оптические компьютеры

ОПТИЧЕСКИЕ КОМПЬЮТЕРЫ - интенсивно разрабатываемое 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 световыми потоками. Применение оптич. излучения в качестве носителя информации имеет ряд потенциальных преимуществ (по сравнению с электрич. сигналами) благодаря след. свойствам световых потоков: 1) в линейной среде световые потоки не взаимодействуют между собой, проходя в непосредств. близости или даже пересекаясь друг с другом; 2) световые потоки могут быть локализованы в поперечном направлении до субмикронных размеров и передаваться как по световодам, так и по свободному пространству; 3) скорость распространения светового сигнала выше скорости электрического, зависящего от соотношения активных и реактивных компонент проводимости тракта передачи; 4) взаимодействие световых потоков с нелинейными средами не локализовано, а распределено во всей среде, что даёт новые степени свободы (по сравнению с электронными системами) в организации связей и создании параллельных архитектур.
Эти свойства делают О. к. способными преодолеть ограничения по быстродействию и параллельной обработке информации, свойственные совр. ЭВМ. Напр., цифровой оптич. процессор с числом параллельных каналов ~10⁵ - 10⁶ может совершать до 10¹³ - 10¹⁵ операций в секунду (при времени переключения в одном канале ~10^-8 - 10^-9 с), что значительно превосходит число операций в секунду в электронных системах.

Направление развития О. к. Проникновение оптич. методов в вычислит. технику ведётся по трём осн. направлениям. Первое основано на использовании аналоговых оптич. вычислений (см. Памяти устройства)для решения большого класса спец. задач, связанных с необходимостью быстрого выполнения интегральных преобразований. Однако применение аналоговых оптич. вычислений в универсальных вычислит. системах затруднено из-за недостаточной точности аналоговых методов, накопления шумов в процессе обработки информац. светового потока и из-за малого динамич. диапазона.
Второе направление связано с использованием оптич. соединений трактов (оптич. соединений) для передачи сигналов на разл. ступенях иерархии элементов и устройств вычислит. техники. Места электрич. соединений в совр. ЭВМ - наименее надёжные элементы в их конструкции. Переход к гибридным (оптоэлектронным) системам - одно из возможных решений проблемы. При этом в конструкции компьютера неизбежно появляются новые элементы - оптоэлектронные преобразователи электрич. сигналов в оптические и обратно.
Построение О. к., в к-ром носителем информации на всех этапах её обработки и передачи является только оптич. излучение, исключает необходимость многократного преобразования электрич. энергии в световую и обратно. В результате сокращаются энергетич. затраты, устраняются многочисл. преобразоват. элементы, увеличивается быстродействие. Развитие этого, третьего направления в разработке О. к. связано, в частности, с созданием оптич. элементов вычислит, техники на основе явления оптической бистабильности. 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 на основе оптической бистабильности. Полный набор полностью оптических логич. устройств для синтеза более сложных блоков О. к. реализуется, напр., на основе пассивных нелинейных резонаторов-интерферометров, в к-рых в результате светоиндуциров. изменения оптич. длины происходит сдвиг пика пропускания (резонанса) относительно длины волны падающего излучения. В зависимости от нач. условий (нач. положения пика пропускания и нач. интенсивности) в пассивном нелинейном резонаторе нелинейный процесс завершается установлением одного из двух устойчивых состояний пропускания (отражения) падающего излучения.
На рис. 1(а) и 2(а) приведены передаточные характеристики бистабильного интерферометра (БИ) - зависимости интенсивности выходного сигнала (отражённого I_отр и прошедшего I_пр) от интенсивности сигнала на входе I_вх, складывающегося из сигнала подсветки I₀ и информац. сигнала I₁или I₁ и I₂,. Если I₀ + I₁ ⁼ I_вкл - порогу переключения - происходит переход системы из состояния с высокой интенсивностью на 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. Важно лишь обеспечить достаточно большой перепад между высокой и низкой выходными интенсивностями по отношению к изменению входной интенсивности, вызвавшей этот перепад.

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

Рис. 2. Передаточная характеристика БИ в 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 устанавливается несколько ниже порога переключения I_вкл, что соответствует высокой 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 интенсивности подсветки I₀. На БИ кроме подсветки подаются ещё два информац. пучка I₁ и I₂ и на выходе рассматривается интенсивность проходящего пучка. Если интенсивность подсветки выбрана такой, что I₀ = I_вкл - 0,5 I₁ (рис. 2, а), то наличие сигнала хотя бы в одном из информац. пучков переходит элемент в единичное состояние для проходящего луча (логич. функция "ИЛИ"). При установке I₀I_вкл - 1 > 5 I₁ элемент включается лишь при одноврем. подаче сигнала ("1") в обоих информац. каналах (функция "И"). Если выполняется условие 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 при включённом состоянии (ф-ция "ДА"). Для отражённого потока в этой же схеме обеспечиваются также ф-ции "ИЛИ - НЕТ" и "И - НЕТ".
Такой набор элементов является достаточным для синтеза более сложных блоков. На рис. 3 даны нек-рые примеры организации взаимодействия между отд. элементами. БИ с гистерезисной зависимостью (рис. 3, а)действует как оптич. триггер с раздельными инверсными входами и выходами (рис. 3, б).

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

Чтобы получить RS-триггер, один из входных сигналов в схеме рис. 3(б) необходимо инвертировать. (RS-триггер имеет два входа и два устойчивых состояния, к-рые меняются под 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 ТПИ₁, высок. Его сумма с нач. интенсивностью I₁ за счёт регулировки последней соответствует примерно центр. области гистерезисной петли. ТПИ₁ находится в состоянии с низким пропусканием (выключен). Манипуляции интенсивностью пучка I₂ (R-вход) не могут изменить это состояние. Кратковременное же увеличение интенсивности I₁ (S-вход) приводит к включению TПИ₁. После этого ближайшим но времени всплеском сигнала I₂ триггер опрокидывается в исходное состояние.

Рис. 4. Схемы оптических RS-триггеров.

