10.4.4. Чисто оптические архитектуры

По мере перемещения в правый нижний угол классификационной схемы на рис. 10.34 доля оптических элементов увеличивается до тех пор, пока не получается чисто оптическая архитектура. Пример оптического компьютера с разбиением на мелкие структурные элементы и сильной связью между элементами показан на рис. 10.36. Хотя никто еще не построил подобный компьютер, технически возможно создать систему, состоящую из 1 миллиона параллельных каналов. Это отнюдь не означает, что система включала бы конфигурацию обязательно из 1 миллиона узлов, так как такая конфигурация не подразумевает, что планарная матрица логических элементов, обозначенная как матрица вентилей, имела бы именно один логический элемент на канал. Вместо этого несколько логических элементов следовало бы соединить посредством среды межэлементных соединений, что позволило бы образовать элемент процессора. Например, квадратная матрица логических элементов (вентилей) может содержать блок арифметической логики, несколько регистров и, возможно, несколько устройств кэш-памяти (быстродействующей буферной памяти большой емкости). Пример структуры указанного типа представлен на рис. 10.37, где для отдельных элементов двумерного ПМС были обозначены основные функции, присущие элементам вычислительной обработки. Принимая равным 5 (25 логических элементов на процессор), в итоге получаем, что в машине должно быть 40 000 узлов, что составляет достаточно большую величину, чтобы такое устройство имело смысл использовать в качестве символьного оптического компьютера, реализующего символьные вычисления.

Ввод сигнала в оптический компьютер можно было бы осуществлять посредством матрицы лазерных диодов, адресуемых независимо друг от друга, или двумерных ПМС. Матрица диодов обладала бы намного большими скоростями

(кликните для просмотра скана)

модуляции, чем ПМС, но требовала бы намного более сложной схемы, особенно если условия работы требуют однородности излучения по всей матрице. Если входной сигнал уже имеет вид двумерного изображения, которое могло бы выводиться из процессора технического зрения, то использование входного устройства не является обязательным, а целесообразность его использования зависит от степени совместимости двух процессоров.

Матрица логических элементов могла бы представлять собой двумерный ПМС, обладающий нелинейной характеристикой, или матрицу оптических бистабильных переключателей. Последнее в стройство в конечном счете позволило бы получить намного большие скорости переключения, однако существующие виды оптических бистабильных переключателей потребовали бы слишком высоких уровней мощности.

В настоящее время разрабатываются более совершенные нелинейные материалы, позволяющие создать более пригодные на практике оптические бистабильные устройства. Элементы соединений, вероятно, будут использовать эффект смещения частот в нелинейных оптических средах и будут аналогичны по сути устройствам, описанным ранее для гибридных архитектур. Однако из-за намного большего числа каналов, с которыми необходимо работать, переключения должны выполняться многоступенчатым образом, когда ряд параллельных плоских голографических матриц, работающих в реальном времени, выполнял бы процедуры аналогично тому, как это показано на рис. 10.38. Заметим, что для простоты все три основные функции межэлементных соединений процессор — процессор, процессор — память, процессор — устройство ввода/вывода объединены в один блок, но они могли бы быть реализованы тремя независимыми устройствами.

С точки зрения технологии главную трудность представляло бы создание детектора. В большинстве случаев предпочтение было бы отдано устройству с 1 миллионом каналов, где каждый канал работает на частоте 1 МГц (проектируемое

Рис. 10.38. Многоступенчатая оптическая сеть межэлементных соединений,

быстродействие для двумерных ПМС). Однако для наиболее практичных конструкций процессоров потребности были бы намного ниже. Если бы проблемная область требовала, скажем, выполнения 100 итераций или более (например, семантическая сеть ведет поиск на глубину по меньшей мере 100 шагов), выходной сигнал требовалось бы выводить только один раз за каждые 100 мкс. Это снижает требования к пропускной способности детектора до 1010 бит в секунду последняя величина более согласовывается с ожидаемыми возможностями устройств на основе GaAs. В качестве примера можно было бы рассмотреть случай, где каждый процессор, как это было ранее, состоит из блока каналов. Полагая, что и каждый процессор имеет именно один выходной канал, пропускная способность детектора составила бы Определенная комбинация этих двух разработок предъявила бы такие требования к детектору, которые хорошо укладывались бы в реально выполнимые технические требования.

Последняя из основных компонент этой оптоэлектронной архитектуры — это устройство памяти. В электронных компьютерах одна из целей состоит в размещении большей части памяти вместе с логическими элементами. В области оптических компьютеров это не является ни необходимым, ни желательным, потому что задержки в передаче сообщений сильно снижены по сравнению с электронными устройствами. Таким образом, на рис. 10.36 основное устройство памяти изображается как единый блок, равно используемый всеми процессорами посредством двунаправленных каналов связи.

Другой важной областью применения оптики являются многопортовые устройства памяти. Фактически использование нескольких длин волн могло бы для любого заданного участка памяти обеспечить считывание при одновременном использовании большого числа каналов. Это позволило бы избежать необходимости использования сложных цепей выделения интересующей информации. Например, голографические решетки могли бы быть использованы для демультиплексирования большого числа наложенных друг на друга отраженных сигналов с различными длинами волн, отраженных от заданного пятна на оптическом диске; кроме того, могли бы быть использованы голографические элементы памяти, которые пространственно разделили бы различные считанные длины волн. Способ, которым это могло бы быть реализовано, показан схематически на рис. 10.39, где большое число пучков света могло бы одновременно использоваться для адресации оптического диска.

Другим привлекательным свойством применения нескольких длин волн в оптических вычислениях является то, что управление переключением осуществляет сам луч, несущий информацию, и не требуется предусматривать отдельный вход

для управляющего луча. В последнем случае это существенно увеличивало бы сложность операций управления компьютером. Напротив, использование целого ряда длин волн делает в большей мере параллельными операции, используемые для маршрутизации сообщения, в которых начальные биты в общем потоке битов сообщения содержат информацию об адресе, используемую каждым переключателем, с которым сталкивается сообщение по мере прохождения по сети.

Вычислительная мощность обработки с чисто оптической архитектурой могла бы быть увеличена посредством применения конвейерной обработки. Этого можно было бы достичь, копируя матрицу логических элементов подобно тому, как это показано на рис. 10.40. Конвейерная обработка была бы

Рис. 10.39. Интерфейсное устройство на основе оптического диска для чисто оптической системы.

Рис. 10.40. Матрица оптических затворов для конвейерной схемы обработки,

полезна для многомерных задач, таких как обработка в системах технического зрения, связанных с обработкой зависящих от времени трехмерных изображений (например, каждая плоскость могла бы выполнять роль различной глубины изображения).

К настоящему моменту читателю следовало составить впечатление о типах архитектур, необходимых для символьных вычислений, а также о нескольких способах выполнения их по своей сути аналоговыми оптическими устройствами. Должно быть ясно, что даже эти «чисто оптические» структуры в некотором смысле являются гибридными оптоэлектронными архитектурами. В частности, электроника должна была бы использоваться для интерфейсных устройств связи с пользователем, для цифровых контроллеров и т. д., тогда как оптика должна была бы использоваться для проведения символьной обработки. В отношении схемы на рис. 10.34 можно было бы ожидать, что имеется спектр уровней, где могут возникать оптоэлектронные интерфейсы. Этот спектр возможностей архитектур простирается от чисто электронных до гибридных оптоэлектронных систем и приводит к рассмотрению других потенциальных возможностей использования оптики для задач символьных вычислений. Некоторые из этих возможностей рассматриваются в следующем разделе.