XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение

Оптические или фотонные процессоры - гипотетические вычислительные устройства, вычисления в которых производятся с помощью фотонов, излучаемыми лазерами или светодиодами.

Большинство современных исследований направлено на замену традиционных (электронных) компонентов компьютера на их оптические эквиваленты.

Предполагается, что результатом этих исследований станет новая цифровая компьютерная технология для обработки двоичных данных. Такой подход по замене элементной базы даёт возможность в краткосрочной перспективе разработать технологии для коммерческого применения, поскольку оптические компоненты могут быть использованы в классических компьютерах, сначала при создании гибридных электронно-фотонных систем, а затем и полностью фотонных.

Однако оптоэлектронные приборы теряют 30 % энергии при преобразовании электроэнергии в свет и обратно, что также замедляет скорость передачи информации в оптоэлектронных повторителях^[1]. В гипотетическом полностью оптическом компьютере не будет преобразования сигнала из оптического в электрический и обратного преобразования в оптический сигнал.

История появления

В 1984 году Б. Дженкинс из Университета Южной Калифорнии продемонстрировал первый цифровой оптический компьютер, выполнявший достаточно сложную последовательность команд. Взаимодействие двух лучей осуществлялось элементом, состоящим из жидкого кристалла и фотопроводника. Проходя, свет влияет на электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, отчего меняется прозрачность элемента. Быстродействие определяется инерционностью жидкого кристалла.

В 80-е годы прошлого века интенсивно работали над созданием полностью оптических компьютеров нового поколения. Сердцем такого компьютера должен был стать оптический процессор, использующий элементы, в которых свет управляет светом, а логические операции осуществляются в процессе взаимодействия световых волн с веществом. Значительные усилия, направленные на создание оптического компьютера, привели к определенным успехам. Так, в 1990 г. в лабораториях американской фирмы "Белл" был создан макет цифрового оптического устройства (рис. 34).

Классификация бистабильных систем.

Бистабильные системы можно классифицировать по способу осуществления обратной связи и механизму нелинейного пропускания. В оптическом бистабильном элементе SEED обратная связь осуществляется за счет приложения электрического поля к квантоворазмерной структуре, причем само поле возникает при прохождении через структуру светового излучения. Нелинейное пропускание элемента SEED связано с уменьшением экситонного поглощения. При больших концентрациях экситонов и свободных носителей происходит просветление в области экситонного резонанса. Это связано, во-первых, с тем, что в присутствии большого числа электронов и дырок кулоновское взаимодействие между электроном и дыркой ослабляется (этот эффект называется экранированием). Во-вторых, при большой концентрации экситонов они начинают интенсивно взаимодействовать, разрушая друг друга. Поэтому экситонное поглощение исчезает при концентрации экситонов  ,   – боровский радиус экситона.

Рис. 1. Спектр поглощения полупроводниковой структуры с квантовыми ямами при отсутствии возбуждения (1) и при возбуждении экситонов и носителей заряда большой плотности. h₀ – энергия экситонного перехода

Описание технологий

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.

Принцип работы

В качестве входного порта оптического чипа выступает набор оптических волноводов. Через эти волноводы на вход поступает оптический сигнал, который можно представить в качестве набора нулей и единиц (в этом случае мы имеем дело с цифровым оптическим компьютером) или в качестве непрерывной функции времени и координаты (в этом случае такая система называется аналоговым оптическим чипом). Далее этот сигнал преобразуется заданным образом в оптической схеме посредством различных оптических элементов: резонаторов или волноводов. Преобразованный сигнал поступает на выходной порт ― он, опять же, может быть представлен либо в качестве массива нулей и единиц, либо в качестве непрерывной функции.

Преимущества оптических процессоров

1. Скорость

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.

2.Энергоэффективность

В привычных нам устройствах течет электрический ток, что приводит к выделению тепла. Такой нагрев — это потраченная впустую энергия. Более того, чтобы устройство не перегрелось, надо потратить еще больше энергии на его охлаждение. В итоге энергопотребление больших датацентров в 2018 году составило примерно 200 ТВт·ч, что равно примерно одному проценту от всего энергопотребления в мире, и растет оно довольно быстро. Фотоны не заряжены, ток не течет, нагрева нет, поэтому, по крайней мере, некоторые вычислительные операции в смысле энергопотребления можно делать практически задаром. Это относится к так называемым линейным операциям ― сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование и т.д. Существующие на сегодня оптические чипы как раз и специализируются на таких операциях, потому что могут выполнять их быстрее и экономичнее, чем электронные аналоги.

Недостатки

По состоянию на 2009 год в полностью оптических системах плохо реализуются запоминающие устройства и операции над отдельными битами, поэтому такие технологии находят применение лишь пока в переключении оптических сигналов в зависимости от длины волны излучения и переключения по разным оптическим волокнам.

Список литературы

1. https://ru.Wikipedia.org/wiki/Оптический компьютер

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

3. https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/9924/

4. https://studfile.net/preview/4615184/page:13/

5. https://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Оптические_компьютеры

Код для цитирования: Скопировать