Optické počítače - Optical computing
Optické počítače nebo fotonické počítače používají k výpočtu fotony vyrobené pomocí laserů nebo diod . Fotony po celá desetiletí slibují umožnit větší šířku pásma než elektrony používané v konvenčních počítačích (viz optická vlákna ).
Většina výzkumných projektů se zaměřuje na nahrazení současných počítačových komponent optickými ekvivalenty, což má za následek, že optický digitální počítačový systém zpracovává binární data . Zdá se, že tento přístup nabízí nejlepší krátkodobé vyhlídky pro komerční optické počítače, protože optické komponenty by mohly být integrovány do tradičních počítačů za účelem vytvoření opticko-elektronického hybridu. Nicméně, optoelektronické zařízení spotřebuje 30% jejich přeměny energie elektronickou energii fotonů a zad; tato konverze také zpomaluje přenos zpráv. Celooptické počítače eliminují potřebu opticko-elektricko-optických (OEO) převodů, čímž snižují spotřebu elektrické energie.
Zařízení specifická pro aplikaci, jako je radar se syntetickou aperturou (SAR) a optické korelátory , byla navržena tak, aby používala principy optických počítačů. Korelátory lze použít například k detekci a sledování objektů a ke klasifikaci sériových optických dat v časové oblasti.
Optické komponenty pro binární digitální počítač
Základním stavebním kamenem moderních elektronických počítačů je tranzistor . K výměně elektronických součástek za optické je nutný ekvivalentní optický tranzistor . Toho je dosaženo použitím materiálů s nelineárním indexem lomu . Materiály existují zejména tam, kde intenzita přicházejícího světla ovlivňuje intenzitu světla procházejícího materiálem podobným způsobem jako aktuální odezva bipolárního tranzistoru. Takový optický tranzistor lze použít k vytvoření optických logických bran , které jsou zase sestaveny do komponent vyšší úrovně centrální procesorové jednotky (CPU) počítače. Půjde o nelineární optické krystaly používané k manipulaci světelných paprsků do ovládání dalších světelných paprsků.
Jako každý výpočetní systém, optický výpočetní systém potřebuje ke správnému fungování tři věci:
- optický procesor
- optický přenos dat, např. kabel z optických vláken
- optické úložiště ,
Náhrada elektrických součástek bude vyžadovat převod formátu dat z fotonů na elektrony, což zpomalí systém.
Kontroverze
Mezi výzkumníky panují určité neshody ohledně budoucích schopností optických počítačů; zda mohou nebo nemohou konkurovat elektronickým počítačům na bázi polovodičů, pokud jde o rychlost, spotřebu energie, náklady a velikost, je otevřenou otázkou. Kritici poznamenávají, že logické systémy v reálném světě vyžadují „obnovu logické úrovně, kaskádovatelnost, fan-out a izolaci vstupů a výstupů“, které jsou v současné době poskytovány elektronickými tranzistory za nízkou cenu, nízký výkon a vysokou rychlost. Aby byla optická logika konkurenceschopná nad rámec několika specializovaných aplikací, byly by nutné zásadní průlomy v technologii nelineárních optických zařízení, nebo možná změna v povaze samotného výpočtu.
Mylné představy, výzvy a vyhlídky
Významnou výzvou pro optické výpočty je, že výpočet je nelineární proces, ve kterém musí interagovat více signálů. Světlo, což je elektromagnetická vlna , může interagovat s jinou elektromagnetickou vlnou pouze za přítomnosti elektronů v materiálu a síla této interakce je mnohem slabší u elektromagnetických vln, jako je světlo, než u elektronických signálů v konvenčním počítači . To může mít za následek, že procesní prvky pro optický počítač vyžadují větší výkon a větší rozměry než pro konvenční elektronický počítač využívající tranzistory.
Další mylná představa je, že jelikož světlo může cestovat mnohem rychleji, než je rychlost driftu elektronů, a při frekvencích měřených v THz by optické tranzistory měly být schopné extrémně vysokých frekvencí. Jakákoli elektromagnetická vlna se však musí řídit mezí transformace , a proto je rychlost, kterou může optický tranzistor reagovat na signál, stále omezena jeho spektrální šířkou pásma . V komunikacích z optických vláken však praktické limity, jako je rozptyl, často omezují kanály na šířky pásma 10 s GHz, což je jen o málo lepší než mnoho křemíkových tranzistorů. Získání dramaticky rychlejšího provozu než elektronických tranzistorů by proto vyžadovalo praktické metody přenosu ultrakrátkých impulzů dolů vysoce disperzními vlnovody.
