stringtranslate.com

Оптические вычисления

Оптические вычисления или фотонные вычисления используют световые волны, производимые лазерами или некогерентными источниками для обработки данных , хранения данных или передачи данных для вычислений . На протяжении десятилетий фотоны демонстрировали перспективность обеспечения более высокой пропускной способности , чем электроны, используемые в обычных компьютерах (см. оптические волокна ).

Большинство исследовательских проектов сосредоточены на замене текущих компьютерных компонентов оптическими эквивалентами, что приводит к оптической цифровой компьютерной системе, обрабатывающей двоичные данные . Этот подход, по-видимому, предлагает наилучшие краткосрочные перспективы для коммерческих оптических вычислений, поскольку оптические компоненты могут быть интегрированы в традиционные компьютеры для создания оптико-электронного гибрида. Однако оптоэлектронные устройства потребляют 30% своей энергии, преобразуя электронную энергию в фотоны и обратно; это преобразование также замедляет передачу сообщений. Полностью оптические компьютеры устраняют необходимость в оптико-электро-оптических (OEO) преобразованиях, тем самым снижая потребление электроэнергии . [1]

Устройства специального назначения, такие как радиолокационные станции с синтезированной апертурой (SAR) и оптические корреляторы , были разработаны для использования принципов оптических вычислений. Корреляторы могут использоваться, например, для обнаружения и отслеживания объектов, [2] и для классификации последовательных оптических данных во временной области. [3]

Оптические компоненты для двоичной цифровой вычислительной машины

Основным строительным блоком современных электронных компьютеров является транзистор . Для замены электронных компонентов оптическими требуется эквивалентный оптический транзистор . Это достигается с помощью кристаллической оптики (использование материалов с нелинейным показателем преломления ). [4] В частности, существуют материалы [5] , в которых интенсивность входящего света влияет на интенсивность света, прошедшего через материал, аналогично токовой реакции биполярного транзистора. Такой оптический транзистор [6] [7] может использоваться для создания оптических логических вентилей , [7] которые, в свою очередь, собираются в компоненты более высокого уровня центрального процессора (ЦП) компьютера . Это будут нелинейные оптические кристаллы, используемые для манипулирования световыми лучами с целью управления другими световыми лучами.

Как и любая вычислительная система, оптическая вычислительная система для своей нормальной работы нуждается в четырех вещах:

  1. оптический процессор
  2. оптическая передача данных, например, по оптоволоконному кабелю
  3. оптическое хранилище , [8]
  4. оптический источник питания (источник света)

Замена электрических компонентов потребует преобразования формата данных из фотонов в электроны, что замедлит работу системы.

Противоречие

Существуют некоторые разногласия между исследователями относительно будущих возможностей оптических компьютеров; смогут ли они конкурировать с полупроводниковыми электронными компьютерами по скорости, энергопотреблению, стоимости и размеру — это открытый вопрос. Критики отмечают, что [9] реальные логические системы требуют «восстановления логического уровня, каскадируемости, разветвления и изоляции входа-выхода», все из которых в настоящее время обеспечиваются электронными транзисторами с низкой стоимостью, низким энергопотреблением и высокой скоростью. Для того чтобы оптическая логика стала конкурентоспособной за пределами нескольких нишевых приложений, потребуются крупные прорывы в технологии нелинейных оптических устройств или, возможно, изменение самой природы вычислений. [10]

Заблуждения, проблемы и перспективы

Значительной проблемой для оптических вычислений является то, что вычисления являются нелинейным процессом, в котором должны взаимодействовать множественные сигналы. Свет, который является электромагнитной волной , может взаимодействовать с другой электромагнитной волной только при наличии электронов в материале, [11] и сила этого взаимодействия намного слабее для электромагнитных волн, таких как свет, чем для электронных сигналов в обычном компьютере. Это может привести к тому, что элементы обработки для оптического компьютера потребуют больше мощности и больших размеров, чем для обычного электронного компьютера, использующего транзисторы. [ необходима цитата ]

