  • возможна когерентная обработка информации с использованием фазовых соотношений;

  • два состояния поляризации (горизонтальная и вертикальная или круговая, по левому или правому кругу) увеличивают вдвое объем переносимой информации;

  • оптическая система практически не излучает во внешнюю среду, обеспечивая защиту от перехвата информации и нечувствительна к электромагнитным помехам.

В современном электронном компьютере можно отметить следующие оптические узлы и элементы: устройства ввода информации – оптический сканер, оптическая мышь; устройства обмена информацией – инфракрасный порт, оптоволокно; устройства вывода информации – лазерный принтер, дисплей, голографический (объемный) дисплей; устройства памяти – долговременная память на перезаписываемых оптических дисках, магнитооптические диски, голографические диски. В 2003 г. появился коммерческий оптический процессор – Enlight 256, предназначенный для увеличения вычислительной мощности электронных процессоров. Компания Intel в 2004 г. анонсировала программу Silicon Photonics ориентированную на создание оптических узлов, встраиваемых в процессор, – лазеров, модуляторов, мультиплексоров и демультиплексоров с использованием интегральной кремниевой технологии.


Таким образом, идет постепенный переход от электронных технологий к оптическим в системах обработки информации, и данный обзор посвящен достижениям, новым идеям и проблемам, связанным с созданием полностью оптического процессора, в котором свет управлял бы светом, а информацию переносил бы фотон вместо электрона.

В первой части будут рассмотрены основы аналоговых оптических вычислений, аналоговые оптические процессоры и цифровые оптические процессоры, а также оптические процессоры нечеткой логики; во второй части будут рассмотрены перспективные материалы и технологии для создания элементной базы будущих оптических компьютеров.


1. Оптические процессоры

1.1. Аналоговые оптические вычисления и процессоры

Когда речь идет об аналоговых оптических компьютерах, часто термин «аналоговый» употребляется в двух смыслах. Во-первых, он означает непрерывную величину, характеризующую каждую точку в окружающем пространстве (например, интенсивность света). Другими словами, какую бы точку в пространстве мы ни взяли, интенсивность света в этой точке изменяется непрерывно. Во-вторых, термин «аналоговый» означает, что объектом являются все точки непрерывных координат, а не дискретное (точечное) представление всей информации в окружающем пространстве, как это делается при обработке изображений в современных компьютерах.

Обсудим основные методы аналоговых вычислений, производимых в аналоговых оптических компьютерах, с использованием законов оптики. Прежде всего, обратимся к рис. 1, поясняющему, как с помощью светового луча можно выполнять хорошо знакомые всем операции сложения и умножения [1]. Следует




Рис. 1. Основные аналоговые оптические операции: а — сложение; б — сложение с помощью линзы; в — умножение на основе эффекта пропускания света; г — умножение на основе эффекта отражения света.



отметить, что указанные на рисунке простейшие операции сложения возможны лишь при использовании частично-когерентных световых пучков, сложение когерентных происходит с учетом фазовых характеристик – поскольку складываются не интенсивности, а амплитуды падающих волн.

Основными операциями аналогового оптического компьютера являются только две операции - сложение и умножение, однако одни лишь эти операции не позволяют выполнять сложные вычисления. Как уже упоминалось ранее, отличительным свойством светового излучения является способность к параллельной (одновременной) обработке больших объемов информации, однако для этого недостаточно использовать лишь свойство прямолинейного распространения света. Необходимо воспользоваться другими свойствами света, такими как преломление (рефракция) и дифракция, лежащими в основе работы линз и дифракционных элементов (решеток, голограмм). Как показано на рис.2, если перед линзой, например, с левой стороны (входная плоскость), поместить некоторый предмет, то с противоположной стороны мы получим перевернутое и уменьшенное изображение того же предмета. Аналоговая операция инвертирования и масштабирования произведена со скоростью света. Попробуйте провести такую же операцию с данным оптическим изображением (имеющим размер 6х12 см, обладающим 60000х120000 элементами разрешения, что соответствует минимально 7,2 Гб, используя программу, например, Adobe Photoshop).





Рис. 2. Операция инвертирования и масштабирования, выполняемая линзой при построении изображения.

Если входная и выходная плоскости оптической системы совпадают с передней и задней фокальной плоскостями сферической линзы и на вход такой системы поступает оптический сигнал U1(x1,y1), то на выходе появляется сигнал, связанный со входным сигналом следующим соотношением:


, (1)

где f – фокусное расстояние оптической системы, - длина волны оптического сигнала, xH, yH - координаты в выходной плоскости системы. Таким образом, выходной сигнал рассматриваемой простейшей оптической системы с точностью до постоянного множителя совпадает с фурье-образом входного сигнала. Следует отметить, что фурье-образ входного оптического сигнала существует в виде физически реального пространственного распределения комплексных амплитуд света. Благодаря этому когерентные оптические системы могут быть эффективно использованы для решения широкого круга задач, связанных с получением, преобразованием и обработкой фурье-спектров, корреляционных функций и сверток [1-3].