Fotonická logika
Fotonická logika je použití fotonů ( světla ) v logických branách (NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR). Přepínání se dosahuje pomocí nelineárních optických efektů, když jsou kombinovány dva nebo více signálů.
Rezonátory jsou zvláště užitečné ve fotonické logice, protože umožňují nahromadění energie z konstruktivní interference , což zvyšuje optické nelineární efekty.
Další přístupy, které byly zkoumány, zahrnují fotonickou logiku na molekulární úrovni s využitím fotoluminiscenčních chemikálií. V ukázce Witlicki a kol. prováděl logické operace pomocí molekul a SERS .
Netradiční přístupy
Čas zpožďuje optické výpočty
Základní myšlenkou je zpoždění světla (nebo jiného signálu), aby bylo možné provádět užitečné výpočty. Zajímavé by bylo vyřešit NP-úplné problémy, protože to jsou obtížné problémy pro konvenční počítače.
Ve skutečnosti se v tomto přístupu používají 2 základní vlastnosti světla:
- Světlo lze zpozdit průchodem optickým vláknem určité délky.
- Světlo lze rozdělit na více (pod) paprsků. Tato vlastnost je také zásadní, protože můžeme vyhodnotit více řešení současně.
Při řešení problému s časovými prodlevami je třeba dodržovat následující kroky:
- Prvním krokem je vytvoření struktury podobné grafu z optických kabelů a rozbočovačů. Každý graf má počáteční uzel a cílový uzel.
- Světlo vstupuje přes počáteční uzel a prochází grafem, dokud nedosáhne cíle. Má zpoždění při průchodu oblouky a rozdělení uvnitř uzlů.
- Světlo je označeno při průchodu obloukem nebo uzlem, abychom tuto skutečnost snadno identifikovali v cílovém uzlu.
- V cílovém uzlu budeme čekat na signál (kolísání intenzity signálu), který dorazí v určitém okamžiku v určitém čase. Pokud v tu chvíli nepřijde žádný signál, znamená to, že pro náš problém nemáme řešení. Jinak má problém řešení. Výkyvy lze odečíst pomocí fotodetektoru a osciloskopu .
První takto napadený problém byl problém s hamiltonovskou cestou .
Nejjednodušší je problém součtu podmnožiny . Optické zařízení řešící instanci se 4 čísly {a1, a2, a3, a4} je znázorněno níže:
Světlo vstoupí do uzlu Start. Bude rozdělena na 2 (pod) paprsky menší intenzity. Tyto 2 paprsky dorazí do druhého uzlu ve chvílích a1 a 0. Každý z nich bude rozdělen do 2 dílčích vrstev, které dorazí do 3. uzlu v okamžicích 0, a1, a2 a a1 + a2. Ty představují všechny podmnožiny sady {a1, a2}. Kolísání intenzity signálu očekáváme maximálně ve 4 různých momentech. V cílovém uzlu očekáváme kolísání v maximálně 16 různých momentech (což jsou všechny podmnožiny daného). Pokud máme v cílovém momentu B fluktuaci, znamená to, že máme řešení problému, jinak neexistuje podmnožina, jejíž součet prvků se rovná B. Pro praktickou implementaci nemůžeme mít kabely s nulovou délkou, tedy všechny kabely jsou zvýšena s malou (pevnou pro všechny) hodnotou k. V tomto případě se řešení očekává v okamžiku B+n*k.
Výpočet na vlnové délce
K řešení problému 3-SAT s n proměnnými, m klauzulemi a maximálně 3 proměnnými na klauzuli lze použít výpočet založený na vlnové délce. Každá vlnová délka obsažená ve světelném paprsku je považována za možné přiřazení hodnot n proměnným. Optické zařízení obsahuje hranoly a zrcadla se používají k rozlišení vhodných vlnových délek, které splňují vzorec.
