XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

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

Введение

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].

Принцип работы

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].

Преимущество оптики

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].

Устройство

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]

Литература

https://revolution.allbest.ru/programming/00237798_0.html

https://bigenc.ru/physics/text/2692431

https://fb.ru/article/447241/opticheskiy-kompyuter-opisanie-printsip-rabotyi-preimuschestva

https://studopedia.ru/5_73012_osnovnie-printsipi-postroeniya-opticheskih-i-optiko-elektronnih-kompyuterov.html

https://fb.ru/article/447241/opticheskiy-kompyuter-opisanie-printsip-rabotyi-preimuschestva

https://temowind.ru/novosti/opticheskij-kompyuter/

Код для цитирования: Скопировать