Поскольку фурье-образы двумерных оптических сигналов реализуются в виде реальных физических сигналов с помощью простейшей оптической системы, над ними можно производить различные математические операции методами пространственной фильтрации. Оптическая система обработки информации методами пространственной фильтрации (рис. 3) состоит из следующих компонентов: из источника света S, двух последовательно расположенных простейших систем преобразования Фурье, устройства ввода информации, пространственного операционного фильтра и детектора выходных сигналов. Устройство ввода информации, операционный фильтр и детектор выходных сигналов располагаются соответственно во входной (x1,y1), спектральной Фурье-плоскости (xн,yн) и выходной (xD,yD) плоскостях системы.


Рис. 3. Схема оптической системы обработки информации методами пространственной фильтрации. S – источник оптического излучения.



Линза Л2 осуществляет преобразование Фурье сигнала U1(x1,y1), созданного транспарантом, поэтому в спектральной плоскости системы непосредственно перед операционным фильтром распределение комплексных амплитуд света пропорционально фурье-образу входного сигнала. Амплитудно-фазовый коэффициент пропускания операционного фильтра определяется выражением:

tH = CH(ξ,), (2)

где C – комплексная константа, а функция H(ξ,) соответствует математической операции, которую необходимо выполнить над входным сигналом, ее называют передаточной функцией фильтра. После пространственной фильтрации оптический двумерный сигнал подвергается повторному преобразованию Фурье с помощью линзы Л3. В результате в выходной плоскости системы оптическое поле будет иметь распределение:

, (3)

где C1- комплексная константа. Направления координатных осей в выходной плоскости системы выбраны противоположно направлениям осей координат во входной плоскости для того, чтобы учесть инверсию, которая получается в результате двух последовательных преобразований Фурье и выражается соотношением F{F[U(x,y)]}=U(-x,-y).

Таким образом, оптическая система, представленная на рис. 3, способна выполнять линейные интегральные преобразования типа свертки, описываемые уравнением (3). В частном случае, когда H = 1, искомая система превращается в систему, создающую изображение входного сигнала. Так как входной сигнал оптической системы является финитным, ее фурье-образ имеет неограниченную протяженность. Поэтому ошибка в выходном сигнале оптической системы, обусловленная потерей части фурье-образа, соответствующей высоким пространственным частотам, неизбежна.


В качестве практического использования аналоговых вычислений с использованием оптического Фурье-преобразования отметим следующие модели компьютерных систем: оптоэлектронный процессор фирмы Global Holonetics, первым вышедший на рынок, предназначен, в частности, для распознавания упаковок в супермаркетах, в нем используется формирователь изображения, содержащий приблизительно 65000 жидкокристаллических элементов с электронным управлением и он распознает до 30 изображений в секунду и стоит вчетверо меньше обычных компьютеров технического зрения; оптический коррелятор компании Litton Data Systems на базе магнитооптики выполняет более 1000 корреляций в секунду по изображениям формата 128х128 пикселей, при объеме 10 дм3 он высоконадежно распознает бронетехнику на многокилометровой дистанции.

В качестве другого примера практического использования аналоговых оптических компьютеров рассмотрим операционные устройства, выполняющие операции со множеством аналоговых числовых данных [1, 4]. Объектом операций, или данными, будем считать вектор, состоящий из п чисел, и двумерную матрицу размерностью п п. На рис. 4 показан пример структуры базового оптического арифметического устройства, выполняющего умножение вектора и матрицы при п = 3.





Рис. 4. Принцип действия оптического операционного устройства, выполняющего умножение вектора на матрицу.

Слева показаны три источника света, расположенные горизонтально. В центре расположен оптический транспарант размером 3x3, а справа — вертикально три фотодетектора. Кроме того, создадим оптическую систему таким образом, чтобы свет, излучаемый одним из источников, например х1 распространялся веерообразно по вертикали, как показано на рисунке, и падал только на часть маски а11, а12, а13 (в данной схеме оптическая система не показана). Свет от соседнего с х1 источника х2 распространяется также вертикально веерообразно и падает на соседние участки маски а21, а22, а23 и до других участков не доходит. Интенсивность света, прошедшего через транспарант, определяется произведением интенсивности входного луча хi на коэффициент пропускания аij данного участка транспаранта.


Далее, свет, прошедший через транспарант, фокусируется с помощью другой оптической системы (также не показанной на рисунке), но только по горизонтали. Световые лучи, прошедшие через элементы а11, а21, а31 в верхней части транспаранта, достигают только самого верхнего оптического датчика у1. Аналогично световые лучи, прошедшие через второй ряд ячеек транспаранта а12, а22, а32 достигают только датчика у2. В конечном итоге интенсивность света в i-м оптическом датчике будет определяться суммой трех произведений aij, и xi (см. формулу, приведенную на рис. 4), которая по определению представляет собой произведение вектора х на матрицу а.

Разумеется, число элементов п вектора и матрицы не обязательно может равняться трем, оно может быть любым. Возможность параллельной (одновременной) обработки множества данных можно назвать классической отличительной чертой аналогового оптического компьютера. Этот принцип впервые был предложен в 1975 г. в Станфордском университете (США) и лег в основу многих оптических информационных устройств, разработанных впоследствии, в частности, в основу первого коммерческого цифрового оптического компьютера Enlight256, представленного компанией “Lenslet” в октябре 2003 г [5].



следующая страница >>