|
| |
|
Слаботочка Книги Глава 10 ОПТИЧЕСКАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА. Понятие оптическая вычислительная техника (ОВТ) охватывает комплекс алгоритмических и технических средств, предназначенных для выполнения функций электронной вычислительной техники, но оперирующих не с электрическими, а с оптическими информационными сигналами. К числу основных относятся функции процессора (математические и логические преобразования),, запоминающего устройства (запись, хранение, считывание, стирание информации), устройств ввода-вывода, интерфейса и канала передачи данных. Обычно это строгое в своей полноте определение несколько сужают, распространяя понятие ОВТ лишь на оптические процессоры и ЗУ (а иногда только на процессоры). Такой подход используется и в данной главе, при этом функции других частей ЭВМ в их оптоэлектронном представлении рассмотрены в гл. 6, 8, 9. В подавляющем большинстве созданных и прогнозируемых устройств ОВТ приходится иметь дело с информационными сигналами не только в оптической, но и в электрической форхме, поэтому следовало бы говорить не об оптической, а об «оптоэлектронной вычислительной технике». Однако, следуя почти сложившейся традиции и учитывая, что именно оперирование с фотонами является определяющим, будем использовать термин, вынесенный в название главы. 10.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Ряд особенностей, присущих оптоэлектронике, стимулирует исследования в области ОВТ несмотря на успехи развития микроэлектронных ЭВМ. К наиболее принципиальным могут быть отнесены следующие положения. 1. Параллельность обработки информации, обусловленная дву-мерностью волнового фронта потока излучения. Это свойство устройств ОВТ является наиболее значимым, так как по современным представления-м использование принципа последовательно-параллельной обработки (характерного, в частности, для функционирования человеческого .мозга) должно стать обязательным в таких устройствах информатики будущего, как искусственный интеллект и суперкомпьютеры. Двумерность оптических систем позволяет реализовать картинную математику, обработку изображений, оперирование с массивами данных (а не с отдельными числами, как в ЭВМ). 2. Возможность (и удобство) обработки аналоговой информации непосредственно, без преобразования в цифровую форму. В случае двумерных картин, когда объем эквивалентной цифровой информации чрезвычайно велик, лишь аналоговая обработка может проводиться в реальном времени. В ряде применений, где не предъявляются. жесткие требования к бессбойности (редактиро- вание текстов, обработка графических материалов, гистограмм и т. п.), аналоговая обработка может дать значительную экономию аппаратных средств. 3. Оперирование с информацией в оптической форме. Когда входные и выходные сигналы световые (например, в ретрансляторах ВОЛС), использование для их обработки оптического процессора вместо электронного избавляет от необходимости двойного оптоэлектронного преобразования и связанных с этим энергетических потерь и искажений. 4. Простота выполнения преобразования Фурье и комплексного умножения при прохождении когерентной световой волны через оптические элементы (например, через сферическую линзу). Эти две операции являются базовыми: на их основе может быть реализован широкий класс линейных преобразований, таких как дифференцирование и интегрирование комплексных функций, нахождение свертки и корреляции, преобразование Френеля и Лапласа и др. При этом определяющим фактором является то, что оптика обеспечивает «конвейерную непрерывность вычислений», ограничиваемую лишь скоростями ввода операндов в систему и вывода из нее результатов. 5. Высокая поверхностная плотность размещения «бита оптической информации», которая в соответствии с дифракционным пределом составляет около (Х/З)", а с учетом возможностей интеграции и по «спектральной координате» (см. § 10.3) на несколько порядков выше. 6. Высокая предельная скорость переключения, которая может быть достигнута в оптической системе, и отсутствие реактив-ностей при оперировании с фотонами. Изменение состояния поля излучения между двумя крайними положениями темно - светло может осуществляться за время 1/4 v (v - частота световых колебаний), а при нелинейно-оптическом обострении фронта волны еще быстрее. Для практической реализации перечисленных возможностей необходимо наличие ряда приборов, устройств, сред, которые в совокупности составляют элементную базу ОВТ: излучатели, в основном лазеры и частично светодиоды; фотоприемники, в том числе многоэлементные с встроенным самосканированием; модуляторы и дефлекторы; управляемые транспаранты или про-странственно-зреленные модуляторы света; элементы интегральной оптики, осуществляющие преобразование (обработку) оптических сигналов; бистабильные (ключевые) оптические элементы или оптопары пико- и фемтосекундного диапазона; запоминающие среды, фиксирующие поле излучения; всгюмогательные оптические элементы и схемы микроэлектронного обрамления. Развитие элементов ОВТ идет крайне неравномерно: одни из них достигли стадии промышленного производства, другие находятся на уровне поисковых исследований. Часть этих элементов, такие как излучатели и фотоприемники, характеризуются универсальным применением в оптоэлектронике; другие, такие как деф- лекторы, бистабильные оптические элементы, оптические запоминающие среды, более специфичны и находят применение лишь в ОВТ. Среди перечисленных элементов следует выделить управляемые транспаранты - интегрированные оптоэлектронные устройства, осуществляющие параллельную обработку оптической информации. Именно эти устройства в первую очередь характеризуют сущность и возможности различных направлений оптической вычислительной техники. 10.2. УПРАВЛЯЕМЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ТРАНСПАРАНТЫ Определения. Управляемый оптический транспарант представляет собой двухкоординатную матрицу элементарных ячеек, оптические свойства которых могут изменяться независимо друг от друга и обратимо вэ времени (реверсивно) под влиянием внешнего воздействия; транспарант служит для управляемого изменения характеристик падающего на него потока излучения. Управляющее воздействие может быть в форме электрического, магнитного, электронно-лучевого, оптического возбуждения; наиболее широкое распространение получили электрически и оптически управляемые транспаранты - ЭУТ" и ОУТ (рис. 10.1). Смысл электрического управления очевиден - это преобразование информации из одной формы в другую; при оптическом управлении может иметь место изменение интенсивности, спектрального состава и, что главное, переход от не когерентного излучения к когерентному, частным случаем является оптическое управление самим информационным потоком. Изменение оптических свойств по координатам происходит как дискретно (типично для ЭУТ) - элементарные ячейки конструк-  Рис. 10.1. Схемы оптических транспарантов: о - электрически управляемый проходного типа; б -оптически управляемый отражательного типа (У -активная среда; 2 -система взаимно ортогональных прозрачных электродов- 3 - слой фотопроЕодника; 4 - полупрозрачное зеркало; 5 - импульс напряжения пи- .тания) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 [104] 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |