Что такое оптический компьютер

Обновлено: 07.07.2024

Фотоника — это раздел современной оптики, в рамках которого изучаются источники оптического излучения, условия его распространения в пространстве или через какие-то материалы, а также методы приема и управления этим излучением.

Под оптическим излучением обычно понимают видимый свет, у которого длина волны составляет от 380 нм до 780 нм. То есть это то излучение, которое воспринимается человеческим глазом. Также к оптическому излучению относят инфракрасные волны и ближнее ультрафиолетовое излучение. Если же рассматривается взаимодействие тех частиц, из которых состоит свет — фотонов — с нанометровыми объектами, то говорят уже не о фотонике, а о нанофотонике.

Российское министерство образования и науки включило фотонику и нанофотонику в число наиболее перспективных направлений исследований. С чем это связано?

В наш век высоких технологий очень большое значение имеют обработка и передача информации в больших объемах и с очень высокими скоростями. Говорят даже о проблеме «больших данных», которые возникают при обработке результатов измерений радиотелескопов, при анализе потоков данных в социальных сетях или обработке видео и аудиоизображений.

Наиболее распространенный сейчас метод обработки и передачи информации основан на кремниевых технологиях. При этом информация передается за счет потока электронов. Однако эта технология имеет свои ограничения. Размер современных электронных устройств достиг нескольких десятков нанометров и приближается к своему критическому значению, поскольку на таких масштабах все большую роль начинают играть квантовые явления. Кроме того, в таких миниатюрных элементах выделяется гигантское количество тепла. Например, современный суперкомпьютер потребляет мощности порядка сотен мегаватт, что, конечно, очень много.

Альтернативой электронным вычислениям являются фотонные, в которых для передачи и обработки информации используют уже не электроны, а фотоны.

Фотоны — это кванты электромагнитного излучения. В отличие от электронов они не имеют ни заряда, ни массы покоя. Ожидается, что использование фотонов позволит существенно продвинуться в скорости обработки информации, увеличив ее как минимум на четыре порядка.

Это связано с несколькими обстоятельствами. Фотоны, кроме того что не обладают массой покоя, могут распространяться со скоростями порядка скорости света (около 300 000 км/с). Кроме того, фотоны, соответствующие оптическому диапазону, позволяют передавать огромные массивы данных за счет того, что эти волны имеют большую частоту. Так, частота волн оптического диапазона составляет 10 15 Гц, что позволяет организовать большое количество каналов связи.

Для того чтобы в световую волну вложить необходимую информацию и передать ее, требуется как-то воздействовать на поток фотонов. В этом заключается одна из проблем нанофотоники, с которой в электронике сталкиваются не так остро. Электроны ведь обладают зарядом, что позволяет воздействовать на них при помощи внешних электрических или магнитных полей — в результате такого воздействия электроны изменяют свое движение, что позволяет передавать сигналы. На фотоны так просто воздействовать нельзя. Если световой луч распространяется по вакууму, то траектория его движения не изменится даже при наличии электрических или магнитных полей.

Существуют разные методы решить эту проблему. Например, если распространять фотоны через какой-нибудь материал, то на них станет возможно воздействовать при помощи электрического или магнитного поля. Этим занимаются такие разделы современной оптики, как электрооптика и магнитооптика.

Конечно, нанофотоника сталкивается не только с проблемой управления излучением, но и с проблемой создания миниатюрных источников излучения, фактически миниатюрных лазеров. В этом направлении тоже делаются шаги, проводятся активные исследования. Недавно были продемонстрированы так называемые спазеры. Это лазеры, основанные на возбуждении плазмонных колебаний. Плазмонами называются гибридные колебания, которые одновременно включают в себя колебания фотонов и электронов металла. Эти источники тоже могут быть очень перспективны для создания оптических микросхем и наносхем, которые можно будет потом использовать в оптических компьютерах.

Сегодня основной задачей нанофотоники является создание элементной базы, которая потом будет использована для обработки и передачи информации в оптических компьютерах.

Компании IBM и Fujitsu уже продемонстрировали первые гибридные процессоры, которые используют как оптические, так и электронные технологии.

Тем не менее следует ожидать, что в ближайшем будущем удастся сконструировать не кремниево-фотонный процессор, но устройство, в котором информация полностью передается и обрабатывается за счет фотонных потоков.

