Оптические вычисления

Оптические вычисления или фотонные вычисления используют легкие волны, создаваемые лазерами или некогерентными источниками для обработки данных , хранения данных или связи с данными для вычислений . В течение десятилетий фотоны продемонстрировали обещание обеспечить более высокую полосу пропускания , чем электроны, используемые в обычных компьютерах (см. Оптические волокна ).

Большинство исследовательских проектов сосредоточены на замене текущих компьютерных компонентов оптическими эквивалентами, что приводит к оптической цифровой компьютерной системе обработки бинарных данных . Этот подход, по-видимому, предлагает лучшие краткосрочные перспективы для коммерческих оптических вычислений, поскольку оптические компоненты могут быть интегрированы в традиционные компьютеры для производства оптического электронного гибрида. Тем не менее, оптоэлектронные устройства потребляют 30% их энергии, преобразующей электронную энергию в фотоны и обратно; Это преобразование также замедляет передачу сообщений. Всеоптические компьютеры устраняют необходимость оптических электрических-оптических (OEO) преобразований, тем самым снижая энергопотребление электроэнергии .

Устройства для конкретных приложений, такие как радар с синтетической апертурой (SAR) и оптические корреляторы , были разработаны для использования принципов оптических вычислений. Корреляторы могут быть использованы, например, для обнаружения и отслеживания объектов, и классифицировать серийные оптические данные временной области.

Оптические компоненты для бинарного цифрового компьютера

Фундаментальный строительный блок современных электронных компьютеров является транзистор . Чтобы заменить электронные компоненты оптическими, эквивалентный оптический транзистор требуется . Это достигается с помощью кристаллической оптики (с использованием материалов с нелинейным показателем преломления ). В частности, существуют материалы где интенсивность входящего света влияет на интенсивность света, передаваемого через материал аналогичным образом текущего отклика биполярного транзистора. Такой оптический транзистор можно использовать для создания оптических логических ворот , компьютера который, в свою очередь, собирается в компоненты более высокого уровня центральной обработки (ЦП). Это будут нелинейные оптические кристаллы, используемые для манипулирования световыми лучами в управление другими световыми пучками.

Как и любая вычислительная система, оптической вычислительной системе нуждается в четырех вещах, чтобы хорошо функционировать:

1. Оптический процессор
2. Оптическая передача данных, например, волоконно-оптический кабель
3. Оптическое хранение ,
4. Оптический источник питания (источник света)

Замена электрических компонентов потребует преобразования формата данных с фотонов в электроны, что сделает систему медленнее.

Спор

Существуют некоторые разногласия между исследователями по поводу будущих возможностей оптических компьютеров; Могут ли они конкурировать с электронными компьютерами на основе полупроводников с точки зрения скорости, энергопотребления, стоимости и размера, является открытым вопросом. Критики отмечают, что Реальные логические системы требуют «восстановления, каскадальности, каскадации, разграбления и выхода на уровне логического уровня», и все они в настоящее время предоставляются электронными транзисторами при низкой стоимости, низкой мощности и высокой скорости. Чтобы оптическая логика была конкурентоспособной за пределами нескольких нишевых приложений, потребуются основные прорывы в технологии нелинейных оптических устройств, или, возможно, изменение характера самой вычисления.

Заблуждения, проблемы и перспективы

Значительной проблемой для оптических вычислений является то, что вычисление - это нелинейный процесс, в котором должны взаимодействовать несколько сигналов. Свет, который представляет собой электромагнитную волну , может взаимодействовать только с другой электромагнитной волной в присутствии электронов в материале, и сила этого взаимодействия намного слабее для электромагнитных волн, таких как свет, чем для электронных сигналов на обычном компьютере. Это может привести к обработке элементов для оптического компьютера, требующего большей мощности и больших размеров, чем для обычного электронного компьютера с использованием транзисторов.

Дальнейшее заблуждение заключается в том, что, поскольку свет может двигаться намного быстрее, чем скорость дрейфа электронов, а на частотах, измеренных в ТГц , оптические транзисторы должны быть способны на чрезвычайно высокие частоты. Тем не менее, любая электромагнитная волна должна подчиняться пределу преобразования , и, следовательно, скорость, с которой оптический транзистор может реагировать на сигнал, все еще ограничена его спектральной полосой пропускной способности . В волоконно-оптической коммуникации практические ограничения, такие как дисперсия, часто ограничивают каналы полосы пропускания десятков ГГц, лишь немного лучше, чем многие кремниевые транзисторы. Таким образом, получение значительно более быстрого работы, чем электронные транзисторы, потребуют практических методов передачи ультрашортных импульсов вниз по высоким дисперсионным волноводам.

