Optické nebo fotonické počítače jsou hypotetická výpočetní zařízení, ve kterých se výpočty provádějí pomocí fotonů emitovaných lasery nebo LED diodami .
Většina moderních výzkumů je zaměřena na nahrazení tradičních (elektronických) počítačových komponent jejich optickými ekvivalenty.
Předpokládá se, že výsledkem těchto studií bude nová digitální počítačová technologie pro zpracování binárních dat. Tento přístup k náhradě elementové báze umožňuje v krátkodobém horizontu vyvinout technologie pro komerční využití, neboť optické komponenty lze použít v klasických počítačích, nejprve při vytváření hybridních elektron-fotonických systémů, a poté zcela fotonických.
Optoelektronická zařízení však při přeměně elektřiny na světlo ztrácejí 30 % energie a naopak, což také zpomaluje rychlost přenosu informací v optoelektronických opakovačích [1] . V hypotetickém plně optickém počítači by nedocházelo k převodu signálu z optického na elektrický a zpět na optický.
Základní součástí elektronických počítačů je řízený elektronický spínač, nejčastěji tranzistor . Pro nahrazení elektronické logiky optickou při zachování stávajícího koncepčního logického obvodu bude nutné implementovat optický tranzistor.
Jednou z možných variant je použití materiálů s nelineárními optickými efekty , zejména s nelineárním chováním indexu lomu .
Již byly nalezeny některé materiály [2] , u kterých intenzita příchozího záření ovlivňuje intenzitu procházejícího záření, toto chování je obrazně porovnáno s rodinou proudově napěťových charakteristik (CVC) polovodičového tranzistoru. Podobné „optické tranzistory“ [3] [4] by se daly použít k vytvoření optických logických hradel [4] , ze kterých by se sestavovaly složitější logické obvody. Mnoho nelineárních efektů však vyžaduje řídicí signály s velmi vysokou intenzitou.
Několik společností představilo prototypy optoelektrických analogových systémů využívajících prostorové modulátory , které jsou řízeny elektrickými signály. Tvůrci těchto instalací navrhli několik variant systémů, které lze řešit podobnými systémy.
Bell labs optický počítačPrvní maketa optického počítače byla vytvořena v roce 1990 skupinou Alana Huanga v Bellových laboratořích [5] [6] ke smíšeným recenzím [7] .
DOC-IIDalší prototyp v roce 1991 byl nazván " DOC-II " ( angl. Digital Optical Computer - digitální optický počítač) [8] [9] . Bylo použito 64 laserů, maticový prostorový modulátor 64x128 (maticovými prvky jsou Braggovy buňky z fosfidu galia ) a 128 fotodetektorů, optické schéma mohlo provádět booleovské vektorové a maticové násobení.
Podle autorů byl tento počítač schopen zkontrolovat až 80 tisíc stránek textu za sekundu při provádění příkazu pro vyhledávání slov .
Lensletův optický počítačV roce 2003 Lenslet předvedl optický DSP procesor EnLight256 [ 5] [ 10] [11] . Charakteristickým rysem jeho architektury je, že zatímco jádro procesoru je založeno na analogových optických technologiích, všechny vstupy, výstupy a řídicí obvody jsou elektronické. Tento procesor je podle autorů schopen provádět až 8×10 12 základních operací na 8bitových celých číslech za sekundu. 256 laserů osvětluje 256x256 buňkový (elektronicky řízený) modulátor prostorového světla MQWSLM, 256 fotodetektorů čte analogový výsledek. Procesor tedy provádí operaci s vektorovou maticí. Řídicí matici MQWSLM lze překonfigurovat na nová data několik milionůkrát za sekundu.
EnLight AlphaNa ORNL byl studován demo procesor EnLight Alpha (s modulátorem 64x64) a testována na něm činnost diskrétní Fourierovy transformace s 8bitovou přesností. I přes kvantizační šum způsobený malou délkou binárních slov pro data s nízkou amplitudou byla při zpracování tímto systémem úspěšně nalezena všechna spektrální maxima [12] .
Fotonová logika by měla hypoteticky používat jednotlivé fotony světla[ objasnit ] v logických hradlech (jako NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR ). Spínací funkce by mohly být realizovány nelineárními optickými efekty způsobenými jedním řídicím optickým signálem a působícím na jiný optický signál [4] .
Při implementaci fotonické logiky mohou být potřeba optické dutiny , které zvyšují energii v důsledku zesilující interference (interference v jedné fázi) a zjednodušují výskyt nelineárních efektů.