Конечно, необходимо учитывать не только быстродействие устройства, но и экономическую составляющую. Пока сделать кремниевый чип гораздо проще и дешевле. Однако развитие технологий позволяет с оптимизмом смотреть в будущее и ожидать, что спустя какое-то время оптические устройства станут экономически оправданны. На этом этапе относительная доля фотонных устройств существенно вырастет и рынок кремниевых устройств сократится.

Тем не менее вряд ли стоит ожидать полного вытеснения кремниевых устройств фотонными.

Скорее всего, сохранится большое количество областей применения, где будут не нужны рекордные скорости и уже привычные нам кремниевые технологии окажутся более удобными.

Современные компьютеры потребляют все больше энергии, их эффективность уже не всегда удовлетворяет человека. Выходом из положения многие называют создание оптических компьютеров. ITMO.NEWS и профессор Университета ИТМО Иван Иорш кратко объясняют, что это такое.


Иллюстрации: Дмитрий Лисовский, ITMO.NEWS


Оптический компьютер ― это устройство (пока скорее гипотетическое), которое в качестве единицы (бита) информации использует фотон. В обычном компьютере в качестве бита информации используется электрон, а если точнее ― заряд электрона: если через контакт протек некоторый минимальный заряд, то это единица, а если протек заряд меньше порогового, то ноль. Заменяем электрон на фотон, заряд на интенсивность электромагнитного поля, получается так называемый классический оптический компьютер.


В качестве входного порта оптического чипа выступает набор оптических волноводов. Через эти волноводы на вход поступает оптический сигнал, который можно представить в качестве набора нулей и единиц (в этом случае мы имеем дело с цифровым оптическим компьютером) или в качестве непрерывной функции времени и координаты (в этом случае такая система называется аналоговым оптическим чипом). Далее этот сигнал преобразуется заданным образом в оптической схеме посредством различных оптических элементов: резонаторов или волноводов. Преобразованный сигнал поступает на выходной порт ― он, опять же, может быть представлен либо в качестве массива нулей и единиц, либо в качестве непрерывной функции.


Есть ряд областей, в которых применение оптических компьютеров было бы уже сейчас крайне оправданным, хотя вряд ли стоит ждать, что они скоро повсеместно заменят привычные нам электронные устройства. Выгода в том, что фотоны являются идеальным передатчиком информации. Оптический сигнал в волокне может переноситься на десятки километров практически без затухания и искажений. Кроме того, фотоны оптического диапазона обладают очень большой пропускной способностью: эта величина определяет, сколько битов информации можно упаковать в импульс определенной длительности. Вот почему уже сейчас для передачи информации на большие расстояния используют оптоволоконный кабель. Однако пока данные, прошедшие по оптоволокну, обрабатываются с помощью электронных устройств. Постоянный перевод сигнала из оптического в электронный и назад тратит время и энергию. Было бы здорово убрать этот переход и обрабатывать пришедший по оптоволокну сигнал также оптическими методами. Уже есть системы, которые позволяют это частично делать, но до создания полноценного оптического компьютера пока далеко.


В привычных нам устройствах течет электрический ток, что приводит к выделению тепла. Такой нагрев ― это потраченная впустую энергия. Более того, чтобы устройство не перегрелось, надо потратить еще больше энергии на его охлаждение. В итоге энергопотребление больших датацентров в 2018 году составило примерно 200 ТВт·ч, что равно примерно одному проценту от всего энергопотребления в мире, и растет оно довольно быстро. Фотоны не заряжены, ток не течет, нагрева нет, поэтому, по крайней мере, некоторые вычислительные операции в смысле энергопотребления можно делать практически задаром. Это относится к так называемым линейным операциям ― сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование и т.д. Существующие на сегодня оптические чипы как раз и специализируются на таких операциях, потому что могут выполнять их быстрее и экономичнее, чем электронные аналоги.


Проблем пока еще хватает. Во-первых, если нужно выполнить нелинейные операции например, логические операции «И» или «ИЛИ», которые часто встречаются в компьютерных программах), то надо обеспечить взаимодействие фотонов друг с другом. Незаряженные частицы взаимодействуют плохо, нужны обычно большие интенсивности, которые уже приводят к нагреву и снижают энергоэффективность. Во-вторых, фотоны постоянно норовят куда-то улететь, поэтому очень трудно реализовать устройства, хранящие оптическую информацию даже какое-то минимальное время (даже микросекунды было бы очень хорошо, но пока таких устройств практически нет). Необходимо реализовывать интерфейсы фотонных систем с запоминающими устройствами (магнитными или электронными), которые бы были быстрыми и энергоэффективными. Еще одной проблемой является миниатюризация. Характерный размер одного электронного транзистора ― примерно 10 нанометров. Поэтому на сантиметре поверхности чипа можно «упаковать» сотни миллионов транзисторов, что обеспечивает быстродействие электронных компьютеров. Размеры оптических элементов определяются длиной волны фотона ― порядка одного микрона. Оптические транзисторы, очевидно, не будут такими же компактными, как электронные, что сужает область их применений. Так, оптические чипы уже активно используются для обработки информации в оптоволоконных сетях и для многих других узких задач, там где их преимущество над электронными аналогами очевидно.


Последние 20 лет все «хоронят» закон Мура об удвоении количества транзисторов на кристалле, хотя пока он держится. Поэтому да, пока совершенствовать электронные технологии выгоднее, но с каждым годом это делать все сложнее из-за постоянной миниатюризации транзисторов. На определенном масштабе электрон уже ведет себя как волна, может «туннелировать» через транзисторные затворы, сбивая всю работу. Тем не менее, инженеры уже лет 20 как-то справляются, стабильно увеличивая производительность и миниатюризацию транзисторов. Но в какой-то момент им все-таки придется остановиться. Здесь и могут пригодиться наработки в области оптических компьютеров. Однако пока оптические чипы, скорее, будут развиваться как нишевые решения для специализированных задач, что, однако, не снижает их значения.




Все мы понимаем, что рано или поздно кремниевая технология, используемая сегодня для создания процессоров, достигнет своего предела. Это как с нефтью – когда-то она закончится, поэтому уже сейчас начинают создавать электродвигатели, водородные двигатели и даже спиртовые двигатели! Точно такая же ситуация сложилась и в мире информационных технологий – кремниевой технологии начинают искать замену. Причем на рассмотрение предлагаются абсолютно разные варианты замены – от биокомпьютера до оптических процессоров. Стоп! А что это такое? Вряд ли у каждого из нас на столе, скажем, через десять лет будет стоять компьютер из бактерий, а вот то, что в компьютере будущего будет установлен оптический процессор, – вполне реально. Сейчас мы поговорим об этом чуде рук человеческих, от истории до принципов работы. Правда, чтобы все было понятно, нужно немного знать оптику (это наука о свете). Я постараюсь изложить все как можно проще, но что будет совсем просто, не надейтесь.

Вы не должны думать, что оптический процессор появился из ниоткуда. Просто его появление не афишировалось, поскольку все процессоры создавались и продолжают создаваться по кремниевой технологии. А на самом деле работы по созданию оптического процессора начались еще в восьмидесятых. И не потому, что уже тогда кремниевую технологию хотели заменить более совершенной, а просто ради интереса – почему бы не создать альтернативный тип процессора?

Однако началу работ над созданием такого типа процессоров предшествовали несколько серьезных работ в области оптических квантовых генераторов, по-нашему – лазеров (рис. П1). Не посчитайте меня занудой: сейчас будет немного хронологии, просто это интересно знать.



Рис. П1. Лазер

В 1964 году Прохоров, Басов и Таунс получили Нобелевскую премию за свою работу, которая произвела настоящую революцию в квантовой электронике. После этой работы стало возможным создание квантовых генераторов и усилителей, основанных на лазерном принципе. А в 1971 году Д. Габор получил премию за изобретение голографического метода. Сейчас голография применяется в картографии, медицине, при диагностике сбоев в различных устройствах, а также в других отраслях.

Рассмотрим преимущества оптической технологии:

• можно параллельно передавать целые изображения за один световой пучок;

• возможность использования совершенно разных сред передачи, хранения и обработки информации;

• обработка информации возможна во время ее передачи через оптическую систему, которая реализует вычислительную среду. Представляете, вы отправили картинку для ее обработки – она будет обработана почти мгновенно, потому что обрабатывается по мере прохождения через оптическую систему;

• информация, которая закодирована оптическим лучом, может передаваться без затрат энергии! Это действительно хорошо, ведь чем меньше затраты энергии, тем лучше;

• оптическая система не позволяет перехватывать информацию, поскольку ничего не излучает в окружающую среду;

• все эти преимущества достигаются благодаря тому, что в качестве носителей информации используются фотоны, а не электроны.

