Оптические вычисления - Optical computing - Wikipedia

Оптический или же фотонные вычисления использует фотоны произведено лазеры или же диоды для вычисления. На протяжении десятилетий фотоны обещали позволить более высокое пропускная способность чем электроны используется в обычных компьютерах (см. оптические волокна ).

Большинство исследовательских проектов сосредоточены на замене существующих компьютерных компонентов на оптические эквиваленты, в результате чего создается оптический цифровой компьютер системная обработка 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. Тем не мение, оптоэлектронный устройства теряют 30% своей энергии, преобразовывая электронную энергию в фотоны и обратно; это преобразование также замедляет передачу сообщений. Полностью оптические компьютеры устраняют необходимость в оптико-электрооптических преобразованиях (OEO), тем самым уменьшая потребность в электроэнергии.^[1]

Устройства для конкретных приложений, например радар с синтезированной апертурой (SAR) и оптические корреляторы, были разработаны с использованием принципов оптических вычислений. Корреляторы можно использовать, например, для обнаружения и отслеживания объектов,^[2] и для классификации последовательных оптических данных во временной области.^[3]

Оптические компоненты для двоичного цифрового компьютера

Основным строительным блоком современных электронных компьютеров является транзистор. Для замены электронных компонентов на оптические, эквивалент оптический транзистор необходимо. Это достигается с помощью материалов с нелинейный показатель преломления. В частности, материалы существуют^[4] где интенсивность входящего света влияет на интенсивность света, проходящего через материал, аналогично токовой характеристике биполярного транзистора. Такой оптический транзистор^[5][6] можно использовать для создания оптических логические ворота,^[6] которые, в свою очередь, собраны в компоненты более высокого уровня компьютера ЦПУ. Это будут нелинейно-оптические кристаллы, используемые для манипулирования световыми лучами с целью управления другими световыми лучами.

Как и любой вычислительной системе, оптической вычислительной системе для нормальной работы необходимы три вещи:

1. оптический процессор
2. оптическая передача данных, например Опто-волоконный кабель
3. оптическое хранилище,^[7] например CD / DVD / Blu-ray и т. Д.

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

Полемика

Между исследователями существуют некоторые разногласия относительно будущих возможностей оптических компьютеров; смогут ли они конкурировать с электронными компьютерами на основе полупроводников с точки зрения скорости, энергопотребления, стоимости и размера - вопрос открытый. Критики отмечают, что^[8] Реальные логические системы требуют «восстановления логического уровня, каскадности, разветвление и изоляция ввода-вывода », которые в настоящее время обеспечиваются электронными транзисторами с низкой стоимостью, низким энергопотреблением и высокой скоростью. Чтобы оптическая логика была конкурентоспособной за пределами нескольких нишевых приложений, основные прорывы в технологии нелинейных оптических устройств будут требуется или, возможно, изменение самой природы вычислений.^[9]

Заблуждения, проблемы и перспективы

Существенная проблема для оптических вычислений заключается в том, что вычисления - это нелинейный процесс, в котором должны взаимодействовать несколько сигналов. Свет, который является электромагнитная волна, может взаимодействовать с другой электромагнитной волной только при наличии электронов в материале,^[10] и сила этого взаимодействия намного 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.^{[нужна цитата ]}

Еще одно заблуждение^{[кем? ]} в том, что свет может двигаться намного быстрее, чем скорость дрейфа электронов, а на частотах, измеряемых в ТГц, оптические транзисторы должны поддерживать чрезвычайно высокие частоты. Однако любая электромагнитная волна должна подчиняться предел преобразования, и поэтому скорость, с которой оптический транзистор может реагировать на сигнал, по-прежнему ограничена его спектральная полоса пропускания. Однако в волоконно-оптическая связь, практические ограничения, такие как разброс часто сдерживают каналы с полосой пропускания 10 ГГц, лишь немного лучше, чем у многих кремниевых транзисторов. Поэтому для достижения значительно более быстрой работы, чем у электронных транзисторов, потребуются практические методы передачи ультракороткие импульсы вниз по высокодисперсным волноводам.