Výpočet xeroxováním na fóliích
Tento přístup používá k provádění výpočtů stroj Xerox a průhledné listy. k-SAT problém s n proměnnými, m klauzulemi a nejvýše k proměnnými na klauzuli byl vyřešen ve 3 krocích:
- Nejprve bylo vygenerováno n 2 x n možných přiřazení n proměnných provedením n kopií xeroxu.
- Pomocí maximálně 2k kopií pravdivostní tabulky je každá klauzule vyhodnocena současně v každém řádku pravdivostní tabulky.
- Řešení se získá provedením jediné kopie překrývajících se fólií všech m klauzulí.
Maskování optických paprsků
Problém cestujícího prodavače vyřešil Shaked et al (2007) pomocí optického přístupu. Všechny možné cesty TSP byly generovány a uloženy v binární matici, která byla vynásobena dalším vektorem šedé stupnice obsahující vzdálenosti mezi městy. Násobení se provádí opticky pomocí optického korelátoru.
Optické Fourierovy koprocesory
Mnoho výpočtů, zejména ve vědeckých aplikacích, vyžaduje časté používání 2D diskrétní Fourierovy transformace (DFT) - například při řešení diferenciálních rovnic popisujících šíření vln nebo přenos tepla. Ačkoli moderní technologie GPU obvykle umožňují vysokorychlostní výpočet velkých 2D DFT, byly vyvinuty techniky, které mohou provádět spojitou Fourierovu transformaci opticky využitím přirozené Fourierovy transformační vlastnosti čoček . Vstup je kódován pomocí modulátoru prostorového světla z tekutých krystalů a výsledek je měřen pomocí konvenčního obrazového snímače CMOS nebo CCD. Takové optické architektury mohou nabídnout vynikající škálování výpočetní složitosti díky inherentně vysoce propojené povaze optického šíření a byly použity k řešení 2D tepelných rovnic.
Ising stroje
Fyzické počítače, jejichž design byl inspirován teoretickým Isingovým modelem, se nazývají Isingovy stroje.
Laboratoř Yoshihisa Yamamota ve Stanfordu byla průkopníkem stavby strojů Ising využívajících fotony. Zpočátku Yamamoto a jeho kolegové postavili stroj Ising pomocí laserů, zrcadel a dalších optických komponent, které se běžně nacházejí na optickém stole .
Později tým ve společnosti Hewlett Packard Labs vyvinul nástroje pro návrh fotonických čipů a použil je ke stavbě stroje Ising na jediném čipu, který integroval 1052 optických komponent do tohoto jediného čipu.
Viz také
- Lineární optické kvantové výpočty
- Optické propojení
- Optická neurální síť
- Fotonický krystal § Aplikace
- Fotonický integrovaný obvod
- Fotonická molekula
- Fotonický tranzistor
- Křemíková fotonika
Reference
Další čtení
- Feitelson, Dror G. (1988). Optické počítače: Průzkum pro počítačové vědce . Cambridge, Massachusetts: MIT Press. ISBN 978-0-262-06112-4.
- McAulay, Alastair D. (1991). Optické počítačové architektury: Aplikace optických konceptů na počítače příští generace . New York, NY: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-63242-9.
- Ibrahim TA; Amarnath K; Kuo LC; Grover R; Van V; Ho PT (2004). „Fotonická logika NOR brána založená na dvou symetrických mikroringových rezonátorech“. Volba Lett . 29 (23): 2779–81. Bibcode : 2004OptL ... 29.2779I . doi : 10,1364/OL.29.002779 . PMID 15605503 .
- Biancardo M; Bignozzi C; Doyle H; Redmond G (2005). „Potenciální a iontově přepínaná molekulárně fotonická logická brána“. Chem. Komun. (31): 3918–20. doi : 10,1039/B507021J . PMID 16075071 .
- Jahns, J .; Lee, SH, eds. (1993). Hardware pro optické počítače: Optické počítače . Elsevierova věda. ISBN 978-1-4832-1844-1.
- Barros S; Guan S; Alukaidey T (1997). „Rekonfigurovatelná architektura MPP využívající optická propojení volného prostoru a konfiguraci Petriho sítě“. Journal of System Architecture . 43 (6–7): 391–402. doi : 10,1016/S1383-7621 (96) 00053-7 .
