Calculatoarele optice sau fotonice sunt dispozitive de calcul ipotetice în care calculele sunt efectuate folosind fotoni emiși de lasere sau LED-uri .
Majoritatea cercetărilor moderne vizează înlocuirea componentelor tradiționale (electronice) ale computerelor cu echivalentele lor optice.
Se presupune că rezultatul acestor studii va fi o nouă tehnologie informatică digitală pentru prelucrarea datelor binare. Această abordare a înlocuirii bazei elementului face posibilă pe termen scurt dezvoltarea tehnologiilor pentru uz comercial, deoarece componentele optice pot fi utilizate în computerele clasice, mai întâi la crearea unor sisteme hibride electron-fotonice, și apoi complet fotonice.
Cu toate acestea, dispozitivele optoelectronice pierd 30% din energie la transformarea energiei electrice în lumină și invers, ceea ce încetinește și viteza de transfer a informațiilor în repetoarele optoelectronice [1] . Într-un computer ipotetic complet optic, nu ar exista nicio conversie a semnalului de la optic la electric și înapoi la optic.
O componentă fundamentală a computerelor electronice este un comutator electronic controlat, cel mai frecvent un tranzistor . Pentru a înlocui logica electronică cu una optică, menținând în același timp circuitele logice conceptuale existente, va fi necesară implementarea unui tranzistor optic ..
Una dintre opțiunile posibile este utilizarea materialelor cu efecte optice neliniare , în special, comportamentul neliniar al indicelui de refracție .
Au fost deja găsite unele materiale [2] în care intensitatea radiației de intrare afectează intensitatea radiației transmise; acest comportament este comparat figurativ cu familia de caracteristici curent-tensiune (CVC) a unui tranzistor semiconductor. „Tranzistoare optice” similare [3] [4] ar putea fi folosite pentru a crea porți logice optice [4] , din care să fie asamblate circuite logice mai complexe. Cu toate acestea, multe efecte neliniare necesită semnale de control de intensitate foarte mare.
Mai multe companii au prezentat prototipuri de sisteme analogice optoelectrice folosind modulatoare spațiale care sunt conduse de semnale electrice. Creatorii acestor instalații au propus mai multe opțiuni pentru sisteme care pot fi rezolvate prin sisteme similare.
Computer optic Bell labsPrima machetă a unui computer optic a fost creată în 1990 de grupul lui Alan Huang de la Bell Labs [5] [6] la recenzii mixte [7] .
DOC-IIUrmătorul prototip din 1991 a fost numit " DOC-II " ( Eng. Digital Optical Computer - computer optic digital) [8] [9] . A folosit 64 de lasere, un modulator spațial cu matrice de 64x128 (elementele matricei sunt celule Bragg cu fosfură de galiu ) și 128 fotodetectoare, schema optică putând efectua multiplicarea vectorului boolean și a matricei.
Potrivit autorilor, acest computer era capabil să verifice până la 80 de mii de pagini de text pe secundă atunci când executa o comandă de căutare de cuvinte .
Calculatorul optic al lui LensletÎn 2003, Lenslet a demonstrat procesorul optic DSP EnLight256 [ 5] [ 10] [11] . O caracteristică a arhitecturii sale este că, în timp ce nucleul procesorului se bazează pe tehnologii optice analogice, toate intrările, ieșirile și circuitele de control sunt electronice. Acest procesor este capabil să efectueze, conform autorilor, până la 8×10 12 operații elementare pe numere întregi de 8 biți pe secundă. 256 de lasere luminează un modulator de lumină spațială MQWSLM de 256x256 celule (controlat electronic), 256 de fotodetectoare citesc rezultatul analogic. Astfel, procesorul efectuează o operație vector-matrice. Matricea de control MQWSLM poate fi reconfigurată cu date noi de câteva milioane de ori pe secundă.
EnLight AlphaProcesorul demonstrativ EnLight Alpha (cu un modulator 64x64) a fost studiat la ORNL, iar pe acesta a fost testată funcționarea transformării Fourier discrete cu precizie de 8 biți. În ciuda zgomotului de cuantizare din cauza lungimii mici a cuvintelor binare pentru datele cu amplitudine redusă, atunci când sunt procesate de acest sistem, toate maximele spectrale au fost găsite cu succes [12] .
Logica fotonică ar trebui să utilizeze ipotetic fotoni individuali de lumină[ clarifica ] în porțile logice (cum ar fi NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR ). Funcțiile de comutare ar putea fi implementate prin efecte optice neliniare cauzate de un semnal optic de control și care acționează asupra altui semnal optic [4] .
La implementarea logicii fotonice, pot fi necesare cavități optice care cresc energia datorită interferenței de amplificare (interferență într-o fază) și simplifică apariția efectelor neliniare.
Logica fotonică pe molecule individuale este, de asemenea, investigată folosind efectul de fotoluminiscență . În 2011, Witlicki și colab. au demonstrat efectuarea de operații logice pe molecule folosind spectroscopie Raman SERS [13] .