Фотонная логика

Реализация фотонного контролируемого затвора для использования в квантовых вычислениях

Фотонная логика - это использование фотонов ( свет ) в логических воротах (не, и, или, nand, nor, xor, xnor). Переключение получается с использованием нелинейных оптических эффектов, когда объединяются два или более сигналов.

Резонаторы особенно полезны в фотонной логике, поскольку они позволяют наращивать энергию от конструктивных помех , что усиливает оптические нелинейные эффекты.

Другие подходы, которые были исследованы, включают фотонную логику на молекулярном уровне с использованием фотолюминесцентных химических веществ. В демонстрации Witlicki et al. выполняли логические операции с использованием молекул и SERS .

Нетрадиционные подходы

Время задержки оптических вычислений

Основная идея состоит в том, чтобы задержать свет (или любой другой сигнал), чтобы выполнить полезные вычисления. Заинтересованным в том, чтобы решить проблемы с NP-полным, так как это сложные проблемы для обычных компьютеров.

Есть два основных свойства света, которые фактически используются в этом подходе:

• Свет может быть задержан, передавая его через оптическое волокно определенной длины.
• Свет может быть разделен на несколько (суб) лучей. Это свойство также важно, потому что мы можем оценить несколько решений одновременно.

При решении проблемы с задержкой времени следует выполнять следующие шаги:

• Первый шаг-создать графическую структуру, изготовленную из оптических кабелей и сплиттеров. Каждый график имеет начальный узел и узл назначения.
• Свет проходит через начальный узел и проходит график, пока не достигнет места назначения. Он откладывается при прохождении через дуги и разделенные внутренние узлы.
• Свет помечен при прохождении через дугу или через узел, чтобы мы могли легко идентифицировать этот факт в узле назначения.
• В узле назначения мы будем ждать сигнала (колебания интенсивности сигнала), который во времени наступает в определенный момент (ы). Если в этот момент нет сигнала, это означает, что у нас нет решения для нашей проблемы. В противном случае проблема имеет решение. Колебания могут быть прочитаны с помощью фотоприемника и осциллографа .

Первой проблемой, атакованной таким образом, была проблема Гамильтониана .

Самый простой - задача подмножество . Оптическое устройство, разрешающее экземпляр с четырьмя числами { A1, A2, A3, A4 }, изображено ниже:

Свет входит в начальный узел. Он будет разделен на два (суб) лучи меньшей интенсивности. Эти два луча попадут во второй узел в моменты A1 и 0. Каждый из них будет разделен на два подкраты, которые Прибудет в третий узел в моменты 0, A1 , A2 и A1 + A2 . Они представляют все подмножества набора { A1, A2 }. Мы ожидаем колебаний интенсивности сигнала не более чем в четырех разных моментах. В узле назначения мы ожидаем колебаний не более 16 различных моментов (которые являются подмножествами данного). Если у нас есть колебания в целевом моменте B , это означает, что у нас есть решение проблемы, в противном случае нет подмножества, чья сумма элементов равна b . Для практической реализации мы не можем иметь кабели нулевой длины, поэтому все кабели увеличиваются с небольшим (фиксированным для всех) значения k '. В этом случае решение ожидается на момент B+N × K.

Встроенные фотонные тензорные ядра

С растущими требованиями в области технологий ускорителя на основе графической обработки, во втором десятилетии 21-го века, был уделяется огромное внимание использование интегрированной оптики для создания процессоров на основе фотоники. Появление обеих глубоких нейронных сетей на основе фазовой модуляции, и в последнее время амплитудная модуляция с использованием фотонных воспоминаний создали новую область фотонных технологий для нейроморфных вычислений, Приводя к новым фотонным вычислительным технологиям, все это на чипе, таком как Photonic Tensor Core.

Вычисления на основе длины волны

Вычисления на основе длины волны Может использоваться для решения 3-SAT- задачи с n переменными, M- положениями и не более трех переменных на предложение. Каждая длина волны, содержащаяся в световом луче, рассматривается как возможные повышения значений с n переменными. Оптическое устройство содержит призмы, а зеркала используются для различения правильных длин волн, которые удовлетворяют формуле.

