Оптические компьютеры

Посмотреть архив целиком
Лабораторная работа №3
Реферат по общим вопросам развития
вычислительных архитектур

ОПТИЧЕСКИЕ КОМПЬЮТЕРЫ
И УСТРОЙСТВА ЭВМ,
ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ
ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Научные достижения, способствовавшие
развитию отрасли
?
?

?

достижения в области Фурье-оптики
(Нобелевская премия 1953 г., Ф. Цернике)
создание оптических квантовых генераторов
– лазеров (Нобелевская премия 1964 г., А.
М. Прохоров, Н. Г. Басов, Ч. Таунс)
изобретение и разработка голографического
метода (Нобелевская премия 1964 г., А. М.
Прохоров, Н. Г. Басов, Ч. Таунс)

Оптические компьютеры

2

Преимущества оптических технологий
?

Возможность параллельной передачи и обработки изображений
одним пучком;

?

Возможность использования прозрачных сред для хранения,
обработки и коммутации информации;

?

Возможность использования поляризации;

?

Возможность одновременной, параллельной работы с
различными длинами волн;

?

Возможности работы на очень высокой опорной частоте
излучения (порядка 1000Гц);

?

Возможность обработки в прозрачной среде информации,
закодированной оптическим лучом, без затрат энергии;

?

Отсутствие побочного взаимодействия с окружающей средой.
Оптические компьютеры

3

Часть 1.

Основы оптических
процессоров

Оптические компьютеры

4

Пример: фильтрация
Экспериментальная установка:
ширма с тремя источниками
света А, В и С, экран
Задача:
как сделать, чтобы на экран
попадал свет только от
источников А и С?

Решение:
поставим на пути света линзу
(фазовый транспарант) и
амплитудный транспарантфильтр (пластинку с
непрозрачным участком
напротив изображения В).
Оптические компьютеры

5

Транспарант
Существует возможность кодирования информации путем изменения
амплитуды и фазы луча во времени и в пространстве. Формой реализации
этой идеи является оптический элемент, называемый транспарантом.
Физически это кусочек
прозрачного материала, на
который каким-либо способом
нанесено изображение –
пространственное (в
координатах, связанных с
транспарантом) распределение
коэффициента поглощения,
коэффициента преломления (или
толщины) или же того и другого
одновременно.
Транспаранты можно изготавливать на базе технологий, позволяющих
управлять оптическими свойствами вещества (жидкие кристаллы или
электрооптические материалы), что дает возможность помимо
пространственной модуляции осуществлять еще и временную.
Оптические компьютеры

6

Голография
Принцип обратимости голограмм:
голограмма любого объекта,
записанная при наличии
опорного пучка,
восстанавливает изображение
объекта при освещении
опорным пучком, но при
освещении ее светом объекта
«восстанавливает» опорный
пучок.
Аналогично голограмма объекта А, записанная при использовании в
качестве опорного пучка свет от объекта В, восстанавливает в свете одного
из них изображения другое, и наоборот.

Оптические компьютеры

7

Элементарная
база

Реализация многовходовой функции
ИЛИ-НЕ / И-НЕ с помощью линзы L и
порогового устройства-инвертора N.
Оптический процессор,
преобразовывающий входной
вектор-строку в выходной векторстолбец:
LED – линейка светоизлучающих
диодов;
L1, L2– цилиндрические линзы;
T – оптический транспарант с
записанной на нем матрицей
пропускания T(i, j);
D – многоэлементный фотоприемник.
Входной Х и выходной У вектора
связаны линейным преобразованием:
У = ТХ.

Оптические компьютеры

8

Оптический процессор, реализующий операцию свертки двух
изображений:
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) = ??(T1(x-u, y-v) T2(u,v)) du dv.

Оптические компьютеры

9

Структура когерентного оптического процессора – 4F-схема:
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;
D – матричный фотоприемник.

Оптические компьютеры

10

Голографическая
память

Примерное устройство 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.
Оптические компьютеры

11

Оптические нейросети
Если схему многовходовой функции ИЛИ-НЕ / И-НЕ снабдить
транспарантом, пропускание которого задано значениями весовых
коэффициентов W(i), получим простейшую модель нейрона –
персептрон.

Эту схему можно рассматривать как слой нейронов. Для этого
элементы фотоприемника должны иметь пороговую передаточную
характеристику, а транспарант должен задавать таблицу весовых
коэффициентов W(i).
Оптические компьютеры

12

Часть 2.

Реальные
разработки

Оптические компьютеры

13

Первое
поколение

В 1990 году компания “Bell” (Bell Labs) создала макет первого оптического
компьютера.
В основе – двумерные матрицы
элементов SEED – self-electrooptic-effect devices. Освещение
элементов производилось
полупроводниковым лазером
через голографическую
решетку Даммена. Мощность
лазера 10 мВт, длина волны
850 нм. Свет проходил через
один диод, в цепи возникал ток,
что приводило к падению
напряжения на структуре
решетки и к повышению
пропускания света через
структуру.
Первый оптический компьютер занимал один квадратный метр и состоял
из четырех каскадов.
Оптические компьютеры

14

Второе поколение
Второе поколение оптических цифровых компьютеров представлено
компьютером DOC-II (digital optical computer), разработанного в научноисследовательской фирме США OptiСomp Corporation.
Входной поток данных
образовывался
излучением линейки 64
независимо
модулируемых
полупроводниковых
лазеров. Свет от каждого
лазера отображался на
одну строчку матричного
пространственного
модулятора света с
размером 64?128
элементов.
Свет, выходящий из рядов пространственного модулятора, попадал на
линейку из 128 лавинных фотодиодов.

Оптические компьютеры

15

DOC-II имел 64?128 = 8192 межсоединений и работал на частоте
передачи данных 100 Мб?с-1, что соответствовало 0.8192?1012
переключений в секунду. Энергия на одно переключение составляла
7.15 фДж (~ 30000 фотонов).

Принципиальным недостатком макетов первых оптических
компьютеров являлась неинтегрируемость их отдельных компонентов.
Исходя из этого, основной задачей следующего этапа работ по
оптическому компьютеру было создание его интегрального варианта.
Оптические компьютеры

16

В конце 90-х годов прошлого века велись работы по созданию
интегрального модуля оптического компьютера с логической матричнотензорной основой, названного HPOC (High Performance Optoelectronic
Communication).
В устройстве планировалось
использовать входную матрицу
VCSEL лазеров, соединенную
планарными волноводами и
обычной оптикой с матрицами
переключения, на основе
дифракционных оптических
элементов, и выходную систему,
состоящую из матрицы лавинных
фотодиодов, совмещенную с
матрицей вертикальноизлучающих диодов.
Опытные образцы показали производительность 4.096 Тб?с-1, а оценки
показывают, что данная система способна развить скорость 1015 операций в
секунду с энергией менее 1 фДж на одно переключение.
Оптические компьютеры

17

Третье
поколение

В 2003 году компания Lenslet создала первый в мире оптический процессор
EnLight 256.
Ядро этого процессора – оптическое, а
входная и выходная информация
представляется в электронном виде. Ядро
состоит из 256 VCSEL-лазеров,
пространственного модулятора света, набора
линз и приемников.
Производительность процессора составляет 8 триллионов операций в
секунду: за один такт (8 нс) процессор умножает 256-байтный вектор на матрицу
256х256.
Оптическая матрица VMM (Vector-Matrix Multiplication) конвертирует
электрическую информацию в свет, затем производит необходимые
преобразования этой информации, направляя свет через программируемую
внутреннюю оптику. Свет, который появляется на выходе, ощущается
множеством датчиков и преобразуется обратно в электрический сигнал.
Оптические компьютеры

18

VMM состоит из трех основных элементов:
?N

некогерентных лазеров;

?пространственного
?ряда

модулятора;

из N детекторов света.
Каждый элемент
входного вектора
проектируется на
столбец матрицы.
Каждый ряд матрицы
проектируется на один
детектор в векторе
результата (вывода).

Программирование оптического цифрового сигнального процессора
(Optical Digital Signal Processing Engine, ODSPE) заключается в изменении
значений, которые сохранены в пространственном модуляторе (Spatial Light
Modulator, SLM). Загрузка приложения аналогична замене матрицы в
пространственном модуляторе.
Оптические компьютеры

19

Оптические технологии сегодня
?

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.

?

Уже в 1996 году фирмой IBM была разработана голографическая память. Для
ввода картинок в память используется управляемый транспарант размером
1024*1024 пикселей, способный работать с частотой 1 тыс. изображений в
секунду. Для вывода информации применяется камера ПЗС размером
2048*2048 пикселей.

?

В совместной разработке Колорадского университета и исследовательского
института JILA (США) оптический нейрокомпьютер используется для
распознавания человеческой речи. 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.
Оптические компьютеры

20

Проблемы оптических
компьютеров
?
?

?
?

недостаточное финансирование
проектов;
продолжающийся рост характеристик
компьютеров на основе традиционной
технологии;
проблема интеграция отдельных
компонентов;
высокая стоимость технологий и
материалов.
Оптические компьютеры

21






Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.