ОПТИЧЕСКИЕ КОМПЬЮТЕРЫ

ОПТИЧЕСКИЕ КОМПЬЮТЕРЫ

- интенсивноразрабатываемое в 1980 - 90-е гг. новое поколение вычислит. техники (компьютеров)на основе использования оптич. излучения в качестве носителя информации. <Составными частями О. к. служат устройства, к-рые формируют, передают, <преобразуют и осуществляют др. операции над информац. и управляющими световымипотоками. Применение оптич. излучения в качестве носителя информации имеетряд потенциальных преимуществ (по сравнению с электрич. сигналами) благодаряслед. свойствам световых потоков: 1) в линейной среде световые потоки невзаимодействуют между собой, проходя в непосредств. близости или даже пересекаясьдруг с другом; 2) световые потоки могут быть локализованы в поперечномнаправлении до субмикронных размеров и передаваться как по световодам, <так и по свободному пространству; 3) скорость распространения световогосигнала выше скорости электрического, зависящего от соотношения активныхи реактивных компонент проводимости тракта передачи; 4) взаимодействиесветовых потоков с нелинейными средами не локализовано, а распределеново всей среде, что даёт новые степени свободы (по сравнению с электроннымисистемами) в организации связей и создании параллельных архитектур.
Эти свойства делают О. к. способными преодолетьограничения по быстродействию и параллельной обработкеинформации, свойственныесовр. ЭВМ. Напр., цифровой оптич. процессор с числом параллельныхканалов ~10⁵ - 10⁶ может совершать до 10¹³- 10¹⁵ операций в секунду (при времени переключения в одномканале ~10^-8 - 10^-9 с), что значительно превосходитчисло операций в секунду в электронных системах.

Направление развития О. к. Проникновениеоптич. методов в вычислит. технику ведётся по трём осн. направлениям. Первоеосновано на использовании аналоговых оптич. вычислений (см. Памяти устройства )для решения большого класса спец. задач, связанных с необходимостьюбыстрого выполнения интегральных преобразований. Однако применение аналоговыхоптич. вычислений в универсальных вычислит. системах затруднено из-за недостаточнойточности аналоговых методов, накопления шумов в процессе обработки информац. <светового потока и из-за малого динамич. диапазона.
Второе направление связано с использованиемоптич. соединений трактов (оптич. соединений) для передачи сигналов наразл. ступенях иерархии элементов и устройств вычислит. техники. Местаэлектрич. соединений в совр. ЭВМ - наименее надёжные элементы в их конструкции. <Переход к гибридным (оптоэлектронным) системам - одно из возможных решенийпроблемы. При этом в конструкции компьютера неизбежно появляются новыеэлементы - оптоэлектронные преобразователи электрич. сигналов в оптическиеи обратно.
Построение О. к., в к-ром носителем информациина всех этапах её обработки и передачи является только оптич. излучение, <исключает необходимость многократного преобразования электрич. энергиив световую и обратно. В результате сокращаются энергетич. затраты, устраняютсямногочисл. преобразоват. элементы, увеличивается быстродействие. Развитиеэтого, третьего направления в разработке О. к. связано, в частности, ссозданием оптич. элементов вычислит, техники на основе явления оптическойбистабильности. Экспериментально реализованы полностью оптические логич. <устройства и усилители, комбинации к-рых позволяют создавать сложные информац. <системы. К таким устройствам относятся элементы булевой логики, трансфазоры- оптич. транзисторы, триггеры - они же ячейки запоминающих устройств, <и др.