Вычисление путем Xeroxing по прозрачным

В этом подходе используются фотокопические и прозрачные листы для выполнения вычислений. Проблема K-SAT с N- переменными, M- положениями и максимум K- переменными на предложение была решена в трех этапах:

• Во -первых, все 2 ^не Возможные назначения n переменных были сгенерированы путем выполнения N Photocopies.
• Используя не более 2 К. Копии таблицы истины, каждый пункт оценивается в каждом ряду таблицы истинности одновременно.
• Решение получают путем выполнения одной копии перекрываемой прозрачной прозраки всех M -положений.

Маскирующие оптические лучи

Проблема с продавцом была решена Shaked et al. (2007) с помощью оптического подхода. Все возможные пути TSP были сгенерированы и хранятся в бинарной матрице, которая была умножена на другой серой вектор, содержащий расстояния между городами. Умножение выполняется оптически с помощью оптического коррелятора.

Оптические соавторы Фурье

Многие вычисления, особенно в научных приложениях, требуют частого использования двухмерного дискретного преобразования Фурье (DFT), например, при решении дифференциальных уравнений, описывающих распространение волн или передачу тепла. Хотя современные технологии графических процессоров обычно позволяют высокоскоростному вычислению крупных 2D DFT, были разработаны методы, которые могут выполнять непрерывное преобразование Фурье, оптически, используя естественное трансформирующее свойство линз . Вход кодируется с использованием жидкокристаллического пространственного модулятора света , и результат измеряется с использованием обычного CMOS или датчика изображения CCD. Такие оптические архитектуры могут предлагать превосходное масштабирование вычислительной сложности из -за по своей сути взаимосвязанной природы оптического распространения и использовались для решения 2D -уравнений тепла.

Машины

Физические компьютеры, чей дизайн был вдохновлен теоретической моделью Ising, называются машинами Ising.

Йошихиса Ямамото Лаборатория в Стэнфордском пионере, созданных строительными машинами с использованием фотонов. Первоначально Ямамото и его коллеги построили машину Ising, используя лазеры, зеркала и другие оптические компоненты, обычно встречающиеся на оптической таблице .

Позже команда Hewlett Packard Labs разработала инструменты проектирования фотонных чипов и использовала их для создания машины Ising на одном чипе, интегрируя 1052 оптических компонента в этот единственный чип.

Промышленность

Некоторые дополнительные компании, связанные с разработкой оптических вычислений, включают IBM , Microsoft , Procyon Photonics, Lightelligence , Светло ​ Optalysys , Xanadu Сколько технологий , квантовых , Orca Computing , Psiquantum , Quandela и Tuntrasystems Global .

Смотрите также

• Линейные оптические квантовые вычисления
• Оптическое взаимосвязь
• Оптическая нейронная сеть
• Photonic Crystal § Приложения
• Фотонная интегрированная цепь
• Фотонная молекула
• Фотонный транзистор
• Программируемая фотоника
• Силиконовая фотоника
• Нетрадиционные вычисления

