Светит ли нам оптический компьютер?

В обычном плоском зеркале наше изображение оказывается перевернутым справа налево...
Почему зеркало не переворачивает еще все вверх ногами?
Ричард Фейнман. "Задачи и упражнения"

Говоря компьютер, мы все еще подразумеваем электронно-вычислительную машину, хотя аббревиатуру ЭВМ встречаем в литературе все реже и реже. Почти полвека понадобилось, чтобы преодолеть дистанцию от первой вакуумной электронной лампы (Нобелевская премия 1928 г., О. У. Ричардсон, Кембридж) до первого транзистора (Нобелевская премия 1956 г., Д. Бардин, У. Браттейн, У. Б. Шокли, "Белл телефон лабораториз"), и почти столько же, чтобы практически полностью вытеснить из жизни людей компьютеры механические. В гордом одиночестве компьютерная электроника прошла славный путь от простейших логических элементов на дискретных компонентах (RTL-, DTL-логика) до сверхбольших интегральных схем и ЭВМ на одном чипе.

У света своя история. Идея его использования в принципиальных узлах вычислительных машин привлекала умы инженеров и ученых в течение всего XX века. Однако лишь с появлением лазеров - оптических квантовых генераторов (Нобелевская премия 1964 г., А. М. Прохоров, Н. Г. Басов, Ч. Таунс) - разработки и исследования в этой области приобрели доселе невиданный размах. Этому способствовал и ряд блестящих достижений в области Фурье-оптики (Нобелевская премия 1953 г., Ф. Цернике), голографии (Нобелевская премия 1971 г., Д. Габор), нелинейной оптики. Простейшие оценки показывали возможность создания компьютеров, производительность которых на много порядков превышала бы возможности ЭВМ. Так возникла большая оптическая компьютерная мечта, прошедшая за треть века путь, полный взлетов и разочарований. По дороге была незаметно утеряна чистота идеологии - идея создания полностью оптического компьютера, и ныне основой практически всех реально действующих оптических компьютеров является оптоэлектроника (гибрид оптических и электронных технологий).

Время не стоит на месте. На горизонте появились нанотехнологии, способные обеспечить трехмерную сборку вычислительных элементов на атомно-молекулярном уровне, родилось третье действующее лицо оптической драмы - квантовый компьютер. В этом направлении имеется солидный научный задел, в том числе подтвержденный Нобелевскими премиями последнего десятилетия. По-видимому, в обозримом будущем нас ожидает постепенный переход на многоукладную фотон-электрон-атомную (кластерную) элементную базу.

Преимущества оптических технологий

Фотоны, являющиеся основными носителями информации в оптическом компьютере, по своим физическим характеристикам принципиально отличаются от собратьев по цеху - электронов. Фотоны представляют собою частицы с нулевой массой покоя и нулевым электрическим зарядом. Вследствие чего и появляются многочисленные преимущества использования света для задач передачи и обработки информации: возможность параллельной передачи и обработки изображений одним световым пучком, возможность использования прозрачных сред для хранения, обработки и коммутации информации, возможность использования поляризации, возможность одновременной, параллельной работы с различными длинами волн и, наконец, возможность работы на очень высокой опорной частоте излучения (порядка 1000 ТГц).

Обработка информации в оптическом компьютере может осуществляться как в процессе переноса изображения (представляющего собой специальным образом подготовленный входной сигнал) через оптическую систему, реализующую вычислительную среду, так и путем осуществления переключений в так называемом оптическом транзисторе [1]. Можно легко показать, что при линейных размерах изображения 1 см, разрешении 3 мкм и длине оптической системы порядка 30 см (давно доступные оптикам технологические нормы) мы можем получить пиковую производительность порядка 10¹⁶ элементарных операций в секунду!

Коммутация информационных каналов в оптическом компьютере осуществляется с большой скоростью и отличается простотой реализации за счет того, что лучи света в пустом пространстве распространяются, не взаимодействуя друг с другом. По сравнению с обычной электроникой выигрыш очень быстро растет с ростом числа коммутируемых каналов. Использование третьего измерения для ввода/вывода информации в оптоэлектронных чипах создает дополнительные возможности, которым у электронных соединений нет никаких аналогов.