Оптические логические устройства наоснове оптической бистабильности. Полный набор полностью оптическихлогич. устройств для синтеза более сложных блоков О. к. реализуется, напр.,на основе пассивных нелинейных резонаторов-интерферометров, в к-рых в результатесветоиндуциров. изменения оптич. длины происходит сдвиг пика пропускания(резонанса) относительно длины волны падающего излучения. В зависимостиот нач. условий (нач. положения пика пропускания и нач. интенсивности)в пассивном нелинейном резонаторе нелинейный процесс завершается установлениемодного из двух устойчивых состояний пропускания (отражения) падающего излучения.
На рис. 1( а) и 2( а) приведеныпередаточные характеристики бистабильного интерферометра (БИ) - зависимостиинтенсивности выходного сигнала (отражённого I _отр и прошедшего I _пр) от интенсивности сигнала на входе I _вх,складывающегося из сигнала подсветки I₀ и информац. сигнала I₁ или I₁ и I₂,. Если I₀+ I₁⁼ I _вкл - порогупереключения - происходит переход системы из состояния с высокой интенсивностьюна выходе ("1") в состояние с низкой интенсивностью на выходе ("0", рис.1, а )или наоборот (рис. 2, а). Вообще говоря, гистерезис, <характерный для оптич. бистабильности, в данном случае не обязателен. Важнолишь обеспечить достаточно большой перепад между высокой и низкой выходнымиинтенсивностями по отношению к изменению входной интенсивности, вызвавшейэтот перепад.

Рис. 1. Передаточная характеристика БИв отраженном пучке ( а) и схема с логической функцией "НЕ" ( б).

Рис. 2. Передаточная характеристика БИв проходящем пучке ( а) и схема устройства с логическими функциями"И", "НЕТ", "ДА" ( б).

Элемент "НЕ" (см. Логические схемы )реализуется с использованием отражённого от БИ потока (рис. 1, б).
Интенсивность I _вх устанавливаетсянесколько ниже порога переключения I _вкл, что соответствуетвысокой интенсивности отражённого сигнала. Незначит. добавка I₁ приводит к резкому уменьшению интенсивности I _отр, а снятие I₁ - к восстановлению высокого уровня I _отр.
На рис. 2( б) дана схема устройства, <представляющего собой по сути оптически программируемый элемент процессора, <в к-ром тот или иной вид логич. операции задаётся значением интенсивностиподсветки I₀. На БИ кроме подсветки подаются ещё дваинформац. пучка I₁ и I₂ и на выходерассматривается интенсивность проходящего пучка. Если интенсивность подсветкивыбрана такой, что I₀ = I _вкл - 0,5I₁ (рис. 2, а), то наличие сигнала хотя бы в одномиз информац. пучков переходит элемент в единичное состояние для проходящеголуча (логич. функция "ИЛИ"). При установке I₀I _вкл- 1 > 5 I₁ элемент включается лишь при одноврем. подачесигнала ("1") в обоих информац. каналах (функция "И"). Если выполняетсяусловие I₀ < I _вкл - - (I₁+ I₂), то при любой комбинации состояний I₁,I₂ на выходе имеет место низкий уровень интенсивности (ф-ция "НЕТ"). Наконец, <при I₀ > I _вкл БИ всегда остаётся привключённом состоянии (ф-ция "ДА"). Для отражённого потока в этой же схемеобеспечиваются также ф-ции "ИЛИ - НЕТ" и "И - НЕТ".
Такой набор элементов является достаточнымдля синтеза более сложных блоков. На рис. 3 даны нек-рые примеры организациивзаимодействия между отд. элементами. БИ с гистерезисной зависимостью (рис.3, а )действует как оптич. триггер с раздельными инверсными входамии выходами (рис. 3, б).

Рис. 3. Передаточная характеристика ( а )и схема триггера с раздельными инверсными входами и выходами ( б).

Чтобы получить RS- триггер, одиниз входных сигналов в схеме рис. 3( б) необходимо инвертировать.(RS -триггер имеет два входа и два устойчивых состояния, к-рые меняютсяпод действием входных сигналов, при этом обязательно попеременно то с одного, <то с другого входа.) Инвертирование можно сделать с помощью дополнит. элемента"НЕ" (рис. 4, а). В исходном состоянии интенсивность I₂ выбрана чуть ниже порога переключения элемента "НЕ", и уровень сигнала, <отражённого в направлении ТПИ ₁, высок. Его сумма с нач. интенсивностью I₁ за счёт регулировки последней соответствует примерноцентр. области гистерезисной петли. ТПИ ₁ находится в состояниис низким пропусканием (выключен). Манипуляции интенсивностью пучка I₂(R -вход) не могут изменить это состояние. Кратковременное же увеличениеинтенсивности I₁ (S -вход) приводит к включениюTПИ ₁. После этого ближайшим но времени всплеском сигнала I₂ триггер опрокидывается в исходное состояние.

Рис. 4. Схемы оптических RS -триггеров.

RS -триггер реализуется также и наоснове двух "скрещенных" устройств с ф-циями "НЕ" (рис. 4, б). Введённаяв систему жёсткая положит. обратная связь приводит к тому, что первый изэлементов устойчиво находится во включённом состоянии, если второй в выключенном, <и наоборот. По сравнению с предыдущей эта схема полностью симметрична, <но требует более тщательной юстировки.

Типы бистабильных устройств. Осн. <критериями, определяющими практич. использование оптических логич. устройствв вычислит. технике, являются их высокое быстродействие и малая световаяэнергия (мощность), необходимая для перевода устройства из одного устойчивогосостояния в другое. Для нелинейных пассивных резонаторов эти характеристикиопределяются в первую очередь величиной светоиндуциров. изменения показателяпреломления нелинейной среды, помещённой между зеркалами резонатора, идобротностью последнего. С учётом необходимости интегрально-оптич. исполненияоптических логич. элементов указанным критериям наилучшим образом отвечаютполупроводниковые материалы и структуры на их основе. Одной из таких структурявляются вакуумно-напылённые тонкоплёночпые полупроводниковые интерферометры(ТПИ). Напр., ТПИ с промежуточными слоями из ZnS, ZnSe обладают сильнойоптич. нелинейностью тепловой природы (.~10^-2) при потоках излучения ~10 мВт), способностью работатьв непрерывном режиме при комнатной темп-ре, малыми размерами отд. бистабильногоэлемента (толщина 0,5 - 2 мкм, диам. 4 - 50 мкм), возможностью формироватьдвумерные интегрально-оптич. схемы на площади ~10² см ²,свободой выбора длин волн излучения в видимой области спектра. Осн. недостаткомТПИ с тепловым механизмом нелинейности является ограниченное быстродействие(времена переключения ~10^-7 - 10^-8 с). Использованиеоптич. нелинейности электронной природы в ТПИ на основе GaAs, InP, ZnSeи др. полупроводниковых слоев позволяет достигать пикосекундного быстродействияв таких устройствах при уд. энергиях переключения устойчивых состояний~10^-13 - 10^-15 Дж/мкм ².
Увеличение нелинейного отклика в полупроводниковыхрезонаторах и их быстродействие достигается также при использовании в качественелинейной среды спец. структуры, сформированной тонкими чередующимисяслоями двух полупроводниковых материалов (напр., GaAs и Ca _хAl_{1- х}As).Границы раздела между слоями являются гетеропереходами, представляющимисобой потенциальные барьеры для движения носителей заряда в соседних слоях. <При полной оптич. толщине такой структуры, равной неск./2( - длина волныизлучения), толщины отд. слоев в ней имеют величину ~5 - 20 нм и, следовательно, <число чередующихся пар слоев может быть ~100 и более. Сформированная такимобразом полупроводниковая сверхрешётка имеет период, сравнимый схарактерными размерными параметрами квантовомеханич. движения носителейзаряда в полупроводниках, что приводит к ограничению этого движения в соответствующихнаправлениях. В результате в энергетич. спектре сверхрешётки возникаютособенности, обусловливающие отличие оптич. характеристик такой полупроводниковойструктуры от характеристик исходных полупроводниковых материалов, в т. <ч. формирование сильной оптич. нелинейности в ней при комнатных темп-pax.БИ, использующие, напр., нелинейное изменение показателя преломления вэкситонной области спектра в промежуточном слое на основе GaAs/Ga _хAl₁__xAs- свeрхрешётки, обладают временами переключения ~10^-8 - 10^-9 с и уд. энергиями переключения ~10^-12 - 10^-14 Дж/мкм ².Однако технология изготовления широкоапертурных БИ на основе сверхрешётокдостаточно сложна.
Для создания оптических логич. элементовнаряду с резонаторными используются также безрезонаторные системы, в к-рыхбистабильный отклик обусловлен нелинейным изменением коэф. поглощения средына длине волны падающего излучения (безрезонаторная бистабильность). Средитаких устройств лучшими характеристиками обладают бистабильные элементы, <созданные на основе сверх решёток и на основе стеклянных матриц, допированыхполупроводниковыми микрокристаллами с размерами ~10 - 100 нм.
Т. о., принципиально возможна реализациякомпьютеров полностью оптических, в к-рых используются как параллельнаяобработка информац. потоков широкоапертурными процессорами на основе бистабильныхоптич. элементов, так и оптич. средства организации связей между отд. элементамии процессорами, в т. ч. с использованием статистич. и динамич. голограмм.
Концепция полностью О. к., по-видимому, <наиб. адекватно соответствует естеств. ситуации, поскольку человек, являяськонечным потребителем информации, наиб. её объём получает в форме оптич. <образов.