În 2008, cercetătorii de la IBM au prezentat un switch-on-a-chip optic experimental care folosea cavități reflectorizante de siliciu care au furnizat rate de transfer de date de pachete de peste 1 Tbps [14] [15] .
În 2009, profesorii MIT Vladimir Stoyanovich și Rajiv Rem au propus o metodă de creare a ghidurilor de undă optice direct pe cipuri de siliciu care implementează procesoare cu semiconductori. Ei au demonstrat, de asemenea, rezonatoare controlate de siliciu pe cip care emit radiații cu lungimi de undă diferite de la semnalul de intrare [16] [17] .
Începând cu 2009, dispozitivele de memorie și operațiunile pe biți individuali sunt implementate prost în sistemele optice, astfel încât astfel de tehnologii sunt utilizate până acum doar în comutarea semnalelor optice în funcție de lungimea de undă a radiației și comutarea diferitelor fibre optice (în special, în OADM ) [18] .
Se susține adesea că funcționarea computerelor optice va fi eficientă din punct de vedere energetic, totuși, în sistemele optice, atunci când se transmit informații pe distanțe scurte, este adesea necesar să se folosească mai multă putere decât în sistemele electrice și electronice. Acest lucru se datorează faptului că zgomotul de împușcare în canalele optice este mai mare decât zgomotul termic din canalele electrice, ceea ce necesită un nivel de semnal mai ridicat pentru a menține raportul semnal-zgomot la implementarea unui canal de mare viteză. Doar odată cu creșterea lungimii canalului de comunicație, pierderile în canalele electrice cresc mai repede decât în cele optice, astfel încât canalele lungi de comunicație de mare viteză sunt deja implementate folosind comunicația optică. Există tendința de a înlocui canalele de comunicații electronice din ce în ce mai scurte cu canale optice cu rate de transfer de informații în creștere [19] [20] , în special, cablurile optice devin din ce în ce mai populare decât cablurile electrice pentru versiunile de mare viteză de Ethernet (10G, 40G, 100G) deja la o lungime de cel mult 10 metri.
O problemă semnificativă pentru procesarea integrală a informațiilor este interacțiunea slabă a mai multor semnale optice. Lumina este o undă electromagnetică care nu poate interacționa cu o altă undă electromagnetică în vid datorită liniarității sale, care este enunțată ca principiul suprapunerii . Interacțiunea fasciculelor de lumină este posibilă numai în materiale optic neliniare [21] , iar gradul de astfel de interacțiune pentru undele electromagnetice este mult mai mic decât pentru semnalele electrice din calculatoarele tradiționale. Din acest motiv, elementele de comutare ale unui computer optic necesită puteri mari de semnal și sunt mai mari decât circuitele electronice existente.
Există îndoieli[ a cui? ] în capacitățile computerelor optice, precum și dacă acestea pot concura cu sistemele electronice semiconductoare în ceea ce privește viteza, eficiența energetică , prețul și compactitatea. Criticii subliniază [22] că sistemele logice necesită următoarele capacități de la o bază de elemente neliniare: restabilirea nivelurilor logice originale, cascada , capacitatea de a combina mai multe semnale de intrare la intrarea unui singur element ( fan-in ) și ramificare. semnalul de ieșire al unui element la intrarea mai multor elemente ( fan -out ) [23] [24] , izolarea între intrări și ieșiri. Toate aceste proprietăți sunt ușor de implementat din punct de vedere tehnic în circuitele de tranzistori, în timp ce sunt extrem de ieftine (pentru implementarea microelectronică), au generare scăzută de căldură și viteză mare de comutare.
Din 2010, nu au fost prezentate elemente sau circuite optice (pasive sau active) care să aibă funcționalitatea necesară și, în același timp, să fie la fel de compacte și eficiente din punct de vedere energetic ca și circuitele tranzistoare [22] . Pentru ca logica componentelor optice să fie competitivă, este necesară o descoperire fundamentală în funcționalitatea, consumul de energie și compactitatea elementelor optice; dezvoltarea memoriei optice și a tehnologiilor de producție în loturi [22] . De asemenea, se presupune că sistemele de calcul optice nu vor asigura accelerarea procesării informațiilor, deoarece, ca și în cazul logicii tranzistorului, frecvența de comutare este probabil limitată de consumul de energie [22] .
Elementele optice sunt utilizate doar în câteva zone specifice, de exemplu, pentru transmiterea semnalului pe distanțe lungi prin linii de comunicație prin fibră optică (datorită atenuării propagării scăzute [22] ), în timp ce în astfel de sisteme optice nu se fac calcule prin metode optice.
| Cursuri de informatică | |
|---|---|
| Conform sarcinilor | |
| Prin prezentarea datelor | |
| După sistemul numeric | |
| După mediul de lucru | |
| Prin programare | |
| Supercalculatoare | |
| Mic și mobil | |