Дальнейшее чтение

• Feitelson, Dror G. (1988). Оптические вычисления: опрос для компьютерных ученых . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN  978-0-262-06112-4 .
• Маколай, Аластер Д. (1991). Оптические компьютерные архитектуры: применение оптических концепций к компьютерам следующего поколения . Нью -Йорк, Нью -Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-471-63242-9 .
• Ибрагим та; Amarnath K; Kuo Lc; Гровер Р; Ван V; Ho Pt (2004). «Фотонная логика, ни ворота, основанные на двух симметричных резонаторах микрокаринг». Выберите Lett . 29 (23): 2779–81. Bibcode : 2004optl ... 29.2779i . doi : 10.1364/ol.29.002779 . PMID   15605503 .
• Biancardo M; Bignozzi c; Дойл Х; Редмонд Г. (2005). «Потенциал и ионный переключенный молекулярные фотонные логические затворы». Химический Общение (31): 3918–20. doi : 10.1039/b507021j . PMID   16075071 .
• Jahns, J.; Lee, SH, Eds. (1993). Оптическое вычислительное оборудование: оптические вычисления . Elsevier Science. ISBN  978-1-4832-1844-1 .
• Баррос S; Гуань; Alukaidey T (1997). «Реконфигурируемая архитектура MPP с использованием оптических соединений свободного пространства и настройки Petri Net». Журнал системной архитектуры . 43 (6–7): 391–402. doi : 10.1016/s1383-7621 (96) 00053-7 .
• Д. Госвами , «Оптические вычисления», резонанс, июнь 2003 г.; Там же, июль 2003 г.. Веб-архив www.iisc.ernet.in/academy/resonance/july2003/july2003p8-21.html
• Главный Т; Feuerstein RJ; Джордан HF; ОБЪЕДИНЕНИЕ ВП; Fearhrer J; Love CE (1994). «Внедрение цифрового оптического компьютера с сохраненной программой в общем назначении». Прикладная оптика . 33 (8): 1619–28. Bibcode : 1994apt..33.1619m . doi : 10.1364/ao.33.001619 . PMID   20862187 . S2CID   25927679 .
• Гуан, Т.С.; Баррос, SPV (апрель 1994 г.). «Реконфигурируемая мульти-поведенческая архитектура с использованием оптической связи свободного пространства». Материалы Международного семинара IEEE по массовой параллельной обработке с использованием оптических взаимосвязей . IEEE. С. 293–305. doi : 10.1109/mppoi.1994.336615 . ISBN  978-0-8186-5832-7 Полем S2CID   61886442 .
• Гуан, Т.С.; Баррос, SPV (август 1994). «Параллельная коммуникация процессора через оптику свободного пространства». Tencon '94. Девятая ежегодная международная конференция IEEE 10. Тема: границы компьютерных технологий . Тол. 2. IEEE. С. 677–681. doi : 10.1109/tencon.1994.369219 . ISBN  978-0-7803-1862-5 Полем S2CID   61493433 .
• Guha A.; Рамнараян Р.; ДЕРСЕЙН М. (1987). «Архитектурные проблемы при разработке символических 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 Полем S2CID   14228669 .
• К.-Х. Бреннер, Алан Хуанг: «Логика и архитектура для цифровых оптических компьютеров (а)», J. Opt. Соц Am., A 3, 62, (1986)
• Бреннер, К.-Х. (1988). «Программируемый оптический процессор, основанный на символической замене». Приложение Опт . 27 (9): 1687–91. Bibcode : 1988Popt..27.1687b . doi : 10.1364/ao.27.001687 . PMID   20531637 . S2CID   43648075 .
• Streibl n.; Бреннер К.-Х.; Huang A.; Jahns J.; Jewell JL; Ломанн AW; Миллер Дейб; Murdocca MJ; Пристарь меня; Sizer II T. (1989). «Цифровая оптика». Прокурор IEEE . 77 (12): 1954–69. doi : 10.1109/5.48834 . S2CID   59276160 .
• Ученые НАСА, работающие над улучшением технологии оптических вычислительных наук , 2000
• Оптические решения для задач NP-полного
• Долев, с.; Haist, T.; Oltean, M. (2008). Оптическая суперкомпьютинг: первый международный семинар, OSC 2008, Вена, Австрия, 26 августа 2008 г., Труды . Спрингер. ISBN  978-3-540-85672-6 .
• Долев, с.; Oltean, M. (2009). Оптическая суперкомпьютинг: второй международный семинар, OSC 2009, Бертиноро, Италия, 18–20 ноября 2009 г., Труды . Спрингер. ISBN  978-3-642-10441-1 .
• Долев, с.; Oltean, M. (2011). Оптическая суперкомпьютинг: третий международный семинар, OSC 2010, Бертиноро, Италия, 17–19 ноября 2010 года, пересмотренные выбранные документы . Спрингер. ISBN  978-3-642-22493-5 .
• Долев, с.; Oltean, M. (2013). Оптическая суперкомпьютинг: 4 -й международный семинар, OSC 2012, в память о Х. Джоне Колфилде, Бертиноро, Италия, 19–21 июля 2012 года. Пересмотренные выбранные документы . Спрингер. ISBN  978-3-642-38250-5 .
• Вычислительные вычисления скорости выходят на шаг ближе к новому ученому
• Колфилд Х.; Долев С. (2010). «Почему будущая суперкомпьютинг требует оптики». Природа фотоника . 4 (5): 261–263. doi : 10.1038/nphoton.2010.94 .
• Cohen E.; Dolev S.; Розенблит М. (2016). «Всеоптическая конструкция для по своей природе, сертифицирующих энергию обратимых ворот и цепи» . Природная связь . 7 : 11424. Bibcode : 2016natco ... 711424c . doi : 10.1038/ncomms11424 . PMC   4853429 . PMID   27113510 .
• Карасик, Евгения Б. (2019). Оптическая вычислительная геометрия . ISBN  979-8511243344 .

Внешние ссылки

СМИ, связанные с оптическими вычислениями в Wikimedia Commons

• Этот лазерный трюк - квантовый скачок
• Potnics Startup Pegs Q2'06 Дата производства Архивирована 2007-05-16 на Archive.today
• Остановка света в квантовом скачке
• Оптические взаимодействия с высокой полосой пропускания