Все мы понимаем, что рано или поздно кремниевая технология, используемая сегодня для создания процессоров, достигнет своего предела. Это как с нефтью – когда-то она закончится, поэтому уже сейчас начинают создавать электродвигатели, водородные двигатели и даже спиртовые двигатели! Точно такая же ситуация сложилась и в мире информационных технологий – кремниевой технологии начинают искать замену. 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. Сейчас мы поговорим об этом чуде рук человеческих, от истории до принципов работы. Правда, чтобы все было понятно, нужно немного знать оптику (это наука о свете). Я постараюсь изложить все как можно проще, но что будет совсем просто, не надейтесь.

Вы не должны думать, что оптический процессор появился из ниоткуда. Просто его появление не афишировалось, поскольку все процессоры создавались и продолжают создаваться по кремниевой технологии. А на самом деле работы по созданию оптического процессора начались еще в восьмидесятых. И не потому, что уже тогда кремниевую технологию хотели заменить более совершенной, а просто ради интереса – почему бы не создать альтернативный тип процессора?

Однако началу работ над созданием такого типа процессоров предшествовали несколько серьезных работ в области оптических квантовых генераторов, по-нашему – лазеров (рис. П1). Не посчитайте меня занудой: сейчас будет немного хронологии, просто это интересно знать.

В 1964 году Прохоров, Басов и Таунс получили Нобелевскую премию за свою работу, которая произвела настоящую революцию в квантовой электронике. После этой работы стало возможным создание квантовых генераторов и усилителей, основанных на лазерном принципе. А в 1971 году Д. Габор получил премию за изобретение голографического метода. Сейчас голография применяется в картографии, медицине, при диагностике сбоев в различных устройствах, а также в других отраслях.

А теперь вернемся к тем восьмидесятым, с которых все и началось. Исследователи по оптической электронике начали работать над созданием оптического процессора нового поколения. Оптический процессор должен был использовать специальные элементы, в которых свет управляет светом. Логические операции представлены как взаимодействие вещества со светом. В 1990 году фирма Bell создала макет оптического устройства и продемонстрировала выполнение логических и арифметических операций с очень высоким быстродействием. А в 2003 году компания Lenslet (www.lenslet.com) создала первый в мире оптический процессор, причем это была не демонстрационная модель, как в 1990 году, а коммерческий продукт, который можно было купить. Процессор называется EnLight256, его производительность составляет 8 тераоп (триллионов арифметических операций в секунду)! Операции выполняются за счет манипуляции потоков света, а не электронов, поэтому достигается такая производительность. У вас может возникнуть вполне справедливый вопрос: зачем нам такая производительность? Да, обычному пользователю она не нужна, но справедливости ради нужно отметить, что оптические процессоры пока и не ориентированы на обычного пользователя, который хочет, чтобы его XP работала шустрее, чем у соседа. Оптические технологии в первую очередь ориентированы (по крайней мере, сейчас) на промышленное производство, военную технику, где нужно в реальном времени обрабатывать большие потоки информации, где промедление в несколько сотых секунд может закончиться непоправимыми последствиями.

Рассмотрим преимущества оптической технологии:

• можно параллельно передавать целые изображения за один световой пучок;

• возможность использования совершенно разных сред передачи, хранения и обработки информации;

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

• информация, которая закодирована оптическим лучом, может передаваться без затрат энергии! 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.

Как уже отмечалось, в 1990 году компания Bell (BellLabs) создала макет первого оптического компьютера. В основе процессора лежали двухмерные матрицы бистабильных полупроводниковых элементов со множествами квантовых ям. Эти элементы обладали электрооптическими свойствами (в англоязычной литературе встречается аббревиатура SEED – Self-Electro-Optic-Effect Devices). Освещение элементов производилось полупроводниковым лазером через голографическую решетку Даммена. Мощность излучения лазера составила 10 мВт, длина волны – 850 нм. Как это все работало? Свет проходил через один диод, в цепи возникал ток, что, в свою очередь, приводило к падению напряжения на структуре решетки и к повышению пропускания света через вторую структуру. Вот так возникала обратная связь, и совокупность элементов образовывала логические ячейки ИЛИ-И, ИЛИ-НЕ и т. д. Первый оптический компьютер занимал всего один квадратный метр. Состоял он из четырех каскадов. На выходе каждого каскада определялось пространственное распределение излучения по состоянию входящей в состав каскада жидкокристаллической маски. Управление маской производилось на обычном компьютере.

