10.4.3. Оптическая реализация мультипроцессорных архитектур

Любой подход к рассмотрению оптических архитектур требует серьезных размышлений на тему, а что вообще можно реализовать на основе существующих технологий, и в частности на базе электронных схем со сверхвысокой степенью интеграции. Оптические вычисления не будут создавать серьезной конкуренции электронным вычислениям, если не дадут существенного (на несколько порядков) улучшения характеристик по ряду критических параметров. Следовательно, отправной точкой при рассмотрении применений оптики в символьных вычислениях должно стать выявление круга задач, решаемых с помощью электронных систем.

Вполне закономерным является тот факт, что относительная слабость и сила электронных и оптических методов прослеживаются тем или. иным путем уже в самих основах физики междуэлектронных или междуфотонных взаимодействий. По этому поводу заметим, что между электронами существует сильное взаимодействие, в то время как между фотонами — слабое. Отсюда следует, что электроны хорошо подходят для использования в переключающих операциях, столь важных в вычислениях, а фотоны хороши для осуществления связи между переключателями, создавая связи, свободные от вредных эффектов взаимодействия, создающих перекрестные наводки и емкостную паразитную нагрузку. Однако соглашаться с такими утверждениями было бы преждевременно вследствие существования квантовых потерь, сопровождающих как преобразование электрона в фотон, так и фотона в электрон. Исследования и разработка направлены на поиск путей замены длинных внутрикомпьютерных соединений оптическими каналами связи, поскольку именно длинные соединения создают для электронных устройств жесткие проблемы с выделением мощности, быстродействием и занимаемым объемом для электронных устройств [26]. Это, естественно, слишком далеко от реализации оптикой всех ее возможных преимуществ в многопроцессорных архитектурах, пригодных для символьных вычислений.

Рассмотрим качественную схему соотношения объема электронных переключений и оптической связи, представленную на рис. 10.34 в виде квадрата, для которого стороны представляют континуум состояний между экстремальными состояниями, изображенными по углам. Верхний левый угол представляет чисто электронные системы, в то время как нижний правый угол — чисто оптические системы. Так как перемещение в направлении левого нижнего угла выходит за рамки рассматриваемой проблемы, внимание будет уделено состояниям, расположенным вверху и справа. При рассмотрении вычислительных систем, для которых переключение представляет более важную

функцию, компромисс между оптикой и электроникой, как видно, соответствует области схемы, расположенной где-то ближе к верхнему краю схемы, т. е. соответствует чисто электронным переключателям с некоторыми оптическими связями. Однако символьные методы обработки уделяют большое внимание организации связей, как уже было указано ранее в данной главе. Перенос акцента с переключений в архитектуре с разбиением на мелкие структурные элементы на организацию связей системы с сильной связью приводит к рассмотрению архитектур, для которых связь осуществляется оптически, и только некоторые из переключений выполняются электронными методами. Эта та категория гибридных электронно-оптических архитектур, которая, как уверены авторы, будет оказывать значительное воздействие на символьные вычисления.

Ближе к верхнему краю изображенного на рис. 10.34 континуума состояний располагались бы те архитектуры, в которых применяются оптические переключения при реконфигурации соединений, но при этом для логических операций используются электронные переключения. Как упомянуто выше, оптика докажет особую значимость при реализации длинных межэлементных соединений вследствие существования ряда присущих длинным электронным соединениям отрицательных свойств, касающихся потребления мощности, быстродействия и занимаемых объемов. Пример архитектуры с аналогичным соотношением оптических и электронных методов показан на рис. 10.35. Для простоты изображены только две из многих возможных

Рис. 10.34, Соотношение электронных и оптических вычислений,

(кликните для просмотра скана)

плат, и на каждой из плат показаны лишь четыре чипа. Если бы это был процессор с разбиением на мелкую структуру, то каждый чип сам по себе содержал бы много обрабатывающих элементов. Например, один такой электронный символьный компьютер, разрабатываемый в настоящее время и получивший название машины соединений [27], составлен из большой матрицы печатных плат, каждая из которых содержит 512 обрабатывающих элементов, равномерно распределенных по 32 чипам (т. е. на один чип приходится шестнадцать обрабатывающих элементов).

Каждая плата на рис. 10.35 содержит четыре оптоэлектронных чипа и один частотно-селективный фильтр (голограмму). Между каждыми из двух соседних плат расположена планарная матрица перестраиваемых дифракционных решеток, выполняющих большинство переключающих операций, необходимых в процессе соединения элементов. В этой конкретной архитектуре используется мультиплексирование со спектральным разделением каналов для оптических информационных потоков, направленных к соответствующим платам. Эту операцию осуществляет поток света, обозначенный цифрой 1. Голограмма, расположенная непосредственно над пропускающим свет чипом, направляет поток света в центр следующей платы, где тот накладывается на основной поток света, проходящий через все платы системы. По мере достижения требуемой платы частотно-селективный фильтр дифрагирует свет на голограмму связи магистраль — плата, направляющую поток света по его окончательному назначению.

Междуплатные и междучиповые соединения следует осуществлять с помощью плоской матрицы голограмм, расположенной над платой, что изображается пучком света, обозначенным цифрой 2. Логические процедуры управления большим числом мультиплексированных пучков в данном случае не обсуждаются, однако следует заметить, что оптические переключения наиболее вероятно будут осуществляться с помощью нелинейного смешения частот. Например, четырехволновое смешение частот может быть использовано для получения голограмм, которые могут быть быстро модифицированы, чтобы дать возможность перестроить межэлементные соединения. Переключающие пучки света, показанные на рис. 10.35, содержали бы информацию, нужную для управления голографическими решетками. Следует заметить, что некоторые из переключающих процедур в таких архитектурах могут выполняться с помощью мультиплексирования, а различные голограммы могут использоваться как пассивные решетки, выполняющие селекцию различных длин волн.

Реализация представленной выше гибкой схемы соединений, основанной на переключении световых пучков в свободном пространстве, позволит избежать одну из наиболее трудных

проблем для электронных символьных вычислений, заключающуюся в сложности реализации перестраиваемых соединений. В настоящее время возможности электроники определяются наличием проводов, используемых для всех соединений, что ограничивает как возможности изменения конфигурации системы, так и коэффициент разветвления по выходу. Это устанавливает жесткие ограничения на архитектуру переключающей сети, которая, кроме того, усложняется необходимостью обеспечения интенсивных переключений подобно тому, как это было обнаружено для задач ИИ. Спектр оптических сетей, обладающих намного большей гибкостью, здесь не будет рассматриваться; однако заинтересованному читателю следует обратиться к работе [29].