Еще одно уникальное свойство оптических систем: в прозрачной среде информация, закодированная оптическим лучом, может обрабатываться без затрат энергии! Естественно, закон сохранения энергии при этом не нарушается. Наконец, отметим, что оптическая система ничего не излучает во внешнюю среду, обеспечивая защиту компьютера от перехвата информации. И обратно: оптическая система надежно защищена от сторонних электромагнитных наводок.

Новая физика - новая элементная база

Основные элементы оптических компьютеров с переносом изображения давно известны. Это - линза, зеркало, оптический транспарант и слой пространства. В настоящее время к ним добавились волноводные элементы, а также лазеры, полупроводниковые многоэлементные фотоприемники, нелинейные оптические среды, разного рода дефлекторы и светоклапанные устройства.

Рис.

Базисная логическая функция, элементарный кирпичик, с помощью которого можно построить любой, сколь угодно сложный цифровой компьютер, имеет множество оптических реализаций. На рис. 1 дан простой пример построения многовходовой функции ИЛИ-НЕ/И-НЕ с помощью линзы L и порогового устройства-инвертора N.

Здесь в качестве порогового элемента можно использовать как оптическое светоклапанное устройство (переключающаяся, бистабильная оптическая среда), так и простой фотоэлектронный приемник с нелинейной передаточной характеристикой (то есть нелинейной зависимостью интенсивности выходного светового потока от входного).

Рис.

На рис. 2 показан оптический процессор, реализующий произвольное матричное преобразование входного вектора-строки в выходной вектор-столбец.

Здесь LED - линейка светоизлучающих диодов. Они расположены на фокальной линии цилиндрической линзы L1. T - оптический транспарант с записанной на нем матрицей пропускания T(i, j). Строки матрицы параллельны образующей первой линзы. L2 - цилиндрическая линза, образующая которой параллельна столбцам матрицы транспаранта. Она собирает лучи, прошедшие через элементы одной строки, на одном пикселе многоэлементного линейного фотоприемника D. Нетрудно видеть, что входной X и выходной Y вектора связаны линейным преобразованием

Y=TX

Рис.

В оптической системе возможна также обработка двумерных структур. На следующем рисунке представлена схема оптического процессора, реализующего операцию свертки двух изображений, которая лежит в основе работы многих устройств ассоциативной памяти и распознавания образов.

Здесь S - плоский однородный источник света, L1 и L2 - сферические линзы, D - матричный фотоприемник, T1 и T2 - транспаранты, пропускание которых соответствует двум обрабатываемым изображениям. Распределение интенсивности излучения на матричном фотоприемнике пропорционально интегралу

J(x, y)=тт(T1(x-u, y-v) T2(u, v) du dv

В предыдущих примерах свет выполнял ту же роль, что и электроны в проводниках обычных микросхем. При этом в качестве "проводов" выступали геометрические лучи. Понятно, что с таким же успехом свет можно загнать в волновод и организовать вычислительную среду по принципам, близким к идеологии электронной полупроводниковой микросхемотехники. Этим занимается интегральная и волоконная оптика.

Рис.

Принципиально новые возможности дает использование свойств пространственной когерентности излучения. Структура когерентного оптического процессора, так называемая 4F-схема, приведена на рис. 4. Здесь LS - лазерная осветительная система, формирующая широкий пучок когерентного излучения. T1 и T2 - амплитудно-фазовые транспаранты, модулирующие фазу и амплитуду проходящей световой волны. L1 и L2 - сферические линзы с фокусным расстоянием F. Результирующий сигнал считывается матричным фотоприемником D.

Распределение амплитуды светового поля в плоскости фотодетектора пропорционально свертке амплитудного пропускания первого транспаранта с Фурье-образом амплитудного пропускания второго транспаранта. Процессоры такого типа используются в качестве комплексных пространственных фильтров в системах улучшения качества изображения, а также в системах распознавания образов.

Рис.

Если же нас интересует Фурье-спектр двумерного сигнала, то он вычисляется с помощью линзы L и слоя пространства длиной F так, как показано на рис. 5. Остальные элементы предназначены для ввода-вывода данных и для освещения системы.