Еще одно заблуждение [ кем? ] заключается в том, что поскольку свет может распространяться намного быстрее скорости дрейфа электронов, а частоты измеряются в ТГц , оптические транзисторы должны быть способны работать на чрезвычайно высоких частотах. Однако любая электромагнитная волна должна подчиняться пределу преобразования , и поэтому скорость, с которой оптический транзистор может реагировать на сигнал, по-прежнему ограничена его спектральной полосой пропускания . В волоконно-оптической связи практические ограничения, такие как дисперсия, часто ограничивают каналы полосами пропускания в десятки ГГц, что лишь немного лучше, чем у многих кремниевых транзисторов. Поэтому для получения значительно более быстрой работы, чем у электронных транзисторов, потребуются практические методы передачи сверхкоротких импульсов по сильнодисперсионным волноводам.

Фотонная логика

Реализация фотонного управляемого логического элемента НЕ для использования в квантовых вычислениях

Фотонная логика — это использование фотонов ( света ) в логических вентилях (НЕ, И, ИЛИ, НЕ-И, НЕ-ИЛИ, XOR, XNOR). Переключение достигается с помощью нелинейных оптических эффектов при объединении двух или более сигналов. [7]

Резонаторы особенно полезны в фотонной логике, поскольку они позволяют накапливать энергию за счет конструктивной интерференции , тем самым усиливая оптические нелинейные эффекты.

Другие подходы, которые были исследованы, включают фотонную логику на молекулярном уровне , используя фотолюминесцентные химикаты. В демонстрации Витлицкий и др. выполнили логические операции, используя молекулы и SERS . [12]

Нетрадиционные подходы

Задержки времени оптических вычислений

Основная идея заключается в задержке света (или любого другого сигнала) для выполнения полезных вычислений. [13] Было бы интересно решить NP-полные задачи , поскольку это сложные задачи для обычных компьютеров.

В этом подходе фактически используются два основных свойства света:

При решении проблемы с задержками необходимо выполнить следующие шаги:

Первой проблемой, исследованной таким образом, была задача о гамильтоновом пути . [13]

Самая простая из них — задача о сумме подмножеств . [14] Оптическое устройство, решающее задачу с четырьмя числами { a1, a2, a3, a4 }, изображено ниже:

Свет войдет в начальный узел. Он будет разделен на два (под)луча меньшей интенсивности. Эти два луча прибудут во второй узел в моменты a1 и 0. Каждый из них будет разделен на два подлуча, которые прибудут в третий узел в моменты 0, a1 , a2 и a1 + a2 . Они представляют все подмножества набора { a1, a2 }. Мы ожидаем флуктуации интенсивности сигнала не более чем в четыре различных момента. В узле назначения мы ожидаем флуктуации не более чем в 16 различных моментов (которые являются всеми подмножествами данного). Если у нас есть флуктуация в целевом моменте B , это означает, что у нас есть решение задачи, в противном случае нет подмножества, сумма элементов которого равна B. Для практической реализации у нас не может быть кабелей нулевой длины, поэтому все кабели увеличиваются с небольшим (фиксированным для всех) значением k'. В этом случае решение ожидается в момент B+n×k .

Встроенные фотонные тензорные ядра

С ростом спроса на технологии ускорения на основе графических процессоров во втором десятилетии 21-го века был сделан огромный акцент на использовании встроенной оптики для создания процессоров на основе фотоники. Появление как нейронных сетей глубокого обучения на основе фазовой модуляции, [15], так и совсем недавно амплитудной модуляции с использованием фотонной памяти [16] создали новую область фотонных технологий для нейроморфных вычислений, [17] [18] что привело к новым технологиям фотонных вычислений, все на одном чипе, таком как фотонное тензорное ядро. [19]

Вычисления на основе длины волны

Вычисления на основе длин волн [20] могут быть использованы для решения задачи 3-SAT с n переменными, m предложениями и не более чем с тремя переменными на предложение. Каждая длина волны, содержащаяся в световом луче, рассматривается как возможное присвоение значений n переменным. Оптическое устройство содержит призмы и зеркала, которые используются для различения надлежащих длин волн, которые удовлетворяют формуле. [21]

