ОПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССОРЫ06.07.2024 20:15

Все мы понимаем, что рано или поздно кремниевая технология, используемая сегодня для создания процессоров, достигнет своего предела. Это как с нефтью — рано или поздно она закончится — вот поэтому уже сейчас начинают разрабатывать альтернативные энергетические технологии! Точно такая же ситуация сложилась и в мире информационных технологий — кремниевой технике начинают искать замену. Бегущие по проводникам, как танки, электроны довольно непрактичны — как минимум теряется значительная часть их энергии, выделяясь в виде тепла и электромагнитного излучения, хотя это не единственный минус. 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. Сегодня мы поговорим об этом чуде рук человеческих.

Рассмотрим преимущества оптической технологии:

· Можно параллельно передавать двумерные массивы за один световой импульс.

· Возможность использования совершенно разных сред передачи, хранения и обработки информации.

· Обработка информации возможна во время ее передачи через оптическую систему, которая представляет собой вычислительную среду. Представляете, вы отправили картинку для ее обработки — она будет обработана почти мгновенно, потому что она обрабатывается по мере ее прохождения через оптическую систему.

· Информация, которая закодирована оптическим лучом, может передаваться со скоростью света без выделения большого количества энергии на логических элементах! 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.

Основные элементы оптических процессоров с переносом изображения давно известны. Это — линза, зеркало, оптический транспарант (транспарант — прозрачная пластина, на которой каким-либо способом нанесено изображение, представляющее собой пространственное распределение коэффициента поглощения, коэффициента преломления (или толщины) или же того и другого одновременно) и слой пространства. В настоящее время к ним добавились волновые элементы, а также лазеры, полупроводниковые многоэлементные фотоприемники, нелинейные оптические среды, разного рода дефлекторы и светоклапанные устройства.

Базисная логическая функция, с помощью которой можно построить любой, сколь угодно сложный цифровой компьютер, имеет множество оптических реализаций. На рисунке 1 дан простой пример построения многовходовой функции ИЛИ-НЕ/И-НЕс помощью линзы Lи порогового устройства-инвертора N.

Рисунок 1 – Построение функции ИЛИ-НЕ/И-НЕ

Рисунок 1 — Построение функции ИЛИ-НЕ/И-НЕ

Здесь в качестве порогового элемента можно использовать как оптическое светоклапанное устройство (переключающаяся бистабильная среда), так и простой фотоэлектронный приемник с нелинейной передаточной характеристикой (т.е. нелинейной зависимостью интенсивности выходного светового потока от входного).

На рисунке 2 показан оптический процессор, реализующий преобразование входной вектор-строки в выходной вектор-столбец.

Рисунок 2 – Преобразование вектор-строки в вектор-столбец.

Рисунок 2 — Преобразование вектор-строки в 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. Она собирает лучи, прошедшие через элементы одной строки, на одном пикселе многоэлементного фотоприемника D. Не трудно увидеть, что входной Хи выходной Увектора связаны линейным преобразованием

У = ТХ.

В оптической системе возможна также обработка двумерных структур. На рисунке 3 представлена схема оптического процессора, реализующего операцию свертки двух изображений, которая лежит в основе работы многих устройств ассоциативной памяти и распознавания образов.

Рисунок 3 – Свертка изображений.

Рисунок 3 — Свертка изображений.

Здесь S — плоский однородный источник света, L1и L2– сферические линзы, D — матричный фотоприемник, T1и T2– транспаранты, пропускание которых соответствует двум обрабатываемым изображениям.

Распределение интенсивности излучения на матричном фотоприемнике пропорционально интегралу:

Интеграл преобразования.

В предыдущих примерах свет выполнял ту роль, что и электроны в проводниках обычных микросхем. При этом в качестве «проводов» выступали геометрические лучи. Понятно, что с таким же успехом свет можно загнать в волновод и организовать вычислительную среду по принципам, близким к идеологии электронной полупроводниковой микросхемотехники. Этим занимается интегральная и волновая оптика.

Принципиально новые возможности дает использование свойств пространственной когерентности излучения. Так, в когерентной оптике легко реализуются следующие математические операции над комплексными функциями двух переменных: умножение и деление, сложение и вычитание, интегрирование и дифференцирование, вычисление свертки и корреляции, преобразование Фурье, преобразование Гильберта, преобразование Френеля и ряд других, можно показать, что даже с помощью только двух базовых операций умножения и преобразования Фурье можно выполнить целую серию других (сложение и вычитание, дифференцирование, интегрирование с весом, свертка, изменение масштаба аргумента функции, восстановление функции из ее спектральной плотности и др.).

Структура когерентного оптического процессора, так называемая 4F-схема, приведена на рисунке 4. Здесь LS– лазерная осветительная система, формирующая широкий пучок когерентного излучения. T1иT2– амплитудно-фазовые транспаранты, модулирующие фазу и амплитуду проходящей световой волны. L1и L2– сферические линзы с фокусным расстоянием F. Результирующий сигнал считывается матричным фотоприемником D.

Рисунок 4 – Когерентный оптический процессор.

Рисунок 4 — Когерентный оптический процессор.

Распределение амплитуды светового поля в плоскости фотодетектора пропорционально свертке амплитудного пропускания первого транспаранта с Фурье-образом амплитудного пропускания второго транспаранта. Процессоры такого типа используются в качестве комплексных пространственных фильтров в системе улучшения качества изображения, а также в системах распознавания образов.

Фурье-спектр двумерного сигнала вычисляется с помощью линзы Lи слоя пространства длиной Fтак, как показано на рисунке 5. Остальные элементы предназначены для ввода-вывода данных и освещения системы.

Рисунок 5 – Вычисление Фурье-спектра двумерного сигнала.

Рисунок 5 — Вычисление Фурье-спектра двумерного сигнала.

Для обычного компьютера, использующего быстрый алгоритм Кули-Тьюки, длительность Фурье-преобразования растет с ростом точек дискретизации nпропорционально: n log (n). В оптическом компьютере эта процедура даже в двумерном случае выполняется всего за один машинный такт, что делает оптический компьютер незаменимым для решения задач, требующих быстрой оценки ситуации и управления в реальном времени.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://bsfp.media-security.ru/science/index.htm

Иркутский Филиал Института Лазерной Физики СО РАН. Малов С.Н. Роль диффузионной подсветки при вычитании изображений фазовых объектов.

2. Новые материалы оптической информатики, фотонные кристаллы, оптическая память: 2002 № 7. Санкт-Петербургский Государственный Университет. Задворкин А.В. Оптические компьютеры, способ обработки информации.

3. webmaster@media-security.ru. Проблемы и задачи оптической обработки информации. Гуревич С. Б., Соколов В. К.