Фотонная логика

Реализация фотонно-управляемого НЕ-логического элемента для использования в квантовых вычислениях

Фотонная логика - это использование фотонов (свет ) в логические ворота (НЕ, И, ИЛИ, NAND, NOR, XOR, XNOR). Переключение осуществляется с помощью нелинейные оптические эффекты когда два или более сигналов объединены.^[6]

Резонаторы особенно полезны в фотонной логике, поскольку позволяют накапливать энергию из конструктивное вмешательство, таким образом усиливая оптические нелинейные эффекты.

Другие подходы, которые были исследованы, включают фотонную логику на молекулярный уровень, с помощью фотолюминесцентный химикаты. Во время демонстрации Witlicki et al. выполнял логические операции с использованием молекул и SERS.^[11]

Нетрадиционные подходы

Оптические вычисления с задержкой времени

Основная идея - задержать свет (или любой другой сигнал) для выполнения полезных вычислений.^[12] Интересно было бы решить NP-полные задачи поскольку это трудные проблемы для обычных компьютеров.

Фактически в этом подходе 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 шаги:

• Первый шаг - создать графоподобную структуру из оптических кабелей и разветвителей. Каждый граф имеет начальный узел и целевой узел.
• Свет входит через начальный узел и пересекает граф, пока не достигнет пункта назначения. Он задерживается при прохождении дуг и разбивается внутри узлов.
• Свет отмечается при прохождении дуги или узла, чтобы мы могли легко идентифицировать этот факт в узле назначения.
• В узле назначения мы будем ждать сигнала (колебания в интенсивности сигнала), который поступит в определенный момент (ы) времени. Если в этот момент нет сигнала, это означает, что у нас нет решения нашей проблемы. В противном случае у проблемы есть решение. Колебания можно прочитать с помощью фотоприемник и осциллограф.

Первой проблемой, решаемой таким образом, была Гамильтонова проблема пути.^[12]

Самый простой - это проблема суммы подмножества.^[13] Оптическое устройство, решающее пример с 4 числами {a1, a2, a3, a4}, изображено ниже:

Свет войдет в начальный узел. Он будет разделен на 2 (под) луча меньшей интенсивности. Эти 2 луча придут во второй узел в моменты a1 и 0. Каждый из них будет разделен на 2 подлуча, которые прибудут в 3-й узел в моменты 0, a1, a2 и a1 + a2. Они представляют все подмножества набора {a1, a2}. Мы ожидаем флуктуации интенсивности сигнала не более чем в 4 различных момента. В узле назначения мы ожидаем колебания не более чем в 16 различных моментов (которые являются подмножествами данного). Если у нас есть колебание целевого момента B, это означает, что у нас есть решение проблемы, в противном случае не существует подмножества, сумма элементов которого равна B. Для практической реализации у нас не может быть кабелей нулевой длины, поэтому все кабели являются увеличивается с небольшим (фиксированным для всех) значением k. В этом случае решение ожидается в момент B + n * k.

Вычисления на основе длины волны

Вычисления на основе длины волны^[14] можно использовать для решения 3-СБ проблема с n переменными, m предложениями и не более чем с 3 переменными в предложении. Каждая длина волны, содержащаяся в световом луче, рассматривается как возможное присвоение значений n переменным. Оптическое устройство содержит призмы и зеркала, используемые для различения подходящих длин волн, которые удовлетворяют формуле.

Ксерокопирование на прозрачных пленках

В этом подходе для выполнения вычислений используется машина Xerox и прозрачные листы.^[15] k-SAT проблема с n переменными, m предложениями и не более k переменных на каждое предложение было решено за 3 шага:

• Во-первых, все 2 ^ n возможных назначений n переменных были сгенерированы путем выполнения n ксерокопий.
• Используя не более 2k копий таблицы истинности, каждое предложение оценивается одновременно в каждой строке таблицы истинности.
• Решение получается путем выполнения операции единственного копирования перекрывающихся прозрачных пленок всех m предложений.