Во втором поколении оптических компьютеров использовалась век-торно-матричная логика. Второе поколение было представлено компьютером DOC–II (Digital Optical Computer).

Поток данных в компьютере DOC–II излучали 64 модулируемых лазерных диода, длина волны каждого составляла 837 нм. Свет от каждого диода отображался на одну строчку матричного пространственного модулятора, общий размер которого составляет 64 128 элементов. Отдельный элемент матрицы – это не что иное, как брэгговская оптическая ячейка (на основе GaP). Свет, который выходит из модулятора, попадает на целый ряд фотодиодов (128 штук). Посмотрите на фотографию DOC–II (рис. П2): в нем 8192 вспомогательных соединения. В секунду компьютер может сделать 0,8192 переключения, при этом на одно переключение затрачивается 7,15 фДж, если посчитать в фотонах, то это около 3000 фотонов. Понимаю, что все эти числа для вас – китайская грамота, хотелось бы реальный пример. Хорошо!

Представьте, что нам нужно найти какое-то слово в тексте. Я провел небольшой эксперимент. Тестовая система Duron 1,6/256 MB/Win XP SP1, запущено более 50 процессов. Взял документ MS Word на 954 страницах, написал заветное слово на 953-й странице (такое слово было только одно в документе). Запустил поиск этого слова и одновременно нажал кнопку «Старт» на своем секундомере. Поиск занял чуть больше 3 секунд (а именно 3,175), будем считать, что 3 секунды – ведь мне еще нужно было нажать «Стоп». Тут даже не принципиально, 2 или 3 секунды. Потому что оптический компьютер просматривает за ОДНУ секунду 80 000 страниц обычного ASCII-текста. Думаю, комментировать дальше просто нет смысла. Основной недостаток оптического компьютера – неинтегрируемость его компонентов. В настоящее время ведутся работы по созданию интегрального модуля оптического компьютера. Компьютер будет называться High Performance Optoelectronic Communication – HPOC. Опытная его модель уже создана.

В новом компьютере планируется использовать входную матрицу с вертикально расположенными лазерными диодами. Диоды будут соединяться волноводами и обычной оптикой, оснащенной матрицами переключения, на основе дифракционных оптических элементов. Выходная система будет состоять из матрицы фотодиодов, которая будет совмещена с входной матрицей. В модуле используются технологии CMOS, Bi-CMOS, GaAs, оптические межсоединения организованы с использованием свободного распространения световых пучков. В итоге получается квазичетырехмерная структура. Уже создана опытная система. Она показывает скорость 1015 операций в секунду, причем «кушает» энергии всего 1 фДж на переключение (сравните с DOC–II – там 7 фДж). Что же касается веса, то пока нынешние оптические системы в этом проигрывают – их вес превышает используемые сейчас чипы. Конечно, до размеров и веса суперкомпьютеров пятидесятых не дойдет, но оптический ноутбук будет больших размеров (если он вообще будет в ближайшее время).

Поскольку только одна фирма в мире создала коммерческий оптический процессор, который можно купить, а не только посмотреть на него и сказать: «Как быстро он работает!», о ней мы сейчас и поговорим. Как уже было сказано, данный процессор называется EnLight 256 (рис. П3) и создала его фирма Lenslet. EnLigth 256 – это первый оптический DSP (Digital Signal Processor), превосходящий в три раза лучшие электронные DSP. Вообще-то если уже быть предельно точным, то EnLight 256 – это гибридный оптический процессор – он же не весь полностью оптический, а содержит преобразователи. Но на сегодняшний день полностью создать оптический компьютер не то чтобы очень сложно, а очень дорого. К тому же неизвестно, как он будет работать. А тут мы меняем только ядро (ведь все остальное остается таким же – электрическим) и получаем огромный прирост производительности.

Ядро этого процессора – оптическое, а входная и выходная информация представляется в электронном виде. Ядро состоит из 256 VCSEL-лазеров, пространственного модулятора света, набора линз и приемников. Производительность процессора составляет 8 триллионов операций в секунду: за один такт (8 нс) процессор умножает 256-байтный квант на матрицу 256 x 256.

Поговорим о технологии Lenslet. Данная технология, как мы уже знаем, использует оптическое ядро, а входная и выходная информации представляются в электронном виде. Такая организация позволяет использовать лучшее из оптического и электрического миров. Оптическая матрица VMM (Vector-Matrix Multiplication) – ядро процессора – конвертирует электрическую информацию в свет, затем производит необходимые преобразования этой информации (вычислительные операции), направляя свет через программируемую внутреннюю оптику (рис. П4). Свет, который появляется на выходе, ощущается множеством датчиков и преобразуется обратно в электрический сигнал.

VMM состоит из трех основных элементов:

• N некогерентных лазеров, которые представляют вектор, состоящий из N элементов, каждый элемент – это 8 бит;

• пространственного модулятора Multiple Quantum Well (MQW), состоящего из N x N пикселных модуляторов, размещенных на одном чипе (рис. П5);

• ряда из N детекторов света, которые интегрированы в массив аналого-светового преобразования (Analog to Digital Converters, ADC). Детекторы установлены так, чтобы получать лучи от матрицы модулятора. Вывод столбца детектора – это вектор-результат.

Каждый элемент входного вектора проектируется на столбец матрицы. Каждый ряд матрицы проектируется на один детектор в векторе результата (вывода).

Теперь разберемся, как это все программируется. Программирование оптического цифрового сигнального процессора (Optical Digital Signal Processing Engine, ODSPE) заключается в изменении значений, которые сохранены в пространственном модуляторе (Spatial Light Modulator, SLM). Загрузка приложения (или данные внутри приложения) аналогична замене матрицы в пространственном модуляторе. Мо жете догадаться сами, как быстро это происходит. Кстати, пространственный модулятор может поставляться как отдельный продукт, так что вам ничего не мешает (наверное, кроме отсутствия нужных средств), чтобы соз дать свой оптический процессор. Этот модулятор называется Ablaze, и о нем можно прочитать на сайте компании Lenslet.

Где сейчас используется EnLight 256? Вы можете засомневаться, что он вообще используется, но на самом деле это так. Основные сферы его применения – это военная промышленность и обработка видео в реальном времени; обе сферы требуют высокой производительности. Представьте, что будет, если при вычислении угла отклонения ракеты компьютер немного «задумается»?

Шестого декабря 2007 года компания IBM заявила, что намерена выпускать оптические процессоры всего через пять лет. Да, через пять лет (пусть через семь – сначала оптические процессоры будут очень дорогими) на столе у каждого из нас будет стоять настоящий суперкомпьютер (по нынешним меркам).

При написании приложения были использованы материалы сайтов: www.lenslet.com; http://dims.karelia.ru/~avip/op/in.htm (сейчас ссылка недоступна, но на сайте можно скачать архив с моего сайта http://dkws.org.ua/a/etc/op.rar). Если вы заинтересовались непосредственно физикой оптических процессов, обязательно зайдите на второй сайт. На сайте фирмы Lenslet, кроме рекламной информации и кратких характери стик, нет больше ничего интересного, а на страничке «Оптические процессоры» (второй URL) вы найдете все – от физических основ и математических моделей до самих элементов оптического процессора.