Отметим, что для обычного компьютера, использующего быстрый алгоритм Кули-Тьюки, длительность выполнения Фурье-преобразования растет с ростом числа точек дискретизации n пропорционально n log(n). В оптическом компьютере эта процедура даже в двумерном случае выполняется всего за один машинный такт, что делает оптический компьютер незаменимым для военных целей, а также для решения задач, требующих быстрой оценки ситуации и управления в реальном времени.

Голографическая память

Замечательным свойством оптического компьютера с передачей изображения является его способность за один такт обрабатывать двумерные картинки, причем машинная команда сама может представляться картинкой. Откуда же эти картинки брать? Их источником могут быть внешняя среда, результат предыдущего вычисления, оптическая память. Если из внешней среды изображение можно ввести с помощью объектива, а результат предыдущего вычисления возвратить на вход процессора с помощью системы зеркал, то в качестве памяти можно использовать различные оптические и оптоэлектронные устройства записи, хранения и извлечения изображений. Например, кассету со слайдами.

Особый интерес представляют голографические устройства памяти. Такая память обладает рядом достоинств. Голограмма сохраняет информацию не только об интенсивности, но и о фазе световой волны, что в оптике принципиально важно, а с утилитарной точки зрения - позволяет повысить объем записываемой информации. Кроме того, различные картинки можно записывать в одно и то же место, используя весь объем носителя, а не тонкий слой поверхности (как в случае обычной оптической или магнитной памяти). По оценкам специалистов, объемная плотность записи информации может превышать величину 10¹¹ бит/см³, а скорость ввода информации с голограмм - несколько гигабит в секунду.

Кроме того, голограмма сама может использоваться в качестве принципиального узла оптического процессора, выступая одновременно в роли буферной памяти и обрабатывающего элемента.

Информация в таких голограммах записывается путем изменения показателя преломления по всему объему носителя. Обычно для этого используются прозрачные материалы с ярко выраженными нелинейными оптическими характеристиками, например, кристаллы ниобата лития.

Рис.

На рис. 6 показано примерное устройство оптической памяти с объемной голографической средой. Ввод информации осуществляется с помощью управляемого оптического транспаранта. Адресацией при записи-считывании управляет опорный луч. Считываемая информация фокусируется в плоскости многоэлементного матричного фотоприемника D.

В силу того, что емкость голографической памяти огромна, а время выборки мало, кардинально меняется весь подход к организации вычислительного процесса. Например, можно вернуться к идее широкого использования поиска по справочникам и таблицам функций, схем принятия решений, таблиц умножения, наконец. Разумеется, алгоритмический подход к обработке информации в оптическом компьютере сохранится, но его основой будет язык более высокого уровня организации, ориентированный на параллельную обработку сложных структур данных.

Кентавр оптоэлектроники

Речь пойдет об интерфейсах. Может показаться, что оптическая вычислительная среда, обладая уникальной способностью одновременно обрабатывать большие массивы информации, как бы оторвана от хорошо разработанной и всенародно любимой электронной вычислительной инфраструктуры, в которой обработка и передача информации осуществляется последовательно. Однако на самом деле любой оптический компьютер должен быть обрамлен обычной электроникой.

Сегодня при вводе оптического изображения в ЭВМ вакуумные передающие телевизионные трубки полностью вытеснены приборами с зарядовой связью ПЗС (CCD - charge coupled device). Устройства на основе ПЗС воспринимают изображение параллельно по оптическому каналу, а передают последовательно по электронному. В ряде случаев последовательная перекачка содержимого ПЗС в оперативную память ЭВМ ограничивает быстродействие всего оптоэлектронного вычислительного комплекса. В настоящее время имеются российские и зарубежные разработки оптоэлектронных интерфейсов, в которых матричный фотоприемник конструктивно совмещен с элементами RAM в оперативной памяти ЭВМ. Отсюда - один шаг до использования оптического канала доступа к электронным чипам через третье измерение. Такие работы сегодня вовсю ведутся в зарубежных лабораториях. Оказывается, даже в стандартной персоналке длина соединений между вентилями микросхем, расположенных на разных печатных платах, порой измеряется метрами. Использование оптического канала для организации "междучипового" обмена позволяет на порядок сократить задержку распространения сигнала.

