XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Идея использования квантов света (фотонов) в принципиальных узлах вычислительных машин появилась одновременно с изобретением лазеров - оптических квантовых генераторов - и уже несколько десятилетий исследователи и конструкторы успешно создают отдельные узлы электронно-вычислительных систем с использованием оптических технологий. Фотоны, являющиеся основными носителями информации в оптическом компьютере, по своим физическим характеристикам принципиально отличаются от электронов.

Оптические компьютеры (ОК)[1] - интенсивно разрабатываемые в 1980 - 90- е гг. поколение вычислительных машин на основе использования оптич. излучения в качестве носителя информации. Составными частями ОК служат устройства, которые формируют, передают, преобразуют и осуществляют другие операции над информационными и управляющими световыми потоками.

Все эти преимущества достигаются благодаря тому, что в качестве носителей информации используются фотоны, а не электроны.

Проникновение оптических методов в вычислительную технику ведётся по трём основным направлениям. Первое основано на использовании аналоговых оптических вычислений для решения большого класса спецециальных задач, связанных с необходимостью быстрого выполнения интегральных преобразований. Однако применение аналоговых оптических вычислений в универсальных вычислительных системах затруднено из-за недостаточной точности аналоговых методов, накопления шумов в процессе обработки информационного светового потока и из-за малого динамического диапазона.

Второе направление связано с использованием оптических соединений трактов для передачи сигналов на различных ступенях иерархии элементов и устройств вычислительной техники. Места электрического соединений в современных 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 электрических сигналов в оптические и обратно с потерями до 30 %.

Третье направление в разработке ОК связано с созданием оптических элементов на основе явления оптической бистабильности. Экспериментально реализованы полностью оптические логические устройства и усилители, комбинации которых позволяют создавать сложные информац. системы. К таким устройствам относятся элементы булевой логики, трансфазоры - оптические

транзисторы, триггеры - они же ячейки запоминающих устройств, и др. Построение ОК, в котором носителем информации на всех этапах её обработки и передачи является только оптическое излучение, исключает необходимость многократного преобразования электрической энергии в световую и обратно.

В современном электронном компьютере можно отметить следующие оптические узлы и элементы: устройства ввода информации – оптический сканер, оптическая мышь; устройства обмена информацией – инфракрасный порт, оптоволокно; устройства вывода информации – лазерный принтер, дисплей, голографический (объемный) дисплей; устройства памяти – долговременная память на перезаписываемых оптических дисках, магнитооптические диски, голографические диски.

Компания Intel в 2004 г. анонсировала программу Silicon Photonics ориентированную на создание оптических узлов, встраиваемых в процессор, – лазеров, модуляторов, мультиплексоров и демультиплексоров с использованием интегральной кремниевой технологии.

В 2003 году компания Lenslet (www.lenslet.com) создала первый в мире коммерческий оптический процессор, предназначенный для увеличения вычислительной мощности электронных процессоров. Процессор назывался EnLight 256, его производительность составляет 8 терагерц ( 8 .1012 арифметических операций в секунду). Операции выполняются за счет манипуляции потоков света, а не электронов, поэтому достигается такая производительность. Оптические технологии в первую очередь ориентированы (по крайней мере, сейчас) на промышленное производство, военную технику – там, где нужно в реальном времени обрабатывать большие потоки информации.

Оптический процессор – устройство в виде совокупности оптических и оптико-электронных элементов выполняющее в соответствии с заданным алгоритмом оптическую обработку информации. Оптические процессоры подразделяются на аналоговые и цифровые. Аналоговые оптические процессоры состоят из линз, зеркал, призм, нескольких пространственно временных модуляторов света. Они применяются для выполнения преобразований Фурье и Френеля, умножения над двумерными функциями, выделения сигналов из шумов. Цифровые оптические процессоры состоят из одного или нескольких пространственно временных модуляторов света и волоконно-оптических элементов. Алгоритм обработки информации подобен алгоритму в универсальных компьютерных программах, предназначенных для использования в высокопроизводительных комплексах.

 Оптические технологи

Оптические логические устройства на основе оптической бистабильности [1]

Полный набор полностью оптических логич. устройств для синтеза более сложных блоков ОК реализуется, например, на основе пассивных нелинейных резонаторов-интерферометров, в которых в результате светоиндуцированного изменения оптической длины происходит сдвиг пика пропускания (резонанса) относительно длины волны падающего излучения. В зависимости от начального положения пика пропускания и начальной интенсивности в пассивном нелинейном резонаторе нелинейный процесс завершается установлением одного из двух устойчивых состояний пропускания (отражения) падающего излучения.

Гистерезис, характерный для оптической 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.

Типы бистабильных устройств. Основными критериями, определяющими практическое использование оптических логических устройств в вычислительной 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 светоиндуцировванного изменения показателя преломления нелинейной среды, помещённой между зеркалами резонатора, и добротностью последнего. С учётом необходимости интегрально- оптического исполнения оптических логических элементов указанным критериям наилучшим образом отвечают полупроводниковые материалы и структуры на их основе.

Первые цифровые оптические компьютеры

В 1984 году Б. Дженкинс из Университета Южной Калифорнии продемонстрировал первый цифровой оптический компьютер, выполнявший достаточно сложную последовательность команд. Основным элементом компьютера являлся жидкокристаллический пространственный модулятор, на заднюю поверхность которого был нанесен фотопроводник. При падении света на фотопроводник локально изменяется потенциал, воздействующий на жидкий кристалл и приводящий к изменению пропускания элемента. Используя управляющий луч с одной стороны устройства и считывающий луч с другой стороны, возможно создание бистабильного логического элемента и реализация булевской логики. Следует отметить, что быстродействие данного устройства определялось инерционностью жидкого кристалла, и граничная частота следования импульсов составляла ~ 1 МГц.

Основу процессора разработанного оптического компьютера составляли двумерные матрицы бистабильных элементов (размерностью 4х8) на основе квантоворазмерных полупроводниковых структур, обладающих нелинейными электрооптическим свойствами (self-electro-optic-effect devices - SEED).

Первый оптический компьютер состоял из 4 каскадов и располагался на оптической плите размером I х I м2 (см. рис.5). Пространственное распределение излучения на выходе каждого из каскадов компьютера определялось состоянием входящей в его состав жидкокристаллической маски, управляемой обычным компьютером и распределением света на его входе. Освещение элементов производилось полупроводниковым лазером через голографическую решетку Даммена. Мощность излучения лазера составила 10 мВт, длина волны 850 нм.

Важным достоинством первого оптического компьютера явилась возможность последовательного объединения его отдельных каскадов благодаря искусственному аналогу эффекта внутреннего усиления.

Параметры системы были следующие: разрядность – 32 бита (массив 4х8); логика – бинарная; тактовая частота – 1,1 МГц (определялась быстродействием ЖК маски); число переключений в секунду – 40 Мб/c. Одним из достижений данного процессора была величина энергии на одно переключение, которое составляла 20 фДж и была на 6 порядков меньше величины энергии переключения в электронных компьютерах того времени.

В устройстве планировалось использовать входную матрицу VCSEL-лазеров, соединенную планарными волноводами и обычной оптикой с матрицами переключения, на основе дифракционных оптических элементов, и выходную систему, состоящую из матрицы лавинных фотодиодов, совмещенную с матрицей вертикально-излучающих диодов. В модуле используются технологии CMOS, Bi- CMOS, GaAs, оптические межсоединения организованы с использованием свободного распространения световых пучков. В итоге получается квазичетырехмерная структура. Опытные образцы показали производительность 4.096 Тб∙с-1, а оценки показывают, что данная система способна развить скорость 1015 операций в секунду с энергией менее 1 фДж на одно переключение.

Однако, в связи с мировым кризисом фотоники и рынка волоконных линий связи работы были прекращены. В 2005г. фирма Opticomp Corporation разработала новый интегральный оптический элемент, состоящий из матрицы VCSEL-лазеров и фотодетекторов, соединенных волноводом, и планирует использовать данные устройства, как для обработки информации, так и для создания свербыстрых переключателей в сверхплотных волоконных линиях связи.

Аналоговые оптические вычисления

Когда речь идет об аналоговых оптических компьютерах, часто термин

«аналоговый» употребляется в двух смыслах. Во-первых, он означает непрерывную величину, характеризующую каждую точку в окружающем пространстве (например, интенсивность света). Другими словами, какую бы точку в пространстве мы ни взяли, интенсивность света в этой точке изменяется непрерывно. Во-вторых, термин «аналоговый» означает, что объектом являются все точки непрерывных координат, а не дискретное (точечное) представление всей информации в окружающем пространстве, как это делается при обработке изображений в современных компьютерах.

Основными операциями аналогового оптического компьютера являются только две операции - сложение и умножение, однако одни лишь эти операции не позволяют выполнять сложные вычисления. Необходимо воспользоваться другими свойствами света, такими как преломление (рефракция) и дифракция, лежащими в основе работы линз и дифракционных элементов (решеток, голограмм).

Аналоговая операция инвертирования и масштабирования произведена со скоростью света. Такая операцию с данным оптическим изображением (имеющим размер 6х12 см, обладающим 60000х120000 элементами разрешения, требует минимально 7,2 Гб, используя программу, например, Adobe Photoshop).

Аналоговые процессоры

В качестве практического использования аналоговых вычислений с использованием оптического Фурье-преобразования отметим следующие модели компьютерных систем:

В качестве другого примера практического использования аналоговых оптических компьютеров рассмотрим операционные устройства, выполняющие операции с множеством аналоговых числовых данных.

Элементная база Enlight256

Гибридный характер вычислителя требует двух процедур преобразования -- "цифры в значение" и "значения в цифру". Оконечный элемент цепей трансформации 8-битного числа в интенсивность светового потока в Enlight -- лазерный диод специального исполнения, так называемый VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser -- лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором). Этот полупроводниковый прибор оригинален сам по себе: в отличие от "обычных" лазерных диодов, излучающих "с торца" кристалла, VCSEL обладает рядом достоинств -- он одновременно технологичнее и дешевле стандартных лазерных диодов.

Распределенные рефлекторы Брэгга" -- состоящие из десятков слоев полупроводниковые структуры, формирующие "зеркало" с отражательной способностью свыше 99,99% и излучает более "качественный" луч (в сечении -- практически идеальный круг). Множество VCSEL можно разместить на одном кристалле. Именно такая линейка из 256 лазерных излучателей и является одним из "регистров" оптического АЛУ (арифметико-логического устройства) процессора Enlight. Второй "регистр" фактически играет роль одновременно и регистра, и АЛУ.

Название функционального вычислителя -- пространственный оптический модулятор на основе многоквантовой ямы (MQWSLM -- Multi-Quantum Well Spatial Light Modulator). В реальном исполнении это также однокристальная микросхема, содержащая матрицу однопиксельных модуляторов. В Enlight256 MQWSLM представляет собой пиксельную матрицу 256 x 256, работающую "на отражение". Она позволяет электрически управлять интенсивностью проходящего через каждый пиксель света (в более общем случае пространственные модуляторы могут изменять разные параметры проходящей волны, а не только интенсивность).

Главная отличительная черта матрицы-модулятора Enlight -- низкая инерционность, допускающая изменение "элементов матрицы" управляющими напряжениями с частотой порядка нескольких мегагерц.

Последний элемент -- естественно, светочувствительный, обеспечивающий возврат световых потоков к электрическим напряжениям и токам. Он так же, как и "входной преобразователь", выполнен в виде линейки, содержащей 256 фотодиодов.

Принцип действия вычислительного ядра Enlight 256

Излучение каждого из 256 лазерных диодов линейки "входного преобразователя" проецируется на соответствующий "столбец" пикселов матрицы MQWSLM. Прошедшее через матрицу излучение попадает на линейку фотодиодов -- каждый фотодиод принимает излучение от соответствующей строки матрицы. Результирующая энергия, полученная фотодиодами, как раз и является результатом "выполнения процедуры" умножения вектора на матрицу.

В остальном Enlight не сильно отличается от обычных цифровых процессоров:

-высокоскоростные формирователи внешних шин,

-встроенный "кэш" для быстрой загрузки векторов,

-и прочие "цифровые артефакты".

Очевидное узкое место в такой архитектуре -- естественно, внешние шины.

Существует множество задач, специфика решения которых предъявляет исключительно высокие требования именно к производительности процессора, при этом потоки обрабатываемой информации могут быть "скромными" (в кавычках, потому что все-таки полоса пропускания у внешних шин Enlight -- 32 Gbps).

Оптический процессор имеет всё необходимое, чтобы его использование стало тривиальной технической задачей -- начиная от стандартных шин и аппаратной поддержки отладки и заканчивая полным комплектом ПО, включающим практически весь необходимый набор -- от программного симулятора и компиляторов до средств высокоуровневого проектирования и оценки эффективности алгоритмов.

