Оптические вычисления

Оптические вычисления или фотонные вычисления используют световые волны, создаваемые лазерами или некогерентными источниками, для обработки , хранения данных или передачи данных для вычислений . На протяжении десятилетий фотоны обещали обеспечить более высокую пропускную способность, чем электроны, используемые в обычных компьютерах (см. оптические волокна ).

Большинство исследовательских проектов сосредоточено на замене существующих компьютерных компонентов оптическими эквивалентами, в результате чего создается оптическая цифровая компьютерная система, обрабатывающая двоичные данные . Этот подход, по-видимому, открывает наилучшие краткосрочные перспективы для коммерческих оптических вычислений, поскольку оптические компоненты могут быть интегрированы в традиционные компьютеры для создания оптико-электронного гибрида. Однако оптоэлектронные устройства потребляют 30% своей энергии, преобразуя электронную энергию в фотоны и обратно; это преобразование также замедляет передачу сообщений. Полностью оптические компьютеры устраняют необходимость в оптико-электро-оптических преобразованиях (OEO), тем самым снижая потребление электроэнергии .

Устройства для конкретных приложений, такие как радары с синтезированной апертурой (SAR) и оптические корреляторы , были разработаны с использованием принципов оптических вычислений. Корреляторы можно использовать, например, для обнаружения и отслеживания объектов. и классифицировать последовательные оптические данные во временной области.

Оптические компоненты двоичного цифрового компьютера

Фундаментальным строительным блоком современных электронных компьютеров является транзистор . Для замены электронных компонентов оптическими эквивалентный оптический транзистор необходим . Это достигается за счет кристаллооптики (с использованием материалов с нелинейным показателем преломления ). В частности, существуют материалы где интенсивность падающего света влияет на интенсивность света, проходящего через материал, аналогично токовой реакции биполярного транзистора. Такой оптический транзистор может использоваться для создания оптических логических вентилей , которые, в свою очередь, собираются в компоненты более высокого уровня центрального процессора (ЦП) компьютера. Это будут нелинейные оптические кристаллы, используемые для манипулирования световыми лучами и управления другими световыми лучами.

Как и любая вычислительная система, для хорошей работы оптической вычислительной системы необходимы четыре вещи:

1. оптический процессор
2. оптическая передача данных, например, оптоволоконный кабель
3. оптическое хранилище ,
4. источник оптической энергии (источник света)

Замена электрических компонентов потребует преобразования формата данных из фотонов в электроны, что замедлит работу системы.

Споры

Между исследователями существуют некоторые разногласия относительно будущих возможностей оптических компьютеров; Смогут ли они конкурировать с электронными компьютерами на полупроводниковой основе с точки зрения скорости, энергопотребления, стоимости и размера — вопрос открытый. Критики отмечают, что реальные логические системы требуют «восстановления логического уровня, каскадности, разветвления и изоляции ввода-вывода», и все это в настоящее время обеспечивается электронными транзисторами при низкой стоимости, малой мощности и высокой скорости. Чтобы оптическая логика была конкурентоспособной за пределами нескольких нишевых приложений, потребуются крупные прорывы в технологии нелинейных оптических устройств или, возможно, изменение самой природы вычислений.

Заблуждения, проблемы и перспективы

Серьезной проблемой для оптических вычислений является то, что вычисления — это нелинейный процесс, в котором должны взаимодействовать несколько сигналов. Свет, который представляет собой электромагнитную волну , может взаимодействовать с другой электромагнитной волной только при наличии электронов в материале. и сила этого взаимодействия гораздо слабее для электромагнитных волн, таких как свет, чем для электронных сигналов в обычном компьютере. Это может привести к тому, что элементы обработки для оптического компьютера потребуют большей мощности и больших размеров, чем элементы для обычного электронного компьютера, использующего транзисторы.

Еще одно заблуждение заключается в том, что, поскольку свет может двигаться намного быстрее, чем скорость дрейфа электронов, и на частотах, измеряемых в ТГц , оптические транзисторы должны быть способны работать на чрезвычайно высоких частотах. Однако любая электромагнитная волна должна подчиняться пределу преобразования , и поэтому скорость, с которой оптический транзистор может реагировать на сигнал, по-прежнему ограничена его спектральной полосой пропускания . В волоконно-оптической связи практические ограничения, такие как дисперсия, часто ограничивают полосу пропускания каналов до десятков ГГц, что лишь немного лучше, чем у многих кремниевых транзисторов. Поэтому для достижения значительно большей скорости работы по сравнению с электронными транзисторами потребуются практические методы передачи ультракоротких импульсов по волноводам с высокой дисперсией.

Фотонная логика

Реализация фотонного вентиля «управляемое НЕ» для использования в квантовых вычислениях

Фотонная логика — это использование фотонов ( света ) в логических элементах (НЕ, И, ИЛИ, НЕ-И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ). Переключение достигается с помощью нелинейных оптических эффектов при объединении двух и более сигналов.

Резонаторы особенно полезны в фотонной логике, поскольку они позволяют накапливать энергию за счет конструктивной интерференции , тем самым усиливая оптические нелинейные эффекты.

Другие исследованные подходы включают фотонную логику на молекулярном уровне с использованием фотолюминесцентных химикатов. В ходе демонстрации Витлицкий и др. выполнял логические операции с использованием молекул и SERS .

Нетрадиционные подходы

Оптические вычисления с временными задержками

Основная идея состоит в том, чтобы задержать свет (или любой другой сигнал) для выполнения полезных вычислений. Представляло бы интерес решение NP-полных задач , поскольку это сложные задачи для обычных компьютеров.

В этом подходе фактически используются два основных свойства света:

• Свет можно задержать, пропустив его через оптическое волокно определенной длины.
• Свет можно разделить на несколько (под)лучей. Это свойство также важно, потому что мы можем оценивать несколько решений одновременно.

При решении проблемы с задержками необходимо выполнить следующие действия:

• Первым шагом является создание графообразной структуры из оптических кабелей и разветвителей. Каждый граф имеет начальный узел и узел назначения.
• Свет проходит через начальный узел и пересекает граф, пока не достигнет пункта назначения. Оно задерживается при прохождении дуг и разделяется внутри узлов.
• Свет маркируется при прохождении через дугу или узел, чтобы мы могли легко идентифицировать этот факт в узле назначения.
• В узле назначения мы будем ждать сигнала (колебания интенсивности сигнала), который поступает в определенный момент(ы) времени. Если в этот момент сигнала не поступает, значит, у нас нет решения нашей проблемы. В противном случае проблема имеет решение. Колебания можно считывать с помощью фотодетектора и осциллографа .

Первой проблемой, решаемой таким образом, была проблема гамильтонова пути .

Самая простая из них — задача о сумме подмножеств . Оптическое устройство, решающее пример с четырьмя числами { a1, a2, a3, a4 }, изображено ниже:

Свет войдет в стартовый узел. Он разделится на два (под)луча меньшей интенсивности. Эти два луча придут во второй узел в моменты a1 и 0. Каждый из них будет разделен на два подлуча, которыеприбудет 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 четыре различных момента времени. В узле назначения мы ожидаем колебаний не более чем в 16 различных моментах (которые являются подмножествами заданных). Если у нас есть колебание целевого момента B , это означает, что у нас есть решение задачи, иначе не существует подмножества, сумма элементов которого B. равна Для практической реализации мы не можем иметь кабели нулевой длины, поэтому все кабели увеличиваются на небольшое (фиксированное для всех) значение k'. В этом случае решение ожидается в момент B+n×k .

Встроенные фотонные тензорные ядра

С ростом требований к ускорительным технологиям на основе графических процессоров во втором десятилетии XXI века огромное внимание уделялось использованию встроенной интегрированной оптики для создания процессоров на основе фотоники. Появление как нейронных сетей глубокого обучения, основанных на фазовой модуляции, так и и совсем недавно амплитудная модуляция с использованием фотонной памяти. создали новую область фотонных технологий для нейроморфных вычислений, что приведет к появлению новых фотонных вычислительных технологий, все на одном чипе, таком как ядро ​​фотонного тензора.

Вычисления на основе длины волны

Вычисления на основе длины волны может использоваться для решения задачи 3-SAT с n переменными, m предложениями и не более чем с тремя переменными в каждом предложении. Каждая длина волны, содержащаяся в луче света, рассматривается как возможное присвоение значения n переменным. Оптическое устройство содержит призмы, а зеркала используются для распознавания правильных длин волн, удовлетворяющих формуле.

Вычисления путем ксерокопирования на прозрачных пленках

Этот подход использует копировальный аппарат и прозрачные листы для выполнения вычислений. Задача k-SAT с n переменными, m предложениями и не более k переменными на предложение была решена в три этапа:

• Сначала все 2 ^н возможные назначения n переменных были созданы путем выполнения n фотокопий.
• Используя не более 2 тыс. копий таблицы истинности, каждое предложение оценивается в каждой строке таблицы истинности одновременно.
• Решение получается путем выполнения одной операции копирования перекрывающихся прозрачностей всех m предложений.

Маскирование оптических лучей

Задача коммивояжера была решена Шакедом и др. (2007) с помощью оптического подхода. Все возможные пути TSP были сгенерированы и сохранены в двоичной матрице, которая была умножена на другой вектор в оттенках серого, содержащий расстояния между городами. Умножение выполняется оптически с помощью оптического коррелятора.

Оптические сопроцессоры Фурье

Многие вычисления, особенно в научных приложениях, требуют частого использования двумерного дискретного преобразования Фурье (ДПФ) – например, при решении дифференциальных уравнений, описывающих распространение волн или перенос тепла. Хотя современные технологии графических процессоров обычно обеспечивают высокоскоростное вычисление больших двумерных ДПФ, были разработаны методы, которые могут выполнять непрерывное преобразование Фурье оптически, используя естественное свойство линз по преобразованию Фурье . Входной сигнал кодируется с помощью жидкокристаллического пространственного модулятора света , а результат измеряется с помощью обычного датчика изображения CMOS или CCD. Такие оптические архитектуры могут обеспечить превосходное масштабирование вычислительной сложности из-за по своей сути сильно взаимосвязанной природы оптического распространения и используются для решения двумерных уравнений теплопроводности.

Машины Изинга

Физические компьютеры, конструкция которых была вдохновлена ​​теоретической моделью Изинга, называются машинами Изинга.

Ёсихиса Ямамото Лаборатория в Стэнфорде стала пионером в создании машин Изинга с использованием фотонов. Первоначально Ямамото и его коллеги построили машину Изинга, используя лазеры, зеркала и другие оптические компоненты, которые обычно можно найти на оптическом столе .

Позже команда Hewlett Packard Labs разработала инструменты проектирования фотонных чипов и использовала их для создания машины Изинга на одном чипе, объединив 1052 оптических компонента в этом одном чипе.

Промышленность

Некоторые дополнительные компании, занимающиеся разработкой оптических вычислений, включают IBM , Майкрософт , Процион Фотоника, Световая разведка , Световая материя , Опталисис , Xanadu Quantum Technologies , QuiX Quantum , ORCA Computing , PsiQuantum , Quandela и TundraSystems Global .

См. также

• Линейные оптические квантовые вычисления
• Оптическое соединение
• Оптическая нейронная сеть
• Фотонный кристалл § Приложения
• Фотонная интегральная схема
• Фотонная молекула
• Фотонный транзистор
• Программируемая фотоника
• Кремниевая фотоника
• Нетрадиционные вычисления

Дальнейшее чтение

• Фейтельсон, Дрор Г. (1988). Оптические вычисления: опрос для ученых-компьютерщиков . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN  978-0-262-06112-4 .
• Маколей, Аластер Д. (1991). Оптические компьютерные архитектуры: применение оптических концепций к компьютерам следующего поколения . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-471-63242-9 .
• Ибрагим Т.А.; Амарнатх К; Куо Л.К.; Гровер Р; Ван В; Хо ПТ (2004). «Фотонно-логический вентиль ИЛИ-НЕ на основе двух симметричных микрокольцевых резонаторов». Опт Летт . 29 (23): 2779–81. Бибкод : 2004OptL...29.2779I . дои : 10.1364/OL.29.002779 . ПМИД   15605503 .
• Бьянкардо М; Биньоцци С; Дойл Х; Редмонд Дж. (2005). «Молекулярный фотонный логический вентиль с потенциалом и ионным переключением». хим. Коммун. (31): 3918–20. дои : 10.1039/B507021J . ПМИД   16075071 .
• Янс, Дж.; Ли, С.Х., ред. (1993). Аппаратное обеспечение оптических вычислений: Оптические вычисления . Эльзевир Наука. ISBN  978-1-4832-1844-1 .
• Баррос С; Гуань С; Алукаидей Т (1997). «Реконфигурируемая архитектура MPP с использованием оптических межсоединений в свободном пространстве и конфигурации сети Петри». Журнал системной архитектуры . 43 (6–7): 391–402. дои : 10.1016/S1383-7621(96)00053-7 .
• Д. Госвами , «Оптические вычисления», Resonance, июнь 2003 г.; Там же, июль 2003 г. Веб-архив www.iisc.ernet.in/academy/resonance/July2003/July2003p8-21.html.
• Главный Т; Фейерштейн Р.Дж.; Джордан ХФ; Хеуринг, вице-президент; Ферер Дж; Любовь CE (1994). «Реализация цифрового оптического компьютера общего назначения с хранимой программой». Прикладная оптика . 33 (8): 1619–28. Бибкод : 1994ApOpt..33.1619M . дои : 10.1364/AO.33.001619 . ПМИД   20862187 . S2CID   25927679 .
• Гуань, ТС; Баррос, SPV (апрель 1994 г.). «Реконфигурируемая многоповеденческая архитектура с использованием оптической связи в свободном пространстве». Труды международного семинара IEEE по массово-параллельной обработке с использованием оптических соединений . IEEE. стр. 293–305. дои : 10.1109/MPPOI.1994.336615 . ISBN  978-0-8186-5832-7 . S2CID   61886442 .
• Гуань, ТС; Баррос, SPV (август 1994 г.). «Параллельная связь процессоров через оптику свободного пространства». ТЕНКОН '94. Девятая ежегодная международная конференция IEEE Region 10. Тема: «Границы компьютерных технологий» . Том. 2. ИИЭР. стр. 677–681. дои : 10.1109/TENCON.1994.369219 . ISBN  978-0-7803-1862-5 . S2CID   61493433 .
• Гуха А.; Рамнараян Р.; Дерстин М. (1987). «Архитектурные проблемы проектирования символьных процессоров в оптике». Материалы 14-го ежегодного международного симпозиума по компьютерной архитектуре (ISCA '87) . АКМ. стр. 145–151. дои : 10.1145/30350.30367 . ISBN  978-0-8186-0776-9 . S2CID   14228669 .
• К.-Х. Бреннер, Алан Хуанг: «Логика и архитектура цифровых оптических компьютеров (A)», J. Opt. Соц. Ам., А 3, 62, (1986)
• Бреннер, К.-Х. (1988). «Программируемый оптический процессор на основе символьной замены». Прил. Опц . 27 (9): 1687–91. Бибкод : 1988ApOpt..27.1687B . дои : 10.1364/AO.27.001687 . ПМИД   20531637 . S2CID   43648075 .
• Штрайбль Н.; Бреннер К.-Х.; Хуан А.; Янс Дж.; Джуэлл Дж.Л.; Ломанн А.В.; Миллер ДАБ; Мурдокка М.Дж.; Приз МЕ; Сайзер II Т. (1989). «Цифровая оптика». Учеб. ИИЭЭ . 77 (12): 1954–69. дои : 10.1109/5.48834 . S2CID   59276160 .
• Ученые НАСА работают над улучшением технологии оптических вычислений , 2000 г.
• Оптические решения NP-полных задач
• Долев, С.; Хайст, Т.; Олтеан, М. (2008). Оптические суперкомпьютеры: Первый международный семинар, OSC 2008, Вена, Австрия, 26 августа 2008 г., Материалы . Спрингер. ISBN  978-3-540-85672-6 .
• Долев, С.; Олтеан, М. (2009). Оптические суперкомпьютеры: Второй международный семинар, OSC 2009, Бертиноро, Италия, 18–20 ноября 2009 г., Материалы . Спрингер. ISBN  978-3-642-10441-1 .
• Долев, С.; Олтеан, М. (2011). Оптические суперкомпьютеры: Третий международный семинар, OSC 2010, Бертиноро, Италия, 17–19 ноября 2010 г., Пересмотренные избранные статьи . Спрингер. ISBN  978-3-642-22493-5 .
• Долев, С.; Олтеан, М. (2013). Оптические суперкомпьютеры: 4-й международный семинар, OSC 2012, памяти Х. Джона Колфилда, Бертиноро, Италия, 19–21 июля 2012 г. Пересмотренные избранные статьи . Спрингер. ISBN  978-3-642-38250-5 .
• Вычисления со скоростью света стали на шаг ближе New Scientist
• Колфилд Х.; Долев С. (2010). «Почему будущим суперкомпьютерам нужна оптика». Природная фотоника . 4 (5): 261–263. дои : 10.1038/nphoton.2010.94 .
• Коэн Э.; Долев С.; Розенблит М. (2016). «Полностью оптическая конструкция для энергосберегающих обратимых вентилей и схем» . Природные коммуникации . 7 : 11424. Бибкод : 2016NatCo...711424C . дои : 10.1038/ncomms11424 . ПМЦ   4853429 . ПМИД   27113510 .
• Карасик, Евгений Б. (2019). Оптическая вычислительная геометрия . ISBN  979-8511243344 .

Внешние ссылки

СМИ, связанные с оптическими вычислениями, на Викискладе?

• Этот лазерный трюк — квантовый скачок
• Привязка стартапа Photonics во втором квартале 2006 г. Дата производства. Архивировано 16 мая 2007 г. на archive.today.
• Остановка света в квантовом скачке
• Оптические межсоединения с высокой пропускной способностью