Fotonická logika na jednotlivých molekulách se také zkoumá pomocí efektu fotoluminiscence . V roce 2011 Witlicki et al prokázali provádění logických operací s molekulami pomocí SERS Ramanovy spektroskopie [13] .
V roce 2008 představili vědci z IBM experimentální optický přepínač s použitím křemíkových reflexních dutin, který poskytoval rychlost přenosu paketových dat přes 1 Tbps [14] [15] .
V roce 2009 navrhli profesoři MIT Vladimir Stoyanovich a Rajiv Rem metodu vytváření optických vlnovodů přímo na křemíkových čipech, které implementují polovodičové procesory. Demonstrovali také křemíkové řízené rezonátory na čipu emitující záření o různých vlnových délkách ze vstupního signálu [16] [17] .
Paměťová zařízení a operace na jednotlivých bitech jsou od roku 2009 ve zcela optických systémech špatně implementovány, takže tyto technologie se zatím používají pouze při přepínání optických signálů v závislosti na vlnové délce záření a přepínání různých optických vláken (zejména v OADM ) [18] .
Často se tvrdí, že provoz optických počítačů bude energeticky efektivní, nicméně v optických systémech je při přenosu informací na krátkou vzdálenost často nutné použít více energie než v elektrických a elektronických systémech. Je to proto, že šum výstřelu v optických kanálech je vyšší než tepelný šum v elektrických kanálech, což vyžaduje vyšší úroveň signálu pro udržení poměru signálu k šumu při implementaci vysokorychlostního kanálu. Pouze s prodlužováním délky komunikačního kanálu rostou ztráty v elektrických kanálech rychleji než v optických, takže dlouhé vysokorychlostní komunikační kanály se již realizují pomocí optické komunikace. Existuje tendence nahrazovat stále kratší elektronické komunikační kanály optickými kanály se zvyšujícími se rychlostmi přenosu informací [19] [20] , zejména optické kabely jsou stále populárnější než elektrické kabely pro vysokorychlostní verze Ethernetu (10G, 40G, 100G) již v délce ne více než 10 metrů.
Významným problémem pro čistě optické zpracování informací je slabá interakce několika optických signálů. Světlo je elektromagnetická vlna, která nemůže interagovat s jinou elektromagnetickou vlnou ve vakuu díky své linearitě, která je uváděna jako princip superpozice . Interakce světelných paprsků je možná pouze v opticky nelineárních materiálech [21] a míra takové interakce u elektromagnetických vln je mnohem nižší než u elektrických signálů v tradičních počítačích. Z tohoto důvodu vyžadují spínací prvky optického počítače vysoký signálový výkon a jsou větší než stávající elektronické obvody.
Existují pochybnosti[ čí? ] ve schopnostech optických počítačů a také v tom, zda mohou konkurovat polovodičovým elektronickým systémům v rychlosti, energetické účinnosti , ceně a kompaktnosti. Kritici poukazují na [22] , že logické systémy vyžadují od základny nelineárních prvků následující schopnosti: obnovení původních logických úrovní, kaskádování , schopnost kombinovat několik vstupních signálů na vstupu jednoho prvku ( fan-in ) a větvení výstupní signál jednoho prvku na vstup více prvků ( fan -out ) [23] [24] , izolace mezi vstupy a výstupy. Všechny tyto vlastnosti jsou technicky snadno realizovatelné v tranzistorových obvodech, přitom jsou extrémně levné (pro mikroelektronické provedení), mají nízký vývin tepla a vysokou rychlost spínání.
Od roku 2010 nebyly prezentovány žádné optické prvky nebo obvody (pasivní ani aktivní), které by měly požadovanou funkčnost a zároveň byly tak kompaktní a energeticky účinné jako tranzistorové obvody [22] . Aby byla logika na optických součástkách konkurenceschopná, je nutný zásadní průlom ve funkčnosti, spotřebě energie a kompaktnosti optických prvků; vývoj optických pamětí a technologií sériové výroby [22] . Předpokládá se také, že optické výpočetní systémy neposkytnou akceleraci zpracování informací, protože stejně jako v případě tranzistorové logiky bude spínací frekvence pravděpodobně omezena spotřebou energie [22] .
Optické prvky se používají pouze v několika specifických oblastech, například pro přenos signálu na velké vzdálenosti po komunikačních linkách z optických vláken (kvůli nízkému útlumu šíření [22] ), přičemž v takových optických systémech se neprovádějí žádné výpočty optickými metodami.
| Počítačové kurzy | |
|---|---|
| Podle úkolů | |
| Prezentací dat | |
| Podle číselného systému | |
| Podle pracovního prostředí | |
| Po domluvě | |
| Superpočítače | |
| Malý a mobilní | |