Оптические процессоры нечеткой логики

В настоящее время при разработке интеллектуальных систем, в том числе, для задач контроля и управления, большое внимание уделяется реализации операций нечеткой логики (НЛ), которая рассматривается как наиболее адекватное на сегодня математическое описание присущих человеку особенностей мышления. В силу того, что НЛ предъявляет повышенные требования к вычислительной мощности и объему памяти процессора, разработчики процессоров НЛ проявляют повышенный интерес к оптическим информационным технологиям. Работы в этом направлении ведутся как в ряде университетов, так и инновационными фирмами.

Традиционно, процессоры делят на две группы:

1. описанные выше логические процессоры, реализующие строго определенный набор логических операций.

2. системы логического вывода, известные также под термином «нечеткая ассоциативная память», реализующие более сложные операции, относящиеся к классу нечетких ассоциаций.

Можно выделить также два подхода к созданию оптических процессоров нечеткой логики.

Первый основан на использовании таких имманентных свойств оптики, как параллелизм представления и обработки информации – в рамках этого подхода часто реализуются ранее разработанные математические модели, не учитывающие специфики оптической реализации. В данном случае оптика выступает как технология, обеспечивающая выигрыш универсального вычислителя в мощности за счет параллелизма обработки двумерных массивов информации.

В рамках первого класса систем предложены различные архитектуры, использующие матричные источники и приемники излучения - как линейки, так и двумерные матрицы, более сложные схемы на их основе, в том числе, комбинированные с системой памяти, системы распознавания и морфологической обработки изображений. В России работы по созданию оптико-электронных процессоров ведутся, например, в ФИАН им. Лебедева (А.Ю. Быковский) совместно в ВЦ РАН и МЭИ (А.Н. Аверкин), разработка запатентована. Эти системы, как правило, реализуют уже существующие математические модели.

Второй подход основан на учете в модели реальных свойств, используемых фундаментальных физических явлений, определяющих как специфические особенности, так и ограничения, накладываемые на модель.

Больший интерес представляют системы из второго класса, реализующие правило логического вывода «Обобщенный Modus Ponens». В этих системах используется, в том числе, и свойство Фурье-преобразования порождать нечеткость как свойство математической конструкции и, соответственно, методы Фурье-оптики. Например, в некоторых работах используется пространственно- неинвариантный коррелятор совместного преобразования для независимого вычисления функции принадлежностей ассоциаций входа с каждым из эталонных значений. Фурье-оптика используется для генерации набора значений функции принадлежности, соответствующих результату применения каждого логического правила к входному значению.

Отметим, что подход к разработке процессора исходя из примата физической обоснованности математической модели привел к формированию алгебры логики, основанной на Фурье-дуальности определяющих операций.

C 2005г. в научной периодике существенно уменьшилось количество информации о работах по оптическим процессорам нечеткой логики – пик публикаций по этой тематике пришелся на вторую половину 80-х годов ХХ века. Вероятно, это связано с переходом работ в стадию инновационных разработок и соответственно, закрытием коммерческой информации. В пользу этой версии говорит то, что в собственно научном плане вопрос был разработан достаточно глубоко и уровень научной проработки достаточен для перехода к разработке технологий. Разработки коммерческих продуктов в смежных областях (оптические логические процессоры и вентили, системы оптической памяти) ведут такие известные своими инновационными разработками фирмы как Highland Technology, Inc., Physical Optics Corp., InPhase Technologies, Digital Optical Technologies (Somerville, MA), INTEL.

Появился интерес к использованию голографических технологий к логическим процессорам, совмещенным с голографическими запоминающими устройствами. Перспективное направление – разработка нейро-нечетких устройств, объединяющих гибкость и адекватность нечетких логик с вычислительной мощностью и способностью к самообучению искусственных нейронных сетей. Прогресс в развитии систем искусственного интеллекта актуализировал задачу интеграции в одном устройстве двух форм мышления, соответствующих функциональному разделению полушарий мозга – логического и образного. Оптические (голографические) технологии представляются перспективными потому, что обработка изображений - это обработка образов. Логико-алгебраическое описание оптических схем и реализация логических операций оптическими методами, достигли достаточного уровня развития.

