§ 3. Оптические, акустооптические и оптоэлектронные средства выполнения преобразований Фурье и других преобразований

А. Сравнительная оценка условий использования оптических и микроэлектронных устройств.

Наиболее широко применяются микроэлектронные, главным образом, микропроцессорные устройства, выполняющие как рассматриваемые нами преобразования, так и иную обработку информации. О них было рассказано в § 2- Важным их качеством является то, что с высокой точностью может производиться обработка данных в ходе выполнения преобразований.

Целесообразность использования оптических элементов определяется следующим. Во многих случаях не требуется столь точное выполнение операций, как то, которое обеспечивается при работе ЭВМ и других электронных устройств. В этих условиях преимуществом оптических элементов и устройств является то, что преобразование сигналов производится за малое время, зависящее от скорости распространения света, т.е. за время, многократно меньшее того, которое занимает обработка сигналов в электронных устройствах. Другим преимуществом оптических устройств, предназначенных для преобразований Фурье, Френеля, цифровой фильтрации, является то, что соответствующие операции просто выполняются всего лишь за один такт работы оптического процессора. И наконец, преимуществом их является также то, что оптическая система обычно двумерная, что важно для обработки изображений. Большое значение имеет и то, что оптические элементы хорошо сочетаются с акустическими, электронными, магнитными. Это позволило создать ряд комбинированных устройств, широко применяемых сейчас на практике.

Расширение в дальнейшем применения электронных и оптических процессоров, производящих преобразования Фурье, Уолша, Хаара и выполняющих другие рассматриваемые в нашей книге функции, будет зависеть от общего состояния и развития техники построения ЭВМ и оптических средств обработки информации. Представляют интерес касающиеся развития этих отраслей высказывания специалистов, которые приводятся ниже.

В книге [148] в отношении ЭВМ сказано следующее: "Появление электронных вычислительных машин произвело революционный переворот в развитии науки и техники. За тридцать лет скорость вычислений возросла в 100 миллионов раз. Такого скачка не было ни в одной области человеческой деятельности за всю историю цивилизации. В короткое время ЭВМ стали тем универсальным аппаратом, без которого оказался невозможным прогресс ни в одной из областей, где перед человеком стояла задача обработки больших объемов информации".

Сейчас прогресс в развитии ЭВМ связан с необычайно быстрым совершенствованием технологии их изготовления. По оценке автора работы [11] "из всех факторов, влияющих на архитектуру вычислительных систем, безусловно, самым важным является технология. Технология — не просто крайне важный фактор, влияющий на архитектуру ЭВМ, но также очень сложная и быстро меняющаяся область человеческой деятельности. Темпы технологического прогресса настолько высоки, что не будет преувеличением считать любую серийно выпускаемую машину устаревшей в технологическом плане. Например, для кристаллов памяти характерно ежегодное увеличение емкости на 70%, тогда как плотность логических элементов (количество вентилей на единицу площади) возрастает в год на 25%. Площадь кристалла ИС ежегодно возрастает на 20%, а произведение рассеиваемой мощности на временную задержку за год падает вдвое". В указанной работе говорится о лихорадочном развитии технологии. Принимая во внимание то, что здесь сказано, нужно иметь в виду и достижение в ближайшем будущем, или уже сейчас (упоминалась нами статья [194]) практического предела миниатюризации электронных элементов: созданы построенные на субмикронных элементах суперкристаллы ССИС, содержащие десятки миллионов элементов.

Изыскиваются возможности для использования различных физических эффектов для построения вычислительных машин. При этом значительное место отводится оптической обработке информации. Однако сейчас оптическая техника не конкурирует с электронной, а разумным образом дополняет ее. В качестве примера можно указать на применение оптических запоминающих устройств в электронных вычислительных системах и световодов в технике связи. В основном пока разрабатываются аналоговые оптические вычислительные машины и устройства [5, 148]. Но разрабатываются и оптические элементы для цифровой обработки информации [288].

Широко ведутся работы, направленные на создание и применение акустооптических, оптоэлектронных, магнитооптических элементов и устройств. Оценивая возможность эффективного использования оптических элементов при создании вычислительных машин, специалисты считаются с преимуществами, которые обеспечат применение оптической техники. Приведем высказывания по этому поводу, сделанные в работе [281]:

"... использование когерентного света, а также ряда специфических свойств некоторых кристаллических материалов позволяет реализовать следующие преимущества: высокую плотность параллельных информационных каналов на в сочетании с большой скоростью преобразования информации (до бит в секунду); высокую помехоустойчивость и развязку между каналами; возможность выполнения интегральных преобразований над информацией, представленной в виде изображений, комплексных волновых полей, двоичного или многоградационного матричных кодов; возможность создания оптичёской топографической памяти с плотностью хранения информации до (что на 4—6 порядков больше, чем при других организациях ЗУ); возможность произвольной адресации информации; возможность введения информации в оптические системы в естественном виде без преобразования и кодирования ее; возможность получения результатов вычислений в виде изображений, полей и т.д. Методы голографии позволяют вводить в оптическую вычислительную машину (ОВМ) непосредственно речь, текст, изображение, волновые поля. Наконец, ОВМ открывает возможность создания новых вычислительных методов, использующих сложные информационные преобразования (операции над понятиями) и ассоциативные методы обработки информации, позволяющие решать такие сложные задачи, как управление многопараметрическими объектами и распознавание образов".

Сказанное выше имеет отношение и к оценке перспектив усовершенствования оптических, акустооптических и иных устройств, предназначенных для выполнения рассматриваемых нами преобразований. Ниже описываются принципы построения уже разработанных устройств этого назначения.