В 2018 году незаметно прошла новость о том, что российские ученые запатентовали идею фотонного компьютера. В основе лежат патенты Полуэктова А.О. и Степаненко С.А. В 2021 году в докладе Сергея Степаненко  было заявлено, что при наличии квалифицированных кадров и 300-400 человеко лет, цель создания фотонного компьютера может быть достигнута. Предлагаю стенограмму доклада.

Фотонно-вычислительная машина, оптические логические элементы

В течение 80 с небольшим лет человечество преодолело интервал от механического компьютера, выполняющего одну операцию в секунду над 14 разрядными числами с плавающей запятой до ( в ближайшее время предполагается достигнуть) одного  экзафлопс. А вот что дальше? Дальше совершенно непонятно. Сейчас российские ученые работают с проектными нормами, пять нанометров, Диаметр атома водорода, как вы знаете, 0,4 нанометров. Итого где-то вблизи 10-15 атомов водорода. Это тот предел, который, по видимому, далее преодолеть будет непросто. 

Что делать в этой связи? Уже давно было предложено заменить электричество светом. В частности, существуют два типа оптических вычислительных машин. Первые это аналоговые. Они, в первую очередь, предназначены для перемножения матриц. преобразования Фурье и в последнее время находят очень широкое применение в задачах искусственного интеллекта. Второй тип цифровые, оптические вычислительные машины, которые, кстати, очень интенсивно исследовались у нас Всеволодом Сергеевичем Бурцевым. Но это было 30 лет назад, и, к сожалению, до практического воплощения дело не дошло.

Вашему вниманию сегодня будут предложены принципы построения фотонно-вычислительной машины, включая элементную базу и оценки производительности. Будут проведены результаты экспериментов и программа работ, согласно которой это можно было бы реализовать.

Итак, структура и принципы реализации фотоны вычислительные машины основаны на эффектах взаимодействия когерентных систем световых волн. Мы получим оценки значений арифметической производительности, потребляемой энергии и физических размеров.

Структура фотонной машины - это процессор, память, устройство сопряжение с электронно вычислительной машиной, позволяющей преобразовывать информацию в привычную нам форму и наоборот, позволяющую преобразовывать информацию из привычной формы в световую, доступную для обработки оптическими логическими элементами. 

Пиковые значения показывают, что здесь можно получить значение производительности, заслуживающие внимания. Но эффективность применения оптического предоставления информации достигается следующим.

1. Дисциплина вычисления по готовности операндов. Это связано с тем, что свет не имеет массы покоя, и нам нужно быстро обрабатывать информацию.

2. Бесконфликтные алгоритмы обмена информацией. Это так же обусловлено особенностями предоставления информации светом.

3. За счет пассивных, оптических, логических элементов, о которых я расскажу подробнее.

Структура фотонного процессора -  это устройство преобразования, вычислительного задания в программу, источник лазерного излучения и совокупность процессорных элементов, которые представляют собой исполнительные устройства соединенные в определенной топологию. 

Пример такой топологии это трехмерный куб, в узлах которого находится процессорные элементы. Информационный граф разлагается в соответствии с польской инверсной записью. 

Методы построения таких конструкций известны из монографий Корнеева и Воеводина. Далее на основе этого представления мы создаем процессорный граф. То есть, по существу, мы раскладываем арифметические действия на те самые ребра и вершины процессора, представленного трехмерным гиперкубом. 

Ну и далее на основе этого представления мы получаем, собственно, программу фотонного процессора. Я замечу, что здесь могут быть использованы все известные нам возможности получения машинного представления. Мы можем оптимизировать трансляцию и порождаемый, в результате ее выполнения, машинный код. 

Точно также следует заметить, что процессы одновременно могут быть соединены в различные топологии в зависимости от требований вычислительного процесса, а точнее, вычислительных приложений.

 Здесь могут быть задействованы кубы, вполне связанные графы, деревья и так далее. 

Все эти оценки приводятся для мощности количества бесконфликтных нужд, в зависимости от количества процессорных элементов и размерности коммутатора. 

А вот далее принципиальный вопрос как все это реализовать? 

Вам, несомненно, известно, что существует полный функциональный базис. 

Ну, например, это элементы “И” исключающие “ИЛИ” и отрицание. Используя эти три элемента, мы можем реализовать любое логическое арифметическое устройство. Реализовать можно двумя принципиально различными вариантами. 

Первый это активные логические элементы, в которых используется свойство среды, изменять, прозрачность в результате воздействия излучения. Однако до сих пор, в течение 30-40 лет, попытки реализовать такие логические элементы не увенчались успехом. Дело в том, что преобразование среды требует времени и энергии, значение которых неконкурентоспособны с электронными аналогами. 

Второй принципиально отличный вариант это пассивные оптические логические элементы, в частности, реализованная на явлении интерференции. Структура такого логического элемента была предложена нашим соотечественником Полуэктовым А.О. в 1997 году. Суть в том, что, изменяя положение принимающего экрана, мы реализуем различные логические функции, в частности, полный функциональный базис.

На этом принципе рассмотрены и предложены многочисленные варианты реализации. 

В частности, здесь в зависимости от размещения пластин из этого материала мы получаем различную интенсивность. К сожалению, автор не обращает внимание на значение этой интенсивности и после одной, двух операций непонятно 0 это либо 1. 

Следующий вариант, основанный на применении графеновых поверхностей. Здесь длительность релаксации оказывается существенно больше длительности срабатывания и тоже неконкурентоспособна с электронными аналогами. 

Наконец, работа, которую мы далее, будем использовать, имеет в своей основе фотонные кристаллы в режиме само коллимации. Здесь принципиально все верно, за исключением того, что один элемент отличается от другого размером. Это отличие составляет 0,1 нанометров, что на практике, по видимому, реализовать не удастся. 

В основе излагаемой далее реализации оптических интерференционных логических элементов - различие значений интенсивности когерентных световых волн. Мы используем для идентификации логических констант значение энергии, светового импульса. Так же мы используем плоско-поляризованные волны, а для того, чтобы отводить энергию из волноводов, мы применяем щели. Щель это нарушение отражающего слоя, волновода. 

Здесь показано, как распространяется бегущая волна по волноводу, имеющему mλ  щелей - интенсивность на выходе и интенсивность на входе. 

Если у нас два встречных когерентных импульса, то мы можем размещать щели над пучностями (в этом случае мы имеем на выходе следующее значение интенсивности) 

либо над узлами (узлы - это точки, в которых интенсивность равна нулю). Значения интенсивности на выходе представлены здесь внизу. 

Далее волноводная структура логического элемента содержит фарадеевский вращатель, зеркала, ответвители и два выхода. В зависимости от того, одиночный у нас импульс или два встречных, мы имеем для щелей над пучностями, значение интенсивности, отличающаяся в четыре раза.

 Если у нас щели над узлами, то значение интенсивности определены следующими выражениями. q - это коэффициент ответвления. 

Для элемента “И“ первого типа, когда щели над пучностями и когда щели над узлами, мы имеем следующие значения интенсивности соответствующие нулям и единицам. 

Аналогично для элемента исключающее “ИЛИ”. 

Принципиальный момент, на который никто пока не обращал внимание, а именно,  интенсивность соответствующая одинаковым логическим константам, в частности, единицам на выходах различных элементов “И” и исключающее “ИЛИ” должны быть равны. 

Это означает, что должна выполняться следующая система уравнений. 

Здесь приведены значения q1 и q2 коэффициентов ответвления, для которых эти значения выполняются. Но видно, что эти коэффициенты ответвления вполне разумные и могут быть получены. 

Далее известно, что с выполнением операции значение интенсивности будет изменяться. 

Так вот, мы показываем, что, используя J-уровневые структуры элементов “И”, исключающее “ИЛИ” и “НЕ”, мы обеспечиваем следующее соотношения между единицей и нулем, что означает требования по необходимой надежности различие этих констант

Оценки производительности

Мы можем задействовать волноводы из волокна интегральной, планарной с фотонным кристаллом из графена. 

Наиболее подходящим для длины волны полтора микрон в настоящее время предоставляется волноводы из фотоннных кристаллов. 

Исходя из ограничений между размерами волноводов, щелей, диаметра, мы находим, что для длинны волны полтора микрон нам вполне достаточно длины логического элемента 75 микрон. Это означает, что длительность выполнения логических операций примерно 375 фемтосекунда (375/10`15 сек). Далее, учитывая лучевую прочность кремния и пороговую интенсивность, мы находим бюджет мощности, который составляет 38 децибел. 

В свою очередь, это означает, что примерно 9-10 логических операций мы можем выполнять без регенерации.

Далее мы можем использовать ключи пикосекундного диапазона, основанные на нелинейных эффектах. 

В результате грубых, но качественных оценок, мы находим, что для мощности сотни ватт мы можем выполнять примерно 0,7 на 10`17 операций умножения в секунду 64-разрядных чисел. Это примерно 10`5 раз больше электронных аналогов. 

Соответственно, для размещения 8-процессорных элементов, рассмотренных в компьютерах нам понадобится примерно пол литровый объем, который можно охлаждать обычным воздушным способом. 

Результаты экспериментов 

Все эти теоретические положения были проверены на макете микроволнового интерференционного, логического элемента на частоте 2,5 Ггц. 

Здесь значения соответствующие единицам на выходе исключающее “ИЛИ”. Здесь соответствующее на выходе элемента “И”. Вы видите, они практически совпадают - это в децибелах. Это первое. И второе. Отличие между нулем и единицами в данном случае тоже соответствует четырем децибелам. Это все работает, проверено, проведены испытания, и все это зафиксировано в соответствующих работах. 

Второй эксперимент, который мы выполняли, это мы задействовали фотонный кристалл в режиме самоколлимации. 

Это численный эксперимент. Это реализация, логического элемента, исключающего “ИЛИ”. Здесь в случае одного импульса либо двух, вы видите, не выделяется интенсивность. Здесь она выделяется. То есть две единицы это ноль. 

И элемент “И” также реализованы на фотонном кристалле самоколлимации.

Здесь аналогичные картинки для элемента “И” с одним импульсом, и с двумя. 

Здесь представлено значение интенсивности соответствующей единице и нулю. Здесь вы видите разницу примерно в четыре раза. 

Аналогичная разница здесь между нулем и единицей. Более того, если мы поставим делитель, то мы получим примерно одинаковое значение соответствующее нулю и единице. Имея эти элементы, мы реализуем память.

Далее я обращаю ваше внимание на то, что множество задач решаемых фотонными машинами и электронными совпадают, в отличие от квантовых. Применимы архитектурные схемы и программные решения, разработанные для электронных вычислительных машин. Требуемые технологические нормы здесь примерно на порядок больше по сравнению с современными электронными. Ну и, кроме того, мы можем задействовать различные длины волн.

Программа работ

Предполагается, что в течение ближайшего года-двух можно будет реализовать интерференционно - логические элементы. Одновременно и с небольшим сдвигом разрабатывать архитектурные и функциональные схемы. Далее средства моделирования и программирования с тем, чтобы В 2025  году выйти на арифметическое и логическое устройство. 

По крупному можно это назвать “макет центрального процессора фотонно-вычислительной машины”.  Сейчас собрался  неплохой квалифицированный коллектив. Общие трудозатраты мы оцениваем 350-400 человеко лет с задачей, берущий за горло, которой является подготовкой кадров. К сожалению, мы сейчас сталкиваемся с падением квалификации. Ну и в заключение отмечу, что в работе предложена структура и принципы реализации фотонно-вычислительной машины, которая основана на дисциплине вычисления по готовности операндов, применение бесконфликтных алгоритмов обмена и пассивных, оптических логических элементов. Классы задач совпадают с решениями на электронных вычислительных машинах. Мы надеемся, что действительно удастся получить пиковую производительность 10`4 - 10`5 раз больше по сравнению с электронными аналогами. При космических значениях параметров, возможности которых здесь не обсуждаются, оценки показывают, что можно получить таким подходом 10`28 операций в секунду. Хотелось бы, чтобы это было достигнуто тем коллективом, который я здесь представил. Я благодарю вас за внимание.  

Предлагаю обсудить эту тему в комментариях. Прошу более сведущих прокомментировать реальность реализации, а также отвечать на возникшие вопросы. Также предлагаю продолжить развивать эту тему в телеграмм