Маскировка оптических лучей

В задача коммивояжера было решено в^[16] с использованием оптического подхода. Все возможные пути TSP были сгенерированы и сохранены в двоичной матрице, которая была умножена на другой вектор шкалы серого, содержащий расстояния между городами. Умножение производится оптически с помощью оптического коррелятора.

Оптические сопроцессоры Фурье

Многие вычисления, особенно в научных приложениях, требуют частого использования 2D дискретное преобразование Фурье (DFT) - например, при решении дифференциальных уравнений, описывающих распространение волн или перенос тепла. Хотя современные технологии графического процессора обычно позволяют выполнять высокоскоростные вычисления больших двумерных ДПФ, были разработаны методы, позволяющие выполнять непрерывное оптическое преобразование Фурье с использованием естественного Фурье-преобразование линз. Вход кодируется с использованием жидкокристаллический пространственный модулятор света и результат измеряется с помощью обычного датчика изображения CMOS или CCD. Такие оптические архитектуры могут предлагать превосходное масштабирование вычислительной сложности из-за изначально сильно взаимосвязанной природы оптического распространения и использовались для решения двумерных уравнений теплопроводности.^[17]

Машины Изинга

Физические компьютеры, дизайн которых был вдохновлен теоретическими Модель Изинга называются машинами Изинга.^[18][19][20]

Ёсихиса Ямамото лаборатория в Стэнфорд впервые создал машины Изинга с использованием фотонов. Первоначально Ямамото и его коллеги построили машину Изинга, используя лазеры, зеркала и другие оптические компоненты, обычно встречающиеся на оптический стол.^[18][19]

Позже команда на Лаборатория Hewlett Packard развитый фотонный чип инструменты разработки и использовали их для создания машины Изинга на одном кристалле, объединив 1052 оптических компонента на одном кристалле.^[18]

Смотрите также

• Линейные оптические квантовые вычисления
• Оптическая нейронная сеть
• Фотонная интегральная схема
• Фотонная молекула
• Фотонный транзистор

Рекомендации

1. Нольте, Д. (2001). Разум со скоростью света: новый вид интеллекта. Саймон и Шустер. п. 34. ISBN  978-0-7432-0501-6.
2. Фейтельсон, Дрор Г. (1988). «Глава 3: Оптическое изображение и обработка сигналов». Оптические вычисления: обзор для компьютерных ученых. Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN  978-0-262-06112-4.
3. Kim, S.K .; Года, К .; Фард, А. М .; Джалали, Б. (2011). «Оптический коррелятор аналоговых образов во временной области для высокоскоростного распознавания изображений в реальном времени». Письма об оптике. 36 (2): 220–2. Bibcode:2011OptL ... 36..220K. Дои:10.1364 / ol.36.000220. PMID  21263506.
4. «Энциклопедия лазерной физики и техники - нелинейный индекс, эффект Керра».
5. Jain, K .; Пратт младший, Г. У. (1976). «Оптический транзистор». Appl. Phys. Латыш. 28 (12): 719. Bibcode:1976АпФЛ..28..719J. Дои:10.1063/1.88627.
6. США 4382660, К. Джайн и Г.В. Пратт младший, "Оптические транзисторы и логические схемы, воплощающие то же самое", опубликовано 10 мая 1983 г. 
7. «Проект Силика». Microsoft Research. Получено 2019-11-07.
8. Такер, Р. (2010). «Роль оптики в вычислительной технике». Природа Фотоника. 4 (7): 405. Bibcode:2010НаФо ... 4..405Т. Дои:10.1038 / nphoton.2010.162.
9. Раджан, Ренджу; Бабу, Падманабхан Рамеш; Сентилнатан, Кришнамурти. «All-Optical Logic Gates показывает перспективу для оптических вычислений». Фотоника. Фотонные спектры. Получено 8 апреля 2018.
10. Филип Р. Уоллес (1996). Утерянный парадокс: образы кванта. ISBN  978-0387946597.
11. Witlicki, Edward H .; Йонсен, Карстен; Hansen, Stinne W .; Silverstein, Daniel W .; Боттомли, Винсент Дж .; Jeppesen, Jan O .; Вонг, Эрик У .; Дженсен, Лассе; Флуд, Амар Х. (2011). «Молекулярные логические ворота с использованием рамановского рассеянного света с усиленной поверхностью». Варенье. Chem. Soc. 133 (19): 7288–91. Дои:10.1021 / ja200992x. PMID  21510609.
12. Oltean, Михай (2006). Световое устройство для решения задачи о гамильтоновой траектории. Нетрадиционные вычисления. Springer LNCS 4135. С. 217–227. arXiv:0708.1496. Дои:10.1007/11839132_18.
13. Михай Олтеан, Оана Мунтян (2009). «Решение проблемы суммы подмножества с помощью светового устройства». Естественные вычисления. 8 (2): 321–331. arXiv:0708.1964. Дои:10.1007 / s11047-007-9059-3.
14. Сама Голиаи, Саид Джалили (2009). Решение проблемы 3-SAT на основе оптических длин волн. Мастерская оптических суперкомпьютеров. С. 77–85. Bibcode:2009LNCS.5882 ... 77G. Дои:10.1007/978-3-642-10442-8_10.
15. Голова, Том (2009). Параллельные вычисления с помощью ксерокопирования на прозрачных пленках. Алгоритмические биопроцессы. Springer. С. 631–637. Дои:10.1007/978-3-540-88869-7_31.
16. Н. Т. Шакед, С. Мессика, С. Долев, Дж. Розен (2007). «Оптическое решение ограниченных NP-полных задач». Прикладная оптика. 46 (5): 711–724. Bibcode:2007ApOpt..46..711S. Дои:10.1364 / AO.46.000711.
17. А. Дж. Макфаден, Г. С. Д. Гордон, Т. Д. Уилкинсон (2017). «Сопроцессор оптического преобразования Фурье с прямым определением фазы». Научные отчеты. 7 (1): 13667. Bibcode:2017НатСР ... 713667М. Дои:10.1038 / s41598-017-13733-1. ЧВК  5651838. PMID  29057903.
18. Рэйчел Кортленд.«Новый чип HPE знаменует собой веху в области оптических вычислений».
19. Эдвин Картлидж.«Новые компьютеры Ising-machine берутся на штурм».
20. Адриан Чо.«Странный компьютер справляется с запутанными задачами».

дальнейшее чтение

• Фейтельсон, Дрор Г. (1988). Оптические вычисления: обзор для компьютерных ученых. Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN  978-0-262-06112-4.
• Маколей, Аластер Д. (1991). Оптические компьютерные архитектуры: применение оптических концепций в компьютерах следующего поколения. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: John Wiley & Sons. ISBN  978-0-471-63242-9.
• Ибрагим Т.А.; Amarnath K; Kuo LC; Grover R; Ван V; Хо ПТ (2004). «Фотонно-логический вентиль ИЛИ-НЕ на основе двух симметричных микрокольцевых резонаторов». Opt Lett. 29 (23): 2779–81. Bibcode:2004OptL ... 29.2779I. Дои:10.1364 / OL.29.002779. PMID  15605503.
• Biancardo M; Bignozzi C; Дойл Н; Редмонд Дж. (2005). «Потенциал и ионный коммутируемый молекулярный фотонный логический вентиль». Chem. Сообщество. 0 (31): 3918–20. Дои:10.1039 / B507021J. PMID  16075071.
• Jahns, J .; Ли, С.Х., ред. (1993). Аппаратное обеспечение оптических вычислений: оптические вычисления. Elsevier Science. ISBN  978-1-4832-1844-1.
• Barros S; Guan S; Алукайдей Т. (1997). «Реконфигурируемая архитектура MPP с использованием оптических межсоединений в свободном пространстве и конфигурирования 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; Feuerstein RJ; Jordan HF; Heuring VP; Feehrer J; Любовь CE (1994). «Реализация универсального цифрового оптического компьютера с хранимой программой». Прикладная оптика. 33 (8): 1619–28. Bibcode:1994ApOpt..33.1619M. Дои:10.1364 / AO.33.001619. PMID  20862187.
• Guan, T.S .; Баррос, С.П.В. (Апрель 1994). "Реконфигурируемая многоповеденческая архитектура с использованием оптической связи в свободном пространстве". Материалы международного семинара IEEE по массово-параллельной обработке с использованием оптических соединений. IEEE. С. 293–305. Дои:10.1109 / MPPOI.1994.336615. ISBN  978-0-8186-5832-7.
• Guan, T.S .; Баррос, С.П.В. (Август 1994 г.). «Параллельная связь процессоров через оптику свободного пространства». TENCON '94. Девятая ежегодная международная конференция IEEE Region 10. Тема: Границы компьютерных технологий. 2. IEEE. С. 677–681. Дои:10.1109 / TENCON.1994.369219. ISBN  978-0-7803-1862-5.
• Guha A .; Рамнараян Р .; Дерстин М. (1987). «Архитектурные вопросы при проектировании символьных процессоров в оптике». Материалы 14-го ежегодного международного симпозиума по компьютерной архитектуре (ISCA '87). ACM. С. 145–151. Дои:10.1145/30350.30367. ISBN  978-0-8186-0776-9.
• К.-Х. Бреннер, Алан Хуанг: «Логика и архитектура для цифровых оптических компьютеров (A)», J. Opt. Soc. Am., А 3, 62, (1986)
• Бреннер, К.-Х. (1988). «Программируемый оптический процессор на основе символьной замены». Appl. Opt. 27 (9): 1687–91. Bibcode:1988ApOpt..27.1687B. Дои:10.1364 / AO.27.001687. PMID  20531637.
• Streibl N .; Бреннер К.-Х .; Хуанг А .; Jahns J .; Jewell J.L .; Lohmann A.W .; Miller D.A.B .; Murdocca M.J .; Приз М.Е .; Сайзер II Т. (1989). «Цифровая оптика». Proc. IEEE. 77 (12): 1954–69. Дои:10.1109/5.48834.
• Ученые НАСА работают над улучшением оптических вычислительных технологий, 2000
• Оптические решения для NP-полных задач
• Долев, С .; Haist, T .; Олтеан, М. (2008). Оптические суперкомпьютеры: первый международный семинар, OSC 2008, Вена, Австрия, 26 августа 2008 г., Труды. Springer. 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., Труды. Springer. 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. Springer. 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. Отредактированные избранные статьи. Springer. ISBN  978-3-642-38250-5.
• Вычисления скорости света становятся на шаг ближе Новый ученый
• Колфилд Н .; Долев С. (2010). «Почему суперкомпьютеры будущего требуют оптики». Природа Фотоника. 4 (5): 261–263. Дои:10.1038 / nphoton.2010.94.
• Cohen E .; Долев С .; Розенблит М. (2016). «Полностью оптическая конструкция для реверсивных затворов и схем с сохранением энергии». Nature Communications. 7: 11424. Bibcode:2016 НатКо ... 711424C. Дои:10.1038 / ncomms11424. ЧВК  4853429. PMID  27113510.

внешняя ссылка

• Этот лазерный трюк - квантовый скачок
• Стартап Photonics привязан к Q2'06 Дата производства
• Остановка света в квантовом скачке
• Оптические межкомпонентные соединения с высокой пропускной способностью
• https://www.youtube.com/watch?v=4DeXPB3RU8Y (Фильм: Ксерокопирование на прозрачных пленках)