Физическая энциклопедия ОПТИЧЕСКИЕ КОМПЬЮТЕРЫ
ОПТИЧЕСКИЕ КОМПЬЮТЕРЫ
- интенсивноразрабатываемое 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 световымипотоками. Применение оптич. излучения в качестве носителя информации имеетряд потенциальных преимуществ (по сравнению с электрич. сигналами) благодаряслед. свойствам световых потоков: 1) в линейной среде световые потоки невзаимодействуют между собой, проходя в непосредств. близости или даже пересекаясьдруг с другом; 2) световые потоки могут быть локализованы в поперечномнаправлении до субмикронных размеров и передаваться как по световодам, <так и по свободному пространству; 3) скорость распространения световогосигнала выше скорости электрического, зависящего от соотношения активныхи реактивных компонент проводимости тракта передачи; 4) взаимодействиесветовых потоков с нелинейными средами не локализовано, а распределеново всей среде, что даёт новые степени свободы (по сравнению с электроннымисистемами) в организации связей и создании параллельных архитектур. Направление развития О. к. Проникновениеоптич. методов в вычислит. технику ведётся по трём осн. направлениям. Первоеосновано на использовании аналоговых оптич. вычислений (см. Памяти устройства )для решения большого класса спец. задач, связанных с необходимостьюбыстрого выполнения интегральных преобразований. Однако применение аналоговыхоптич. вычислений в универсальных вычислит. системах затруднено из-за недостаточнойточности аналоговых методов, накопления шумов в процессе обработки информац. <светового потока и из-за малого динамич. диапазона. Оптические логические устройства наоснове оптической бистабильности. Полный набор полностью оптическихлогич. устройств для синтеза более сложных блоков О. к. реализуется, напр.,на основе пассивных нелинейных резонаторов-интерферометров, в к-рых в результатесветоиндуциров. изменения оптич. длины происходит сдвиг пика пропускания(резонанса) относительно длины волны падающего излучения. В зависимостиот нач. условий (нач. положения пика пропускания и нач. интенсивности)в пассивном нелинейном резонаторе нелинейный процесс завершается установлениемодного из двух устойчивых состояний пропускания (отражения) падающего излучения. Рис. 1. Передаточная характеристика БИв отраженном пучке ( а) и схема с логической функцией "НЕ" ( б). Рис. 2. Передаточная характеристика БИв 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). Рис. 3. Передаточная характеристика ( а )и схема триггера с раздельными инверсными входами и выходами ( б). Чтобы получить RS- триггер, одиниз входных сигналов в схеме рис. 3( б) необходимо инвертировать.(RS -триггер имеет два входа и два устойчивых состояния, к-рые меняютсяпод 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 ТПИ 1, высок. Его сумма с нач. интенсивностью I1 за счёт регулировки последней соответствует примерноцентр. области гистерезисной петли. ТПИ 1 находится в состояниис низким пропусканием (выключен). Манипуляции интенсивностью пучка I2(R -вход) не могут изменить это состояние. Кратковременное же увеличениеинтенсивности I1 (S -вход) приводит к включениюTПИ 1. После этого ближайшим но времени всплеском сигнала I2 триггер опрокидывается в исходное состояние. Рис. 4. Схемы оптических RS -триггеров. RS -триггер реализуется также и наоснове двух "скрещенных" устройств с ф-циями "НЕ" (рис. 4, б). Введённаяв систему жёсткая положит. обратная связь приводит к тому, что первый изэлементов 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. устройствв вычислит. технике, являются их высокое быстродействие и малая световаяэнергия (мощность), необходимая для перевода устройства из одного устойчивогосостояния в другое. Для нелинейных пассивных резонаторов эти характеристикиопределяются в первую очередь величиной светоиндуциров. изменения показателяпреломления нелинейной среды, помещённой между зеркалами резонатора, идобротностью последнего. С учётом необходимости интегрально-оптич. исполненияоптических логич. элементов указанным критериям наилучшим образом отвечаютполупроводниковые материалы и структуры на их основе. Одной из таких структурявляются вакуумно-напылённые тонкоплёночпые полупроводниковые интерферометры(ТПИ). Напр., ТПИ с промежуточными слоями из ZnS, ZnSe обладают сильнойоптич. нелинейностью тепловой природы (.~10-2) при потоках излучения ~10 мВт), способностью работатьв непрерывном режиме при комнатной темп-ре, малыми размерами отд. бистабильногоэлемента (толщина 0,5 - 2 мкм, диам. 4 - 50 мкм), возможностью формироватьдвумерные интегрально-оптич. схемы на площади ~102 см 2,свободой выбора длин волн излучения в видимой области спектра. Осн. недостаткомТПИ с тепловым механизмом нелинейности является ограниченное быстродействие(времена переключения ~10-7 - 10-8 с). Использованиеоптич. нелинейности электронной природы в ТПИ на основе GaAs, InP, ZnSeи др. полупроводниковых слоев позволяет достигать пикосекундного быстродействияв таких устройствах при уд. энергиях переключения устойчивых состояний~10-13 - 10-15 Дж/мкм 2. Оптические нейронно-сетевые компьютеры. О. к. может значительно быстрее (на неск. порядков) решать вычислит. <задачи по заданному алгоритму (структуриров. задачи) прежде всего вследствиевысокого параллелизма. Однако при решении т. н. нерегулярных (случайных)задач, для к-рых трудно, практически невозможно, задать алгоритм, возникаютбольшие затруднения. Решение случайных задач по сути сводится к выборуодного из множества готовых решений, к-рое является наилучшим при имеющихсявходных данных. Для этого в памяти должна храниться совокупность такихрешений. Обычный компьютер не обладает способностью запоминать и извлекатьиз памяти информацию в виде готовых решений. Это свойственно человеческомумозгу и проявляется при решении задач, связанных с распознаванием образов(такие задачи относятся к случайным). Для моделирования процессов работымозга человека путём имитации его анатомич. нейронных структур предназначеныразрабатываемые в 80 - 90-е гг. нейронные (нейронно-сетевые) компьютеры. <Подобно мозгу, такие компьютеры должны состоять из большого числа несложныхпроцессорных 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 воспроизвестина выходе всю информацию о данном объекте. Вычисления в нейронных сетяхвыполняются "коллективно": в результате простых операций, выполняемых одновременноотд. нейронами, вся сеть в целом реализует более сложную ф-цию. При такойорганизации процесса вычислений информация может кодироваться и запоминатьсяне в отд. ячейках, а установлением определённой структуры связен междуними. Нейронно-сетевые компьютеры способны также к самопроизвольному обучению. 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 логикина основе бистабильных тонкопленочных интерферометров, "Квантовая электроника",1087, т. 14, № 3, с. 529; Абу - Мостафа Я. С., Псалтис Д., Оптические нейронно-сетевыекомпьютеры, "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. Kapпушенко. Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988. Оригинал статьи 'ОПТИЧЕСКИЕ КОМПЬЮТЕРЫ' на сайте Словари и Энциклопедии на Академике Турнавигатор |