Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические

века. Создание оптических процессоров не афишировалось, поскольку все процессоры создавались и создаются по кремниевой технологии.
Началу работ предшествовали несколько достижений в области оптических квантовых генераторов – лазеров. Целью не стояло заменить кремниевую технологию более совершенной, а просто ради интереса создать альтернативный тип процессора.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

получили Нобелевскую премию за изобретение оптических квантовых генераторов. А в 1971 году Д. Габор получил премию за изобретение голографического метода.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

и нелинейной оптики. Простейшие оценки показывали возможность создания компьютеров, производительность которых на много порядков превышала бы возможности ЭВМ.
Однако в процессе разработок была потеряна истинная цель – создание исключительно оптического компьютера, и ныне основой практически всех реально действующих оптических компьютеров является оптоэлектроник.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

выполнение логических и арифметических операций с очень высоким быстродействием.
Второе поколение было представлено компьютером DOC-II (digital optical computer).

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

оптический процессор, причем это была не демонстрационная модель, как в 1990-ом году, а коммерческий продукт, который можно было купить.
Процессор назывался EnLight256, его производительность составляет 8 тераоп (триллионов арифметических операций в секунду). Операции выполняются за счет манипуляции потоков света, а не электронов, поэтому достигается такая производительность. 

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

Processor), превосходящий в три раза лучшие электронные DSP. Вообще-то, если уже быть предельно точным, то EnLight256 – это гибридный оптический процессор – он не весь полностью оптический, а содержит преобразователи. В нем изменено только ядро (ведь все остальное остается таким же – электрическим), но получен 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-байтное число на матрицу 256х256.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

Возможность одновременной, параллельной работы с различными длинами волн.
Возможность использования прозрачных сред для хранения, обработки и коммутации информации (в прозрачной среде информация, закодированная оптическим лучом, может обрабатываться без затрат энергии! ).
Обработка информации в оптическом компьютере может осуществляться как в процессе переноса изображения через оптическую систему, реализующую вычислительную среду, так и путем осуществления переключений в так называемом оптическом транзисторе .
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.
Оптическая система ничего не излучает во внешнюю среду, обеспечивая защиту компьютера от перехвата информации.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

(переключающаяся, бистабильная
оптическая среда), так и простой
фотоэлектронный приемник с нелинейной передаточной характеристикой (то есть нелинейной зависимостью интенсивности выходного светового потока от входного).

Новая элементная база

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

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

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.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

L2 - сферические линзы,
D - матричный фотоприемник,
T1 и T2 - транспаранты, пропускание которых соответствует двум обрабатываемым изображениям.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

Схема оптического процессора, реализующего операцию свертки двух изображений, которая лежит в основе работы многих устройств ассоциативной памяти и распознавания образов.

оптического процессора, так называемая 4F-схема.

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.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

их из объектива, хранить на кассете 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.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

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

управляет опорный луч. Считываемая информация фокусируется в плоскости многоэлементного матричного фотоприемника.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

Примерное устройство оптической памяти с объемной голографической средой.

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. Использование оптического канала для организации "междучипового" обмена позволяет на порядок сократить задержку распространения сигнала.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

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).

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

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. Стоимость оптического компьютера довольно велика. Главные области его использования - военная техника, криминология, защита информации, банковская сфера, а также научные исследования. Одним из ведущих координаторов работ является известное Агентство по передовым оборонным исследовательским проектам - DARPA. То самое Агентство, которое стояло у истоков Bitnet, прототипа Интернета. Исследования и разработки ведутся также в интересах ВВС, ВМС, НАСА, и других. Решаемые задачи: машинное зрение, искусственный интеллект, распознавание и одновременное сопровождение сотен и тысяч целей, навигация, контроль земной поверхности, связь.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

подлинности кредитных карт, паспортов и других важных документов. 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.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

оптическая схема. 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 400 миллионов знаков в секунду.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

исследованиям, проведённым её инженерами, в области передачи информации через опто-волокно.
Новый нанолазер выступит генератором импульсов, на которых будут работать все остальные устройства. Также эти нанолазеры могут использоваться в электрических компьютерах, для преобразования электрических сигналов в оптические и передаче их от переферийных устройств к CPU и в обратную сторону, и для передачи информации в обычных оптоволоконных сетях на ещё более высоких скоростях.
Генератор использует углеродные нанотрубки, созданные из пересекающихся гексагональных углеродных колец.
Оптический компьютер теоретически может выполнять вычисления со скоростью света (правда, только скорость света в средах, таких как стекло). Это позволит увеличить производительность компьютеров. Кроме того, световые импульсы, выделяют меньше тепла, что является очевидным «плюсом» перед электрическими схемами.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы

обычных электрических транзисторах, ввиду их высокой проводимости, прочности и гибкости.
Компания IBM имеет значительные продвижения в области систем хранения и разрабатывает аналоговый транзистор, который является ключевым конструкционным компонентом процессора.

Афанасьев Сергей А-13-08 Оптические компьютеры и устройства ЭВМ, использующие оптические элементы