Вычисление путем ксерокопирования на прозрачных пленках

Этот подход использует фотокопировальный аппарат и прозрачные листы для выполнения вычислений. [22] Задача k-SAT с n переменными, m предложениями и максимум k переменными на предложение была решена в три этапа: [23]

Маскировка оптических лучей

Задача коммивояжера была решена Шакедом и др. (2007) [24] с использованием оптического подхода. Все возможные пути TSP были сгенерированы и сохранены в двоичной матрице, которая была умножена на другой вектор в оттенках серого, содержащий расстояния между городами. Умножение выполняется оптически с использованием оптического коррелятора.

Оптические сопроцессоры Фурье

Многие вычисления, особенно в научных приложениях, требуют частого использования двумерного дискретного преобразования Фурье (ДПФ) — например, при решении дифференциальных уравнений, описывающих распространение волн или перенос тепла. Хотя современные технологии GPU обычно позволяют выполнять высокоскоростные вычисления больших двумерных ДПФ, были разработаны методы, которые могут выполнять непрерывное преобразование Фурье оптически, используя естественное свойство преобразования Фурье линз . Входные данные кодируются с помощью жидкокристаллического пространственного модулятора света , а результат измеряется с помощью обычного датчика изображения CMOS или CCD. Такие оптические архитектуры могут предложить превосходное масштабирование вычислительной сложности из-за изначально сильно взаимосвязанной природы оптического распространения и использовались для решения двумерных уравнений теплопроводности. [25]

Машины Изинга

Физические компьютеры, конструкция которых была вдохновлена ​​теоретической моделью Изинга, называются машинами Изинга. [26] [27] [28]

Лаборатория Ёсихиса Ямамото в Стэнфорде стала пионером в создании машин Изинга с использованием фотонов. Первоначально Ямамото и его коллеги построили машину Изинга с использованием лазеров, зеркал и других оптических компонентов, которые обычно можно найти на оптическом столе . [26] [27]

Позже группа специалистов Hewlett Packard Labs разработала инструменты проектирования фотонных чипов и использовала их для создания машины Изинга на одном чипе, интегрировав 1052 оптических компонента на этом одном чипе. [26]