Как уже отмечалось, в 1990 году компания Bell (BellLabs) создала макет первого оптического компьютера. В основе процессора лежали двухмерные матрицы бистабильных полупроводниковых элементов со множествами квантовых ям. Эти элементы обладали электрооптическими свойствами (в англоязычной литературе встречается аббревиатура SEED – Self-Electro-Optic-Effect Devices). Освещение элементов производилось полупроводниковым лазером через голографическую решетку Даммена. Мощность излучения лазера составила 10 мВт, длина волны – 850 нм. Как это все работало? Свет проходил через один диод, в цепи возникал ток, что, в свою очередь, приводило к падению напряжения на структуре решетки и к повышению пропускания света через вторую структуру. Вот так возникала обратная связь, и совокупность элементов образовывала логические ячейки ИЛИ-И, ИЛИ-НЕ и т. д. Первый оптический компьютер занимал всего один квадратный метр. Состоял он из четырех каскадов. На выходе каждого каскада определялось пространственное распределение излучения по состоянию входящей в состав каскада жидкокристаллической маски. Управление маской производилось на обычном компьютере.

Во втором поколении оптических компьютеров использовалась век-торно-матричная логика. Второе поколение было представлено компьютером DOC–II (Digital Optical Computer).

Поток данных в компьютере DOC–II излучали 64 модулируемых лазерных диода, длина волны каждого составляла 837 нм. Свет от каждого диода отображался на одну строчку матричного пространственного модулятора, общий размер которого составляет 64 128 элементов. Отдельный элемент матрицы – это не что иное, как брэгговская оптическая ячейка (на основе GaP). Свет, который выходит из модулятора, попадает на целый ряд фотодиодов (128 штук). Посмотрите на фотографию DOC–II (рис. П2): в нем 8192 вспомогательных соединения. В секунду компьютер может сделать 0,8192 переключения, при этом на одно переключение затрачивается 7,15 фДж, если посчитать в фотонах, то это около 3000 фотонов. Понимаю, что все эти числа для вас – китайская грамота, хотелось бы реальный пример. Хорошо!



Рис. П2. Оптический компьютер DOC–II

Представьте, что нам нужно найти какое-то слово в тексте. Я провел небольшой эксперимент. Тестовая система Duron 1,6/256 MB/Win XP SP1, запущено более 50 процессов. Взял документ MS Word на 954 страницах, написал заветное слово на 953-й странице (такое слово было только одно в документе). Запустил поиск этого слова и одновременно нажал кнопку «Старт» на своем секундомере. Поиск занял чуть больше 3 секунд (а именно 3,175), будем считать, что 3 секунды – ведь мне еще нужно было нажать «Стоп». Тут даже не принципиально, 2 или 3 секунды. Потому что оптический компьютер просматривает за ОДНУ секунду 80 000 страниц обычного ASCII-текста. Думаю, комментировать дальше просто нет смысла. Основной недостаток оптического компьютера – неинтегрируемость его компонентов. В настоящее время ведутся работы по созданию интегрального модуля оптического компьютера. Компьютер будет называться High Performance Optoelectronic Communication – HPOC. Опытная его модель уже создана.

В новом компьютере планируется использовать входную матрицу с вертикально расположенными лазерными диодами. Диоды будут соединяться волноводами и обычной оптикой, оснащенной матрицами переключения, на основе дифракционных оптических элементов. Выходная система будет состоять из матрицы фотодиодов, которая будет совмещена с входной матрицей. В модуле используются технологии CMOS, Bi-CMOS, GaAs, оптические межсоединения организованы с использованием свободного распространения световых пучков. В итоге получается квазичетырехмерная структура. Уже создана опытная система. Она показывает скорость 1015 операций в секунду, причем «кушает» энергии всего 1 фДж на переключение (сравните с DOC–II – там 7 фДж). Что же касается веса, то пока нынешние оптические системы в этом проигрывают – их вес превышает используемые сейчас чипы. Конечно, до размеров и веса суперкомпьютеров пятидесятых не дойдет, но оптический ноутбук будет больших размеров (если он вообще будет в ближайшее время).

