Цифровые оптические процессоры

Рис. 34. Макет цифрового оптического устройства фирмы Bell

В 1984 году Дженкинс из Университета Южной Калифорнии продемонстрировал первый цифровой оптический компьютер. Взаимодействие двух лучей осуществлялось элементом, состоящим из жидкого кристалла и фотопроводника. Электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, меняет прозрачность элемента. Быстродействие системы определяется инерционностью жидкого кристалла.

В 80-е годы прошлого века интенсивно работали над созданием полностью оптических компьютеров. Сердцем такого компьютера должен был стать оптический процессор, использующий элементы, в которых свет управляет светом, а логические операции осуществляются в процессе взаимодействия световых волн с веществом. Значительные усилия, направленные на создание оптического компьютера, привели к определенным успехам. Так, в 1990 г. в лабораториях американской фирмы "Белл" был создан макет цифрового оптического устройства (рис. 34).

С его помощью была продемонстрирована возможность выполнения цифровых и логических операций с высоким быстродействием. Основу процессора данного компьютера составляли двумерные матрицы бистабильных элементов (размерностью 4х8) на основе полупроводниковых структур, обладающих нелинейными электро-оптическим свойствами.

Рис. 35. Схема нелинейной оптической системы с обратной связью

Система называется бистабильной, если она имеет два устойчивых состояния. В таких системах контролируемым параметром является интенсивность света на входе в систему, а два устойчивых состояния соответствуют двум значениям интенсивности света на ее выходе. Бистабильная система должна быть нелинейной, так как нельзя получить два значения интенсивности света на выходе при простом умножении интенсивности света на входе на постоянное число (рис. 35). Для получения бистабильного режима необходимо в нелинейной системе осуществить обратную связь.

На нелинейную систему помимо излучения интенсивностью на вход подается часть отраженного от прозрачной пластинки выходного излучения , то есть система охвачена положительной обратной связью (). Таким образом, интенсивность излучения внутри системы .

Итак, в области значений интенсивности света на входе в нелинейную систему с положительной обратной связью возникает многозначность пропускания (бистабильный режим работы): пропускание принимает два устойчивых значения при одном и том же значении .

Совокупность таких элементов образовывала логические ячейки «или – не», «или – и» и т.д. Первый оптический компьютер располагался на оптической плите размером 1 х 1 м². Освещение элементов производилось полупроводниковым лазером через голографическую решетку.

Параметры системы были следующие: разрядность – 32 бита (массив 4х8); логика – бинарная; тактовая частота – 1,1 МГц (определялась быстродействием ЖК маски); число переключений в секунду – 40 Мб/c. Одним из достижений данного процессора была величина энергии на одно переключение, которае составляла 20 фДж и была на 6 порядков меньше величины энергии переключения в электронных компьютерах того времени.

Рис. 38. Оптический компьютер DOC-II

Второе поколение оптических цифровых компьютеров представлено компьютером DOC-II (digital optical computer), разработанного в научно-исследовательской фирме США Opticomp Corporation. В DOC-II использован принцип векторно-матричного умножения, однако вектор и матрица являются булевскими логическими.

В данном устройстве входной поток данных образовывался излучением линейки 64 полупроводниковых лазеров. Свет от каждого лазера линейки отображался на одну строчку матричного пространственного модулятора света с размером 64´128 элементов. Отдельный элемент матрицы представлял собой акусто-оптическую ячейку на основе полупроводника. Свет, выходящий из рядов пространственного модулятора, попадал на линейку из 128 фотоприемников. DOC-II имел 64´128 = 8192 межсоединений и работал на частоте передачи данных 100 Мб∙с^-1, что соответствует 0.8´10¹² переключений в секунду. Энергия на одно переключение составляет 7 фДж.

Для иллюстрации быстродействия представим, что нужно найти какое-то слово в тексте. Типичный современный персональный компьютер на поиск слова в документе Win Word состоящем из 1000 страниц текста тратит чуть больше трех секунд. В то время как оптический компьютер DOC-II просматривает за 1 секунду 80 000 страниц обычного текста.

В конце 90-х годов прошлого века велись работы по созданию интегрального модуля оптического компьютера с логической основой, названного HPOC (High Performance Optoelectronic Communication). В устройстве планировалось использовать входную матрицу лазеров, соединенную волноводами и обычной оптикой с матрицами переключения, на основе дифракционных оптических элементов, и выходную систему, состоящую из матрицы фотоприемников, совмещенной с матрицей вертикально-излучающих диодов. Опытные образцы показали производительность 4 Тб∙с^-1, а оценки показывают, что данная система способна развить скорость 10¹⁵ операций в секунду с энергией менее 1 фДж на одно переключение. Однако в связи с мировым кризисом фотоники и рынка волоконной оптики работы были прекращены. В настоящее время фирма Opticomp Corporation разработала новый интегральный оптический элемент, состоящий из матрицы лазеров и фотодетекторов, соединенных волноводом и планирует использовать данные устройства, как для обработки информации, так и для создания сверхбыстрых переключателей в волоконных линиях связи.

Дата добавления: 2014-01-06