Промышленность

Некоторые дополнительные компании, занимающиеся разработкой оптических вычислений, включают IBM , [29] Microsoft , [30] Procyon Photonics, [31] Lightelligence, [32] Lightmatter, [33] Optalysys , [34] Xanadu Quantum Technologies , QuiX Quantum, ORCA Computing, PsiQuantum , Quandela  [fr] и TundraSystems Global. [35]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Нолти, ДД (2001). Разум со скоростью света: новый вид интеллекта. Саймон и Шустер. стр. 34. ISBN 978-0-7432-0501-6.
  2. ^ Фейтельсон, Дрор Г. (1988). "Глава 3: Оптическое изображение и обработка сигналов". Оптические вычисления: обзор для компьютерных ученых . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 978-0-262-06112-4.
  3. ^ Ким, СК; Года, К.; Фард, АМ; Джалали, Б. (2011). «Оптический аналоговый коррелятор шаблонов во временной области для высокоскоростного распознавания изображений в реальном времени». Optics Letters . 36 (2): 220–2. Bibcode : 2011OptL...36..220K. doi : 10.1364/ol.36.000220. PMID  21263506. S2CID  15492810.
  4. ^ "Эти оптические ворота предлагают электронный доступ - IEEE Spectrum". IEEE . Получено 2022-12-30 .
  5. ^ "Энциклопедия лазерной физики и техники - нелинейный индекс, эффект Керра".
  6. ^ Джейн, К.; Пратт, Г. В. Младший (1976). «Оптический транзистор». Appl. Phys. Lett . 28 (12): 719. Bibcode : 1976ApPhL..28..719J. doi : 10.1063/1.88627.
  7. ^ abc US 4382660, K. Jain & GW Pratt, Jr., «Оптические транзисторы и логические схемы, воплощающие их», опубликовано 10 мая 1983 г. 
  8. ^ "Project Silica". Microsoft Research . 4 ноября 2019 г. Получено 07.11.2019 .
  9. ^ Такер, RS (2010). «Роль оптики в вычислениях». Nature Photonics . 4 (7): 405. Bibcode : 2010NaPho...4..405T. doi : 10.1038/nphoton.2010.162 .
  10. ^ Раджан, Рэнджу; Бабу, Падманабхан Рамеш; Сентилнатан, Кришнамурти. «Полностью оптические логические вентили демонстрируют перспективность оптических вычислений». Фотоника . Спектры фотоники . Получено 8 апреля 2018 г. .
  11. ^ Филип Р. Уоллес (1996). Paradox Lost: Images of the Quantum . Springer. ISBN 978-0387946597.
  12. ^ Witlicki, Edward H.; Johnsen, Carsten; Hansen, Stinne W.; Silverstein, Daniel W.; Bottomley, Vincent J.; Jeppesen, Jan O.; Wong, Eric W.; Jensen, Lasse; Flood, Amar H. (2011). «Молекулярные логические вентили с использованием поверхностно-усиленного рамановского рассеянного света». J. Am. Chem. Soc. 133 (19): 7288–91. doi :10.1021/ja200992x. PMID  21510609.
  13. ^ ab Oltean, Mihai (2006). Устройство на основе света для решения задачи о гамильтоновом пути . Нетрадиционные вычисления. Springer LNCS 4135. С. 217–227. arXiv : 0708.1496 . doi :10.1007/11839132_18.
  14. ^ Михай Олтян, Оана Мунтян (2009). «Решение проблемы подмножества-суммы с помощью светового устройства». Natural Computing . 8 (2): 321–331. arXiv : 0708.1964 . doi :10.1007/s11047-007-9059-3. S2CID  869226.
  15. ^ Шен, Ичен; Харрис, Николас К.; Скирло, Скотт; Прабху, Михика; Бэр-Джонс, Том; Хохберг, Майкл; Сан, Синь; Чжао, Шицзе; Ларошель, Хьюго; Энглунд, Дирк; Солячич, Марин (июль 2017 г.). «Глубокое обучение с когерентными нанофотонными схемами». Nature Photonics . 11 (7): 441–446. arXiv : 1610.02365 . Bibcode :2017NaPho..11..441S. doi :10.1038/nphoton.2017.93. ISSN  1749-4893. S2CID  13188174.
  16. ^ Риос, Карлос; Янгблад, Натан; Ченг, Зенггуан; Ле Галло, Мануэль; Пернис, Вольфрам HP; Райт, К. Дэвид; Себастьян, Абу; Бхаскаран, Хариш (февраль 2019 г.). «Вычисления в памяти на фотонной платформе». Science Advances . 5 (2): eaau5759. arXiv : 1801.06228 . Bibcode :2019SciA....5.5759R. doi :10.1126/sciadv.aau5759. ISSN  2375-2548. PMC 6377270 . PMID  30793028. 
  17. ^ Prucnal, Paul R.; Shastri, Bhavin J. (2017-05-08). Нейроморфная фотоника. CRC Press. ISBN 978-1-4987-2524-8.