- D. Goswami , „Optical Computing“, Resonance, červen 2003; tamtéž, červenec 2003. Webový archiv www.iisc.ernet.in/academy/resonance/July2003/July2003p8-21.html
- Hlavní T; Feuerstein RJ; Jordan HF; Heuring VP; Feehrer J; Láska CE (1994). „Implementace digitálního optického počítače s univerzálním uloženým programem“. Aplikovaná optika . 33 (8): 1619–28. Bibcode : 1994ApOpt..33.1619M . doi : 10,1364/AO.33.001619 . PMID 20862187 .
- Guan, TS; Barros, SPV (duben 1994). „Rekonfigurovatelná více behaviorální architektura využívající optickou komunikaci ve volném prostoru“. Sborník z mezinárodního workshopu IEEE o masivně paralelním zpracování pomocí optických propojení . IEEE. s. 293–305. doi : 10,1109/MPPOI.1994.336615 . ISBN 978-0-8186-5832-7. S2CID 61886442 .
- Guan, TS; Barros, SPV (srpen 1994). „Paralelní komunikace procesoru prostřednictvím optiky volného prostoru“. TENCON '94. Devátá výroční mezinárodní konference IEEE Region 10. Téma: Hranice výpočetní techniky . 2 . IEEE. s. 677–681. doi : 10.1109/TENCON.1994.369219 . ISBN 978-0-7803-1862-5. S2CID 61493433 .
- Guha A .; Ramnarayan R .; Derstine M. (1987). „Architektonické problémy při navrhování symbolických procesorů v optice“. Sborník ze 14. ročníku mezinárodního sympozia o počítačové architektuře (ISCA '87) . ACM. s. 145–151. doi : 10,1145/30350,30367 . ISBN 978-0-8186-0776-9. S2CID 14228669 .
- K.-H. Brenner, Alan Huang: „Logika a architektury pro digitální optické počítače (A)“, J. Opt. Soc. Am., A 3, 62, (1986)
- Brenner, K.-H. (1988). „Programovatelný optický procesor založený na symbolické substituci“. Appl. Opt . 27 (9): 1687–91. Bibcode : 1988ApOpt..27.1687B . doi : 10,1364/AO.27.001687 . PMID 20531637 .
- Streibl N .; Brenner K.-H .; Huang A .; Jahns J .; Jewell JL; Lohmann AW; Miller DAB; Murdocca MJ; Cena ME; Sizer II T. (1989). „Digitální optika“. Proč. IEEE . 77 (12): 1954–69. doi : 10,1109/5,48834 .
- Vědci z NASA pracující na vylepšení technologie optických počítačů , 2000
- Optická řešení pro NP-úplné problémy
- Dolev, S .; Haist, T .; Oltean, M. (2008). Optical SuperComputing: First International Workshop, OSC 2008, Vienna, Austria, 26. srpna 2008, Proceedings . Springer. ISBN 978-3-540-85672-6.
- Dolev, S .; Oltean, M. (2009). Optické superpočítače: Druhý mezinárodní workshop, OSC 2009, Bertinoro, Itálie, 18. – 20. Listopadu 2009, sborník . Springer. ISBN 978-3-642-10441-1.
- Dolev, S .; Oltean, M. (2011). Optické superpočítače: Třetí mezinárodní workshop, OSC 2010, Bertinoro, Itálie, 17. – 19. Listopadu 2010, revidované vybrané příspěvky . Springer. ISBN 978-3-642-22493-5.
- Dolev, S .; Oltean, M. (2013). Optické superpočítače: 4. mezinárodní workshop, OSC 2012, na památku H. Johna Caulfielda, Bertinoro, Itálie, 19. – 21. Července 2012. Revidované vybrané příspěvky . Springer. ISBN 978-3-642-38250-5.
- Výpočet rychlosti světla je o krok blíže New Scientist
- Caulfield H .; Dolev S. (2010). „Proč budoucí superpočítač vyžaduje optiku“. Přírodní fotonika . 4 (5): 261–263. doi : 10,1038/nphoton.2010.94 .
- Cohen E .; Dolev S .; Rosenblit M. (2016). „Celooptický design pro energeticky úsporné vratné brány a obvody“ . Komunikace přírody . 7 : 11424. Bibcode : 2016NatCo ... 711424C . doi : 10,1038/ncomms11424 . PMC 4853429 . PMID 27113510 .
- Karasik, Jevgenij B. (2019). Optická výpočetní geometrie . ISBN 979-8511243344.