Оптические нейронно-сетевые компьютеры [1]

ОК может значительно быстрее (на несколько порядков) решать вычислительные задачи по заданному алгоритму (структурированные задачи) прежде всего вследствие высокого параллелизма. Однако при решении нерегулярных (случайных) задач, для которых практически невозможно, задать алгоритм, возникают большие затруднения. Решение случайных задач по сути сводится к выбору одного из множества готовых решений, которое 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 анатомических нейронных структур разрабатывались в 80 - 90-е гг. нейронные (нейронно-сетевые) компьютеры. Подобно мозгу, такие компьютеры состояли из большого числа несложных процессорных элементов, между к-рыми имеются многочисленные перекрёстные связи. Такие системы, как и мозг, обладали ассоциативной памятью, способной при наличии на входе части всех признаков некоторого объекта воспроизвести на выходе всю информацию о данном объекте. Вычисления в нейронных сетях выполняются "коллективно": в результате простых операций, выполняемых одновременно отдельными нейронами, вся сеть в целом реализует более сложную функцию. При такой организации процесса вычислений информация может кодироваться и запоминаться не в отдельных ячейках, а установлением определённой структуры связей между ними. Нейронно-сетевые компьютеры способны к самопроизвольному обучению.

Нейронно-сетевой ОК состоит из двух основных компонентов. Это двумерная матрица оптических переключающих (бистабильных) элементов (искусственных аналогов нейронов); состояния одних элементов изменяются в зависимости от состояния элементом, с которыми они соединены. С помощью световых пучков каждый элемент этой матрицы может быть соединён со всеми другими. Второй компонент - голограмма, с помощью которой задаются различные связи между элементами.

В России будут создавать свой нейропроцессор

В отраслевом союзе «Нейронет» объединили усилия четырех компаний, входящих в систему Национальной технологической инициативы (НТИ). Созданный консорциум займется разработкой национального нейропроцессора, способного не только конкурировать с западными образцами, но и стать стопроцентно отечественным, «доверенным», то есть гарантированно свободным от недокументированных возможностей и аппаратных «закладок». Последнее особенно важно для заказчиков из российского ВПК, где нейронные сети тоже получают широкое распространение — в системах управления боевыми беспилотниками, в планировании военных операций, в аппаратуре высокоточного наведения стрелкового оружия.

Работа сейчас идет по двум направлениям: во-первых, разработка серверного чипа для мощных серверов в дата-центрах, во-вторых, создание экономичного

встраиваемого нейропроцессора для установки на всевозможных «умных устройствах»: смартфонах, роботах, дронах, беспилотных автомобилях.

Разработка отечественной аппаратуры, ускоряющей обсчет нейросетей, — важнейший, необходимый проект при существующей конъюнктуре мирового рынка, —Соединение универсальных процессорных ядер со специализированными блоками, выполняющими вычисления по нейросетевым алгоритмам с высокой эффективностью, — актуальная современная тенденция. Чтобы такую систему можно было считать доверенной, и ядро, и нейросетевой акселератор должны быть разработаны в России. Кроме микросхемы нейропроцессора, необходимо создать еще и обслуживающую ее программную среду: операционную систему, средства разработки, библиотеки нейросетевых алгоритмов, среду обучения нейросетей. Только тогда можно будет говорить о существовании полноценной отечественной аппаратно-программной нейросетевой платформы.

Список литературы

1.Корпушенко Ф.В. Оптические компьютеры. // Физическая энциклопедия т.3 с.445-

447. М.: Больш. Российская энциклопедия.1992 г.-672 с.

2. Эйбрэхом А., Ситон К. Т., Смит С. Д., Оптический компьютер, "В мире науки", 1983, № 4, с. 15; "ТИИЭР", 1984, т. 72, № 7;

3. Синицын Г. В., Полностью оптические элементы дискретной логики на основе бистабильных тонкопленочных интерферометров, "Квантовая электроника", 1987, т. 14, № 3, с. 529;

4. Абу - Мостафа Я. С., Псалтис Д., Оптические нейронно-сетевые компьютеры, "В мире науки", 1987, № 5, с. 42;

5. 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.

6. www.lenslet.com, 7.http://dims.karelia.ru/~avip/op/in.htm.

8.П.А. Белов, В.Г. Беспалов, В.Н. Васильев, С.А. Козлов, А.В. Павлов, К.Р. Симовский, Ю.А. Шполянский, (Обзор ) Оптические процессоры: достижения и новые идеи : https//ysu info/ru/data/publications/Bookoob/Paper/-001.doc.

9. https://ria.ru/science/20180919/1528827563.html

10. https://ria.ru/science/20180621/1522975977.html

11. Мейлихов Е.З. Общая физика конденсированного состояния. Долгопрудный, ИНТЕЛЛЕКТ, 2018, с.415