  18. ^ Шастри, Бхавин Дж.; Тейт, Александр Н.; Феррейра де Лима, Т.; Пернис, Вольфрам Х. П.; Бхаскаран, Хариш; Райт, К. Д.; Прукнал, Пол Р. (февраль 2021 г.). «Фотоника для искусственного интеллекта и нейроморфных вычислений». Nature Photonics . 15 (2): 102–114. arXiv : 2011.00111 . Bibcode :2021NaPho..15..102S. doi :10.1038/s41566-020-00754-y. ISSN  1749-4893. S2CID  256703035.
  19. ^ Feldmann, J.; Youngblood, N.; Karpov, M.; Gehring, H.; Li, X.; Stappers, M.; Le Gallo, M.; Fu, X.; Lukashchuk, A.; Raja, AS; Liu, J.; Wright, CD; Sebastian, A.; Kippenberg, TJ; Pernice, WHP (январь 2021 г.). «Параллельная сверточная обработка с использованием интегрированного фотонного тензорного ядра». Nature . 589 (7840): 52–58. arXiv : 2002.00281 . Bibcode :2021Natur.589...52F. doi :10.1038/s41586-020-03070-1. hdl :10871/124352. ISSN  1476-4687. PMID  33408373. S2CID  256823189.
  20. ^ Sama Goliaei, Saeed Jalili (2009). Решение проблемы 3-SAT на основе оптической длины волны . Optical SuperComputing Workshop. С. 77–85. Bibcode : 2009LNCS.5882...77G. doi : 10.1007/978-3-642-10442-8_10.
  21. ^ Бартлетт, Бен; Датт, Авик; Фань, Шанхуэй (2021-12-20). «Детерминированное фотонное квантовое вычисление в синтетическом временном измерении». Optica . 8 (12): 1515–1523. arXiv : 2101.07786 . Bibcode : 2021Optic...8.1515B. doi : 10.1364/OPTICA.424258. ISSN  2334-2536. S2CID  231639424.
  22. ^ Хэд, Том (2009). Параллельные вычисления с помощью ксерокопирования на прозрачных пленках . Алгоритмические биопроцессы. Springer. С. 631–637. doi :10.1007/978-3-540-88869-7_31.
  23. ^ Вычисление с помощью ксерокопирования на прозрачных пленках, 21 апреля 2015 г. , получено 14 августа 2022 г.
  24. ^ NT Shaked, S Messika, S Dolev, J Rosen (2007). «Оптическое решение для ограниченных NP-полных задач». Прикладная оптика . 46 (5): 711–724. Bibcode :2007ApOpt..46..711S. doi :10.1364/AO.46.000711. PMID  17279159. S2CID  17440025.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  25. ^ AJ Macfaden, GSD Gordon, TD Wilkinson (2017). "Оптический сопроцессор преобразования Фурье с прямым определением фазы". Scientific Reports . 7 (1): 13667. Bibcode :2017NatSR...713667M. doi :10.1038/s41598-017-13733-1. PMC 5651838 . PMID  29057903. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  26. ^ abc Courtland, Rachel (2 января 2017 г.). «Новый чип HPE знаменует собой важную веху в оптических вычислениях». IEEE Spectrum .
  27. ^ ab Cartlidge, Edwin (31 октября 2016 г.). «Новые компьютеры на основе машины Изинга взяты на пробу». Physics World .
  28. ^ Чо, Адриан (2016-10-20). «Странный компьютер пробирается сквозь запутанные задачи». Наука .
  29. ^ Лепренс-Ринге, Дафна (08.01.2021). «IBM использует свет вместо электричества для создания сверхбыстрых вычислений». ZDNET . Получено 02.07.2023 .
  30. ^ Уикенс, Кэти (2023-06-30). «Световой компьютер Microsoft знаменует собой «разоблачение закона Мура»». PC Gamer . Получено 2023-07-02 .
  31. ^ Redrouthu, Sathvik (2022-08-13). «Тензорная алгебра на оптоэлектронном микрочипе». arXiv : 2208.06749 [cs.PL].
  32. ^ де Вольф, Дэниел (2021-06-02). «Ускорение ИИ со скоростью света». MIT News . Получено 2023-07-02 .
  33. ^ Метц, Рэйчел (19 декабря 2023 г.). «Стартап в области фотонных вычислений Lightmatter достиг оценки в 1,2 миллиарда долларов». Bloomberg.com . Получено 19 декабря 2023 г. .
  34. ^ "Optalysys запускает FT:X 2000 — первую в мире коммерческую систему оптической обработки". insideHPC.com . 2019-03-07 . Получено 2023-07-02 .
  35. ^ Гюлен, Керем (15.12.2022). «Что такое оптические вычисления: как они работают, компании и многое другое». Dataconomy.com . Получено 02.07.2023 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Медиа, связанные с оптическими вычислениями на Wikimedia Commons