RS-триггер реализуется также и на основе двух "скрещенных" устройств с ф-циями "НЕ" (рис. 4, б). Введённая в систему жёсткая положит. обратная связь приводит к тому, что первый из элементов 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. устройств в вычислит. технике, являются их высокое быстродействие и малая световая энергия (мощность), необходимая для перевода устройства из одного устойчивого состояния в другое. Для нелинейных пассивных резонаторов эти характеристики определяются в первую очередь величиной светоиндуциров. изменения показателя преломления нелинейной среды, помещённой между зеркалами резонатора, и добротностью последнего. С учётом необходимости интегрально-оптич. исполнения оптических логич. элементов указанным критериям наилучшим образом отвечают полупроводниковые материалы и структуры на их основе. Одной из таких структур являются вакуумно-напылённые тонкоплёночпые полупроводниковые интерферометры (ТПИ). Напр., ТПИ с промежуточными слоями из ZnS, ZnSe обладают сильной оптич. нелинейностью тепловой природы (п ~ 10^-2) при потоках излучения ~10 мВт), способностью работать в непрерывном режиме при комнатной темп-ре, малыми размерами отд. бистабильного элемента (толщина 0,5 - 2 мкм, диам. 4 - 50 мкм), возможностью формировать двумерные интегрально-оптич. схемы на площади ~10² см², свободой выбора длин волн излучения в видимой области спектра. Осн. недостатком ТПИ с тепловым механизмом нелинейности является ограниченное быстродействие (времена переключения ~10^-7 - 10^-8 с). Использование оптич. нелинейности электронной природы в ТПИ на основе GaAs, InP, ZnSe и др. полупроводниковых слоев позволяет достигать пикосекундного быстродействия в таких устройствах при уд. энергиях переключения устойчивых состояний ~10^-13 - 10^-15 Дж/мкм².
Увеличение нелинейного отклика в полупроводниковых резонаторах и их быстродействие достигается также при использовании в качестве нелинейной среды спец. структуры, сформированной тонкими чередующимися слоями двух полупроводниковых материалов (напр., GaAs и Ca_хAl_1-хAs). Границы раздела между слоями являются гетеропереходами ,представляющими собой потенциальные барьеры для движения носителей заряда в соседних слоях. При полной оптич. толщине такой структуры, равной неск./2 ( - длина волны излучения), толщины отд. слоев в ней имеют величину ~5 - 20 нм и, следовательно, число чередующихся пар слоев может быть ~100 и более. Сформированная таким образом полупроводниковая сверхрешётка имеет период, сравнимый с характерными размерными параметрами квантовомеханич. движения носителей заряда в полупроводниках, что приводит к ограничению этого движения в соответствующих направлениях. В результате в энергетич. спектре сверхрешётки возникают особенности, обусловливающие отличие оптич. характеристик такой полупроводниковой структуры 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 в экситонной области спектра в промежуточном слое на основе GaAs/Ga_хAl₁__xAs - сверхрешётки, обладают временами переключения ~10^-8 - 10^-9 с и уд. энергиями переключения ~10^-12 - 10^-14 Дж/мкм². Однако технология изготовления широкоапертурных БИ на основе сверхрешёток достаточно сложна.
Для создания оптических логич. элементов наряду с резонаторными используются также безрезонаторные системы, в к-рых бистабильный отклик обусловлен нелинейным изменением коэф. поглощения среды на длине волны падающего излучения (безрезонаторная бистабильность). Среди таких устройств лучшими характеристиками обладают бистабильные элементы, созданные на основе сверх решёток и на основе стеклянных матриц, допированых полупроводниковыми микрокристаллами с размерами ~10 - 100 нм.
Т. о., принципиально возможна реализация компьютеров полностью оптических, в к-рых используются как параллельная обработка информац. потоков широкоапертурными процессорами на основе бистабильных оптич. элементов, так и оптич. средства организации связей между отд. элементами и процессорами, в т. ч. с использованием статистич. и динамич. голограмм.
Концепция полностью О. к., по-видимому, наиб. адекватно соответствует естеств. ситуации, поскольку человек, являясь конечным 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 вследствие высокого параллелизма. Однако при решении т. н. нерегулярных (случайных) задач, для к-рых трудно, практически невозможно, задать алгоритм, возникают большие затруднения. Решение случайных задач по сути сводится к выбору одного из множества готовых решений, к-рое является наилучшим при имеющихся входных данных. Для этого в памяти должна храниться совокупность таких решений. Обычный компьютер не обладает способностью запоминать и извлекать из памяти информацию в виде готовых решений. Это свойственно человеческому мозгу и проявляется при решении задач, связанных с распознаванием образов (такие задачи относятся к случайным). Для моделирования процессов работы мозга человека путём имитации его анатомич. нейронных структур предназначены разрабатываемые в 80 - 90-е гг. нейронные (нейронно-сетевые) компьютеры. Подобно мозгу, такие компьютеры должны состоять из большого числа несложных процессорных 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 воспроизвести на выходе всю информацию о данном объекте. Вычисления в нейронных сетях выполняются "коллективно": в результате простых операций, выполняемых одновременно отд. нейронами, вся сеть в целом реализует более сложную ф-цию. При такой организации процесса вычислений информация может кодироваться и запоминаться не в отд. ячейках, а установлением определённой структуры связен между ними. Нейронно-сетевые компьютеры способны также к самопроизвольному обучению.
Нейронно-сетевой О. к. состоит из двух осн. компонентов. Это двумерная матрица оптич. переключающих (бистабильных) элементов (искусств. аналогов нейронов); состояния одних элементов изменяются в зависимости от состояния элементом, с к-рыми они соединены. С помощью световых пучков каждый элемент этой матрицы может быть соединён со всеми другими. Второй компонент - голограмма, с помощью к-рой задаются различные связи между элементами. С помощью голограммы, объём к-рой равен 1 см³, можно задать более 10⁹ связей. Нейронно-сетевые О. к. способны, по-видимому, дать наилучшие результаты в задачах, связанных с принятием решений с целесообразно ограниченной точностью, т. е. в области информац. деятельности, в наиб. степени свойственной человеческому мозгу.
О. к. - это одно из будущих поколений вычислит. техники, конкретный вид к-рой будет определяться как новыми архитектурными построениями, 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 логики на основе бистабильных тонкопленочных интерферометров, "Квантовая электроника", 1087, т. 14, № 3, с. 529; Абу - Мостафа Я. С., Псалтис Д., Оптические нейронно-сетевые компьютеры, "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. Kарпушенко.