Поскольку только одна фирма в мире создала коммерческий оптический процессор, который можно купить, а не только посмотреть на него и сказать: «Как быстро он работает!», о ней мы сейчас и поговорим. Как уже было сказано, данный процессор называется EnLight 256 (рис. П3) и создала его фирма Lenslet. EnLigth 256 – это первый оптический DSP (Digital Signal Processor), превосходящий в три раза лучшие электронные DSP. Вообще-то если уже быть предельно точным, то EnLight 256 – это гибридный оптический процессор – он же не весь полностью оптический, а содержит преобразователи. Но на сегодняшний день полностью создать оптический компьютер не то чтобы очень сложно, а очень дорого. К тому же неизвестно, как он будет работать. А тут мы меняем только ядро (ведь все остальное остается таким же – электрическим) и получаем огромный прирост производительности.

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 квант на матрицу 256 x 256.



Рис. П3. Процессор enlight 256

Поговорим о технологии Lenslet. Данная технология, как мы уже знаем, использует оптическое ядро, а входная и выходная информации представляются в электронном виде. Такая организация позволяет использовать лучшее из оптического и электрического миров. Оптическая матрица VMM (Vector-Matrix Multiplication) – ядро процессора – конвертирует электрическую информацию в свет, затем производит необходимые преобразования этой информации (вычислительные операции), направляя свет через программируемую внутреннюю оптику (рис. П4). Свет, который появляется на выходе, ощущается множеством датчиков и преобразуется обратно в электрический сигнал.

VMM состоит из трех основных элементов:

• N некогерентных лазеров, которые представляют вектор, состоящий из N элементов, каждый элемент – это 8 бит;

• пространственного модулятора Multiple Quantum Well (MQW), состоящего из N x N пикселных модуляторов, размещенных на одном чипе (рис. П5);

• ряда из N детекторов света, которые интегрированы в массив аналого-светового преобразования (Analog to Digital Converters, ADC). Детекторы установлены так, чтобы получать лучи от матрицы модулятора. Вывод столбца детектора – это вектор-результат.

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



Рис. П4. Принцип работы ядра VMM

Теперь разберемся, как это все программируется. 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 (или данные внутри приложения) аналогична замене матрицы в пространственном модуляторе. Мо жете догадаться сами, как быстро это происходит. Кстати, пространственный модулятор может поставляться как отдельный продукт, так что вам ничего не мешает (наверное, кроме отсутствия нужных средств), чтобы соз дать свой оптический процессор. Этот модулятор называется Ablaze, и о нем можно прочитать на сайте компании Lenslet.



Рис. П5. Пространственный модулятор Multiple Quantum Well

Где сейчас используется EnLight 256? Вы можете засомневаться, что он вообще используется, но на самом деле это так. Основные сферы его применения – это военная промышленность и обработка видео в реальном времени; обе сферы требуют высокой производительности. Представьте, что будет, если при вычислении угла отклонения ракеты компьютер немного «задумается»?

Шестого декабря 2007 года компания IBM заявила, что намерена выпускать оптические процессоры всего через пять лет. Да, через пять лет (пусть через семь – сначала оптические процессоры будут очень дорогими) на столе у каждого из нас будет стоять настоящий суперкомпьютер (по нынешним меркам).


В данной работе будет рассмотрен принцип работы, устройство, преимущества и область применения оптических компьютеров.

Работы по созданию оптического процессора начались еще в далеких далеком прошлом, и не потому, что уже тогда нужна была более совершенная, чем кремниевая, технология, а ради удовлетворения простого интереса человечества: почему бы не создать альтернативный тип процессора? Однако создание процессоров оптического типа опередили несколько серьезных разработок в области оптических квантовых генераторов, по-нашему - лазеров. [1]