Оптические нейронно-сетевые компьютеры. О. к. может значительно быстрее (на неск. порядков) решать вычислит. <задачи по заданному алгоритму (структуриров. задачи) прежде всего вследствиевысокого параллелизма. Однако при решении т. н. нерегулярных (случайных)задач, для к-рых трудно, практически невозможно, задать алгоритм, возникаютбольшие затруднения. Решение случайных задач по сути сводится к выборуодного из множества готовых решений, к-рое является наилучшим при имеющихсявходных данных. Для этого в памяти должна храниться совокупность такихрешений. Обычный компьютер не обладает способностью запоминать и извлекатьиз памяти информацию в виде готовых решений. Это свойственно человеческомумозгу и проявляется при решении задач, связанных с распознаванием образов(такие задачи относятся к случайным). Для моделирования процессов работымозга человека путём имитации его анатомич. нейронных структур предназначеныразрабатываемые в 80 - 90-е гг. нейронные (нейронно-сетевые) компьютеры. <Подобно мозгу, такие компьютеры должны состоять из большого числа несложныхпроцессорных элементов, между к-рыми имеются многочисл. перекрёстные связи. <Такие системы должны, так же как и мозг, обладать ассоциативной памятью, <способной при наличии на входе части всех признаков нек-рого объекта воспроизвестина выходе всю информацию о данном объекте. Вычисления в нейронных сетяхвыполняются "коллективно": в результате простых операций, выполняемых одновременноотд. нейронами, вся сеть в целом реализует более сложную ф-цию. При такойорганизации процесса вычислений информация может кодироваться и запоминатьсяне в отд. ячейках, а установлением определённой структуры связен междуними. Нейронно-сетевые компьютеры способны также к самопроизвольному обучению.
Нейронно-сетевой О. к. состоит из двухосн. компонентов. Это двумерная матрица оптич. переключающих (бистабильных)элементов (искусств. аналогов нейронов); состояния одних элементов изменяютсяв зависимости от состояния элементом, с к-рыми они соединены. С помощьюсветовых пучков каждый элемент этой матрицы может быть соединён со всемидругими. Второй компонент - голограмма, с помощью к-рой задаются различныесвязи между элементами. С помощью голограммы, объём к-рой равен 1 см ³,можно задать более 10⁹ связей. Нейронно-сетевые О. к. способны, <по-видимому, дать наилучшие результаты в задачах, связанных с принятиемрешений с целесообразно ограниченной точностью, т. е. в области информац. <деятельности, в наиб. степени свойственной человеческому мозгу.
О. к. - это одно из будущих поколенийвычислит. техники, конкретный вид к-рой будет определяться как новыми архитектурнымипостроениями, так и новой элементной базой.

Лит.: Эйбрэхом А., Ситон К. Т., Смит С. <Д., Оптический компьютер, "В мире науки", 1983, № 4, с. 15; "ТИИЭР", 1984,т. 72, № 7; Синицын Г. В., Полностью оптические элементы дискретной логикина основе бистабильных тонкопленочных интерферометров, "Квантовая электроника",1087, т. 14, № 3, с. 529; Абу - Мостафа Я. С., Псалтис Д., Оптические нейронно-сетевыекомпьютеры, "В мире науки", 1987, № 5, с. 42; Гиббс X. М., Оптическая бистабильность. <Управление светом с помощью света, пер. с англ., М., 1988; Optical computing,"Appl. Opt.", 1988, v. 27, № 9, p. 1641.

Ф. В. Kapпушенко.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.