От ЭВМ к оптическому компьютеру информация передается с помощью управляемых транспарантов, или пространственных модуляторов света ПМС (SLM - spatial light modulator). Однако жидкокристаллические панели, чаще всего использующиеся для этих целей, обладают существенным недостатком - сравнительно низким быстродействием. Существуют также оптические транспаранты с электронным управлением на цилиндрических магнитных доменах и термопластиках. К числу перспективных направлений относится разработка ПМС с так называемыми умными ячейками (SP, smart pixels). Они могут модулировать амплитуду падающей световой волны как с использованием сигналов электронного интерфейса, так и с помощью второй световой волны. По сути - это прозрачная интегральная схема, выполненная по оптоэлектронной технологии и использующая параллельный оптический вход и выход информации с помощью третьего измерения. Интересно, что для первых экспериментов с устройствами типа SLM-SP обычные чипы кремниевой памяти покрывали тонким слоем жидкого кристалла. Электрическое поле вблизи заряженных ячеек памяти ориентирует молекулы жидкого кристалла, обнаруживая электрооптический эффект в отраженном свете. Впоследствии для этой цели стали разрабатывать специальные чипы, а также применять электро-магнитооптические жидкости и использовать эффект Фарадея. Такие транспаранты оказались более быстродействующими.

Еще один класс интерфейсных устройств образуют многоэлементные лазеры. Последнее достижение в этой области - матрицы полупроводниковых лазеров размером 1000х1000 светоизлучающих элементов. Излучение генерируется перпендикулярно плоскости чипа. В таких оптоэлектронных БИС используется технология изготовления лазеров с вертикальным расположением резонаторов (VCSEL, vertical cavity surface-emitting lasers). Недостаток подобных устройств состоит в том, что в каждый момент времени свет может излучаться только лазерами, расположенными либо в одной строке, либо в одном столбце матрицы.

По-видимому, в дальнейших разработках следует ожидать объединения технологий SLM-SP и VCSEL.

Оптическая нейросреда

Правда жизни на стороне "аналоговой" природы: в некоторых наиболее эффектных своих применениях оптический процессор является аналоговой машиной. С другой стороны, способность оптической вычислительной среды образовывать параллельные связи между большим числом элементов и одновременно выполнять операции типа взвешивания и суммирования аналоговых сигналов является идеальной для построения нейросетей. Если схему, представленную на рис. 1, снабдить транспарантом, пропускание которого задано значениями весовых коэффициентов W(i), получим простейшую модель нейрона - персептрон, показанный на рис. 7.

Рис.

Аналогично схему, представленную на рис. 2, можно рассматривать как слой нейронов. Для этого элементы фотоприемника должны иметь пороговую передаточную характеристику, а транспарант должен задавать таблицу весовых коэффициентов. Причем матрица преобразования совершенно не обязана быть квадратной. Более того, оптическими средствами можно создать связи между нейронами, организованными в двумерные массивы. Матрица связей при этом (формально) будет четырехмерной.

Для работы нейросети низкая точность вычислений, присущая аналоговым компьютерам, не имеет большого значения. Объединяя рассмотренные оптические схемы в многослойные структуры и вводя в них обратные связи, можно создавать сложные быстродействующие нейросети. А на их основе - нейрокомпьютеры широкого применения. Это направление считается одним из самых перспективных в области оптического компьютеростроения.

Что есть лучшего? - Сравнив прошедшее, свести его с настоящим [2]

По-видимому, Э. Голдберг (E. Goldberg) был первым, получившим патент на оптоэлектронную линзовую систему обработки изображений в некогерентном свете. Это было в 1927 году в Германии.

Заслугой Ф. Цернике из Гронингенского университета (Нидерланды) было создание метода пространственной фильтрации изображений в когерентном свете. Созданный им в 1935 году прибор позволял визуализировать оптические объекты, невидимые ранее в силу своей прозрачности. В 60-е годы, после появления первых лазеров, практическую значимость получили работы по голографии Д. Габора.

Успехи оптоэлектроники последнего десятилетия позволили достаточно хорошо отработать технологию производства всех основных компонентов оптического компьютера. Уже сейчас его можно было бы эффективно использовать в качестве сателлитного устройства к обычной персоналке. Однако массового производства оптических компьютеров широкого гражданского назначения не наблюдается. Причина первая: долгое время работы в этой области были закрытыми. Вторая причина проистекает из первой: никто не занимался маркетинговой проработкой оптического компьютера для народа. Нет массового производства - нет дешевого продукта.

Стоимость оптического компьютера довольно велика. Главные области его использования - военная техника, криминология, защита информации, банковская сфера, а также научные исследования. Основные работы за рубежом ведутся в США, Японии, Западной Европе. В США одним из ведущих координаторов работ является известное Агентство по передовым оборонным исследовательским проектам (DARPA, Defence Advanced Research Projects Agency). То самое Агентство, которое стояло у истоков Bitnet, прототипа Интернета. Исследования и разработки ведутся также в интересах ВВС, ВМС, НАСА, Организации СОИ и др. Решаемые задачи: машинное зрение, искусственный интеллект, распознавание и одновременное сопровождение сотен и тысяч целей, навигация, контроль земной поверхности, связь.

Из последних разработок в гражданском секторе отметим оптический процессор для проверки подлинности кредитных карт, паспортов и других важных документов. Дело в том, что жулики научились читать и подделывать обычные отражательные голограммы.

Сотрудники Коннектикутского университета и Оптического научного центра Аризонского университета предложили преобразовывать изображение отпечатков пальцев, лица, подписи владельца документа в специальный фазовый профиль, который одновременно записывается в прозрачной голографической среде на карте и в базе данных. Проверить подлинность карты можно лишь с помощью оптического процессора или коррелятора. Подделать фазовый профиль на прозрачной пластинке практически невозможно.

Уже в 1996 году фирмой IBM была разработана голографическая память, оптическая схема которой показана на рис. 6. Для ввода картинок в память использовался управляемый транспарант размером 1024х1024 пикселей, способный работать с частотой 1 тыс. изображений в секунду. Для вывода информации применялась камера ПЗС размером 2048х2048 пикселей.

Фирмой OptiComp (США) разработан оптоэлектронный 32-битный RISC-процессор, способный обеспечить независимые соединения между 8192 оптическими каналами. Его производительность составляет около 10¹² двоичных операций в секунду. Работая в режиме поиска текста, процессор может просматривать большие базы данных со скоростью 80 тыс. страниц (на каждой странице по 5 тыс. знаков) в секунду.

В совместной разработке Колорадского университета и исследовательского института JILA (США) оптический нейрокомпьютер используется для распознавания человеческой речи. Его оптическая схема напоминает приведенную на рисунке 6. Фурье-спектры отрезков человеческой речи преобразовывались в визуальную картину, которая далее обрабатывалась оптическими методами. Система работала гораздо быстрее и надежнее, чем специально обученная нейросеть на электронных чипах.

Поток информации о разработках в области оптических компьютеров огромен. Вот лишь некоторые сайты, на которых можно "нырнуть" в него:

- www.spie.org (The International Society for Optical Engineering),

- www.imaging.org (The Society for Imaging Science and Technology),

- www.photonicsnet.com (Biophotonics International, Photonics Spectra),

- www.lfw.com (Laser Focus World).

Самые свежие новости мир услышит в конце января - начале февраля. Достаточно заглянуть в красноречивый список разделов рабочей программы международной конференции "Photonics West", ежегодно проводимой в эти месяцы в Калифорнии: гетерогенная интеграция, оптоэлектроника на кремнии, компоновка и интеграция компонентов фотоники, оптоэлектронные коммуникации, дифракционные и голографические технологии, оптоэлектронные интегральные схемы, планарные полупроводниковые лазеры, лазерные матрицы, интегральные фотодетекторы, устройства переключения света, микро- и нанофотонные материалы и устройства, ну, в общем: www.spie.org/info/pw.

Рынок научных разработок раскаляется буквально на глазах. Дойдет его свет и до народа.

Георгий Жувикин - кандидат физико-математических наук, действительный член Российского Менделеевского химического общества, доцент кафедры оптики Санкт-Петербургского государственного университета. Увлечения: байдарка, рыбалка. Web-страница: www.niif.spb.su/~zhuvikin

1 (обратно к тексту) - Оптический аналог электронного транзистора, бистабильный или даже усиливающий элемент с оптическим управлением, см., например, www.ioffe.rssi.ru/cp1251/journals/pjtf/1998/02/page-17.html.ru. - Г.Б.

2 (обратно к тексту) - Козьма Прутков.