Оптический компьютер - это про­грамм­но управ­ляе­мое уст­рой­ст­во для об­ра­бот­ки, хра­не­ния и пе­ре­да­чи ин­фор­ма­ции, в ко­то­ром основным но­си­те­лем ин­фор­ма­ции яв­ля­ет­ся оп­ти­че­ское из­лу­че­ние. Если сравнивать с элек­трическими сиг­на­ла­ми оп­ти­че­ское из­лу­че­ние име­ет ряд пре­иму­ществ бла­го­да­ря сле­дую­щим свой­ст­вам: 1) про­пу­ск­ная спо­соб­ность ин­фор­мационного ка­на­ла, обус­лов­лен­ная час­то­той оп­тического из­лу­че­ния (1012–1016 Гц), мо­жет со­став­лять сот­ни Тбит/с; 2) пе­ре­да­ча ин­фор­ма­ции про­ис­хо­дит со ско­ро­стью све­та; 3) в ли­ней­ной сре­де све­то­вые пуч­ки рас­про­стра­ня­ют­ся не­за­ви­си­мо друг от дру­га; 4) ин­фор­ма­цию мож­но ко­ди­ро­вать по­сред­ст­вом час­тот­ных, фа­зо­вых, ам­пли­туд­ных, по­ля­ри­за­ци­он­ных и вре­менных пе­ре­мен­ных элек­трического по­ля све­то­вой вол­ны; 5) све­то­вые по­ля мо­гут быть дву­мер­ны­ми (изо­бра­же­ния) или трёх­мер­ны­ми (го­ло­грам­мы); 6) не­чув­ст­ви­тель­ность к элек­тро­маг­нит­ным по­ме­хам. [2]

На примере процессоров можно разобраться, зачем нужны оптические компьютеры. Когда придет время того, что уменьшать техпроцесс ЦП будет уже некуда, закон Мура перестанет быть полезным. На данный момент разрабатывается возможность альтернативной технологии, которая заключается в замене проводов на оптическое волокно, проводящее свет. Полупроводниковая система создания техники немного устаревает, так как подчиняется законам физики, связанным с электрическим током. Именно упорядоченное движение частиц вынуждает электроны двигаться в непрерывном потоке, что приводит к потере некоторого количества энергии, которая проявляется в тепловыделении и электромагнитном излучении.

Создание оптических компьютеров особого труда не составит. Они настанут во время тестирования, так как нужно еще заставить работать оптические волокна. Создание оптических компьютеров в корне меняет саму концепцию программирования, которая основана на последовательности нулей и единиц. С другой стороны, процесс передачи данных будет быстрее, если использовать не двоичную систему, а световые импульсы. На данный момент создание устройства оптического компьютера еще на стадии планирования. А пока что будет налаживаться производство совместных технологий - световых и аналоговых [3].

Рис. 1-Схема оптического компьютера

В блоке ввода информации используются оптические датчики. Это устройства, в которых с помощью света определяются количественные характеристики информации, например наличие/отсутствие предмета, особенности его формы, скорость, температура и т. д. Оптическим датчикам, в отличие от датчиков других типов, не требуется непосредственного контакта с наблюдаемым объектом. Кроме того, оптические датчики отличаются высокой чувствительностью и быстродействием. К устройствам такого рода относятся различные оптические считыватели (OCR-Optical Character Reader), способные непосредственно считывать вводимую в компьютер алфавитно-цифровую информацию, и сканеры изображений, непосредственно вводящие в компьютер образную информацию.
Случаев использования света в устройствах вывода информации из компьютера огромное множество - это дисплей, лазерный принтер и т. д. Пользователем их является человек, который зрительно воспринимает эту информацию - опять-таки с помощью света. Техника записи информации с помощью света (другими словами, создание оптической памяти) в последние годы привлекала самое пристальное внимание. Большой интерес вызывает разработка голографической памяти. Самой распространенной разработкой в этой сфере являются оптические диски.

Принцип считывания информации с оптического диска заключается в облучении поверхности диска лазерным лучом и снятии информации при помощи отраженного от поверхности диска света. В будущем, по всей видимости, оптическая память вытеснит магнитную, используемую в классических компьютерах. В блоке связи и передачи информации используется хорошо известное всем оптическое волокно. Передача информации по оптическому волокну заключается в распространении по нему света. Свет не только обладает возможностью передачи информации со скоростью, на порядок превосходящей скорость передачи электрического сигнала, но и объем информации, переданный при помощи света за единицу времени, тоже больше. Так как волоконно-оптические кабели не излучают в радиодиапазоне, то передаваемую по ним информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Применение оптических средств обмена информацией дает больше преимуществ, нежели обычная электрическая передача данных. Построение оптических процессоров на основе традиционных принципов вычисления встретило большие трудности [4].

Свет способен передавать информацию в большом объеме и с невероятной скоростью. Но есть масса других преимуществ оптических компьютеров, которые будут применяться в будущем. Быть может, случится это совсем скоро. Использование оптических технологий позволяет усовершенствовать любую технику, так как оборудование затрачивает меньшее количество электроэнергии. А также способствует уменьшению тепловыделения. В современных процессорах главную роль играет техпроцесс, и чем он тоньше, тем выше производительность. На современных графических процессорах уменьшенный техпроцесс влияет на энергопотребление. Но когда уменьшение техпроцесса достигнет своего предела, инженеры станут искать аналогичный способ увеличить производительность. Поэтому на смену полупроводникам придет оптическая технология. Над этим уже трудятся многие исследователи. Преимущества оптического компьютера заключаются в том, что информация представлена в виде фотонов, сгенерированных лазерами или диодами. Если использовать фотоны, то достижение высокоскоростной передачи информации обеспечено. Для использования дополнительных возможностей, чтобы обеспечивать ввод и вывод данных, можно задействовать третье измерение. Прозрачная среда - это идеальное место, где без затрат энергии могут обрабатываться данные, закодированные оптическим лучом. За счет нулевого излучения окружающей среды оптическая система способна обеспечить защиту компьютера в случае попытки перехвата информации. Также оптическая система обладает защитой от посторонних электромагнитных наводок. Кабели оптического волокна с каждым днем становятся все дешевле, что делает его более актуальным, нежели аналогичные аналоговые.

Одно из новых открытий в мире оптики - это металлическая линза. Созданная плоская линза, которая состоит из отбеливателя, краски и кварца, способна в будущем полностью заменить стекло. Причина применения металлической линзы заключается в том, чтобы полностью исключить искажения при микроскопических исследованиях. Дело в том, что обыкновенное стекло не способно обеспечить максимальную четкость в один слой. Поэтому исследователям приходится использовать несколько слоев стеклянных линз. Такая же система используется в объективах фотоаппаратов и видеокамер. Но за счет нескольких линз, которые располагаются на расстоянии друг от друга, аппаратура достигает больших размеров. Ученым Гарвардского университета удалось создать плоскую линзу. Она способна полностью исключить дефекты изображения, так как в ней отсутствует аберрация. Прозрачный кварц и диоксид титана стали главными составляющими линзы. Кварцевая пластина расположила на себе миллионы столбцов титана. Именно они разрезают луч света на части, обеспечивая должную фокусировку [5].

Основой всей электротехники – транзисторы, представляющие собой крохотные полупроводники, которые с каждым годом уменьшаются, но мощность их возрастает. Сейчас микротранзистор состоит из 2-х полупроводников со множеством электронов, а между ними находятся полупроводники с недостатком электронов. Сверху устанавливается управляющий и плавающий затворы, которые изолированы. Во время поставки энергии на главный затвор передается определенное количество электронов к плавающему затвору. Таким образом, плавающий затвор, получив отрицательный заряд, сдерживает подачу электрического тока чрез транзистор, при этом значение будет «1». Огромное значение здесь играет размер затвора – если он составляет менее 5 нанометров, то с плавающего затвора теряются электронов, исходя из этого, транзистор не будет работать соответствующим образом.

Сейчас применяются транзисторы, наращивающие вычислительную производительность микропроцессоров, с управляющим затвором 20 нанометров, хотя программисты пытаются добиться понижения до 5 нанометров. Для того, чтоб повысить работу, следует для вычислений применять не количество электронов, а поток фотонов – свет. Преимуществом такого использования является то, что частота волн оптического диапазона дает возможность добиться высшей степени параллелизации обработки и передачи данных. Также наблюдается стремительный процесс распределения фотонов, который равен скорости света и превосходит скорость распределения сигнала в проводе, не создавая помехи электромагнитного поля, вследствие сопротивления происходит потеря энергии.

В оптическом компьютере все расчеты будут выполняться с помощью фотонов, которые оснащены мини лазерами, и распространяются по чипу с помощью отражающей системы, при этом ученым необходимо создать оптический транзистор. Проводится большое количество исследований по всему миру с целью создания такого транзистора, но для этого требуется большое количество интенсивного светового потока, энергетических затрат. На данный момент не предоставляется возможным создание миниатюрных составляющих процессора, потому что минимальный размер волны для фотона содержит 600 нанометров – что является не возможным из-за большого размера. Однако, ученые пытаются создать плазменные команды – преобразовав частоту колебания световой волны в колебание электронов на металлическую поверхность. Это даст возможность уменьшить оптическую систему в 10 раз, при этом сохраняя все лучшие качества. Сейчас ученые ведут поиск соответствующего материала. [6]

Читайте также: