Все мы понимаем, что рано или поздно кремниевая технология, используемая сегодня для создания процессоров, достигнет своего предела. Это как с нефтью – рано или поздно она закончится – вот поэтому уже сейчас начинают разрабатывать альтернативные энергетические технологии! Точно такая же ситуация сложилась и в мире информационных технологий – кремниевой технике начинают искать замену. Бегущие по проводникам, как танки, электроны довольно непрактичны – как минимум теряется значительная часть их энергии, выделяясь в виде тепла и электромагнитного излучения, хотя это не единственный минус. Причем на рассмотрение предлагаются абсолютно разные варианты замены – от биокомпьютера до оптических процессоров. Стоп! А что это такое? Вряд ли у каждого из нас на столе, скажем, через десять лет будет стоять компьютер из бактерий, а вот то, что в компьютере будущего будет установлен оптический процессор – вполне реально. Сегодня мы поговорим об этом чуде рук человеческих.

Рассмотрим преимущества оптической технологии:

· Можно параллельно передавать двумерные массивы за один световой импульс.

· Возможность использования совершенно разных сред передачи, хранения и обработки информации.

· Обработка информации возможна во время ее передачи через оптическую систему, которая представляет собой вычислительную среду. Представляете, вы отправили картинку для ее обработки – она будет обработана почти мгновенно, потому что она обрабатывается по мере ее прохождения через оптическую систему.

· Информация, которая закодирована оптическим лучом, может передаваться со скоростью света без выделения большого количества энергии на логических элементах! Это действительно хорошо – ведь чем меньше затраты энергии, тем лучше.

· Оптическая система не позволяет перехватывать информацию, поскольку ничего не излучает в окружающую среду.

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

Основные элементы оптических процессоров с переносом изображения давно известны. Это – линза, зеркало, оптический транспарант (транспарант – прозрачная пластина, на которой каким-либо способом нанесено изображение, представляющее собой пространственное распределение коэффициента поглощения, коэффициента преломления (или толщины) или же того и другого одновременно) и слой пространства. В настоящее время к ним добавились волновые элементы, а также лазеры, полупроводниковые многоэлементные фотоприемники, нелинейные оптические среды, разного рода дефлекторы и светоклапанные устройства.

Базисная логическая функция, с помощью которой можно построить любой, сколь угодно сложный цифровой компьютер, имеет множество оптических реализаций. На рисунке 1 дан простой пример построения многовходовой функции ИЛИ-НЕ/И-НЕ с помощью линзы L и порогового устройства-инвертора N.

Рисунок 1 – Построение функции ИЛИ-НЕ/И-НЕ

Здесь в качестве порогового элемента можно использовать как оптическое светоклапанное устройство (переключающаяся бистабильная среда), так и простой фотоэлектронный приемник с нелинейной передаточной характеристикой (т.е. нелинейной зависимостью интенсивности выходного светового потока от входного).

На рисунке 2 показан оптический процессор, реализующий преобразование входной вектор-строки в выходной вектор-столбец.

Рисунок 2 – Преобразование вектор-строки в вектор-столбец.

Здесь LED – линейка светоизлучающих диодов. Они расположены на фокальной линии цилиндрической линзы L1. T– оптический транспарант с записанной на нем матрицей пропускания T(i,j). Строки матрицы параллельны образующей первой линзы. L2 – цилиндрическая линза, образующая которой параллельна столбцам матрицы транспаранта. Она собирает лучи, прошедшие через элементы одной строки, на одном пикселе многоэлементного фотоприемника D. Не трудно увидеть, что входной Х и выходной У вектора связаны линейным преобразованием

У = ТХ.

В оптической системе возможна также обработка двумерных структур. На рисунке 3 представлена схема оптического процессора, реализующего операцию свертки двух изображений, которая лежит в основе работы многих устройств ассоциативной памяти и распознавания образов.

Рисунок 3 – Свертка изображений.

Здесь S – плоский однородный источник света, L1 и L2 – сферические линзы, D – матричный фотоприемник, T1 и T2 – транспаранты, пропускание которых соответствует двум обрабатываемым изображениям.

Распределение интенсивности излучения на матричном фотоприемнике пропорционально интегралу:

Интеграл преобразования.

В предыдущих примерах свет выполнял ту роль, что и электроны в проводниках обычных микросхем. При этом в качестве «проводов» выступали геометрические лучи. Понятно, что с таким же успехом свет можно загнать в волновод и организовать вычислительную среду по принципам, близким к идеологии электронной полупроводниковой микросхемотехники. Этим занимается интегральная и волновая оптика.

Принципиально новые возможности дает использование свойств пространственной когерентности излучения. Так, в когерентной оптике легко реализуются следующие математические операции над комплексными функциями двух переменных: умножение и деление, сложение и вычитание, интегрирование и дифференцирование, вычисление свертки и корреляции, преобразование Фурье, преобразование Гильберта, преобразование Френеля и ряд других, можно показать, что даже с помощью только двух базовых операций умножения и преобразования Фурье можно выполнить целую серию других (сложение и вычитание, дифференцирование, интегрирование с весом, свертка, изменение масштаба аргумента функции, восстановление функции из ее спектральной плотности и др.).

Структура когерентного оптического процессора, так называемая 4F-схема, приведена на рисунке 4. Здесь LS – лазерная осветительная система, формирующая широкий пучок когерентного излучения. T1 и T2 – амплитудно-фазовые транспаранты, модулирующие фазу и амплитуду проходящей световой волны. L1 и L2 – сферические линзы с фокусным расстоянием F. Результирующий сигнал считывается матричным фотоприемником D.

Рисунок 4 – Когерентный оптический процессор.

Распределение амплитуды светового поля в плоскости фотодетектора пропорционально свертке амплитудного пропускания первого транспаранта с Фурье-образом амплитудного пропускания второго транспаранта. Процессоры такого типа используются в качестве комплексных пространственных фильтров в системе улучшения качества изображения, а также в системах распознавания образов.

Фурье-спектр двумерного сигнала вычисляется с помощью линзы L и слоя пространства длиной F так, как показано на рисунке 5. Остальные элементы предназначены для ввода-вывода данных и освещения системы.

Рисунок 5 – Вычисление Фурье-спектра двумерного сигнала.

Для обычного компьютера, использующего быстрый алгоритм Кули-Тьюки, длительность Фурье-преобразования растет с ростом точек дискретизации n пропорционально: n log(n). В оптическом компьютере эта процедура даже в двумерном случае выполняется всего за один машинный такт, что делает оптический компьютер незаменимым для решения задач, требующих быстрой оценки ситуации и управления в реальном времени.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://bsfp.media-security.ru/science/index.htm

Иркутский Филиал Института Лазерной Физики СО РАН. Малов С. Н. Роль диффузионной подсветки при вычитании изображений фазовых объектов.

2. Новые материалы оптической информатики, фотонные кристаллы, оптическая память: 2002 № 7. Санкт-Петербургский Государственный Университет. Задворкин А. В. Оптические компьютеры, способ обработки информации.

3. webmaster@media-security.ru. Проблемы и задачи оптической обработки информации. Гуревич С. Б., Соколов В. К.