ПРЕДИСЛОВИЕ

Во второй половине двадцатого века в технических науках произошли резкие изменения, в результате чего наступила эпоха информатики. Возможно, основной движущей силой этих изменений явилось появление электронных цифровых вычислительных машин. Технические возможности ЭВМ хотя и впечатляют, тем не менее являются ограниченными. Развитие программных средств и архитектуры, вероятно, еще некоторое время будет продолжаться, однако уже сейчас ощущаются практические ограничения возможностей субмикронной технологии и электронных систем межэлементных соединений, предназначенных для цифровых логических элементов и являющихся основными составными частями любого цифрового компьютера. Наряду с этим существует оптическая методика, позволяющая обойти некоторые из этих ограничений. Эта область называется оптическими вычислениями.

Область оптических вычислений быстро расширяется. В историческом плане на эту область оказали сильное влияние попытки выгодно использовать изначальную способность оптических систем выполнять аналоговые умножение и сложение. Несмотря на фанфарный звон, возникший вокруг аналоговых оптических вычислений, цифровые оптические вычисления без лишнего шума применялись во многих существующих вычислительных системах для обеспечения соединений уровней система — система, плата — плата, чип - чип. В самом деле, уклон в сторону цифровых оптических вычислений определялся попытками воспользоваться преимуществами при использовании особых свойств световых пучков в соединениях. Так как возможности соединений тесно связаны со способностью системы выполнять параллельные вычисления, то оптика предоставляет естественный механизм, способствующий разработке параллельной архитектуры компьютеров. Хотя соединения имеют

большое значение на всех уровнях архитектуры компьютера, необходимо также рассмотреть вопрос разработки логических элементов. По этой причине рассматриваются и другие аспекты исследований цифрового оптического компьютера, связанные с реализацией логических операторов, более мощных по сравнению с традиционными элементарными булевыми операторами. Устройства этого вида включают как пороговые логические, так и многозначные логические вентили. Другой весьма быстроразвивающейся разработкой в области элементной базы является появление сверхбыстродействующих оптических бистабильных элементов, на которых теоретически можно выполнить множество логических операций и действий с памятью.

В настоящей книге особое внимание уделено цифровым аспектам оптических вычислений, так же как и новой увлекательной области, называемой символьными вычислениями. Существует мнение, что грядущее шестое поколение компьютеров будет состоять из символьных, а не цифровых машин. Этот тип компьютеров сможет давать приближенные ответы на задачи, которые не требуют точных решений. На уровне чипов эти машины будут характеризоваться способностью выполнять поиск, сортировку данных и реализовать ассоциативные связи (в базах данных) с исключительно высокими скоростями. На системном уровне возможности этих компьютеров будут расширены до способности получать логические выводы. Такие компьютеры будут способны работать с эвристическими аргументами, смогут включать в себя семантическую память, позволяющую им говорить, например, по-английски. Следует заметить, что символьные вычисления отличаются от подстановок в символьном виде в том, что последние представляют собой алгоритмический подход, ориентированный на набор точно определенных правил или логических операций, применяемых в качестве параллельных «окон» в большом блоке данных. Этот подход в основном эквивалентен режиму работы с одним потоком команд и многими потоками данных (ОКМД), за исключением того, что правила (команды) могут быть скорректированы в интервалах между проходами, чтобы обеспечить выполнение последовательных алгоритмов. В противоположность этому символьные вычисления включают в себя операции более высокого уровня и ориентированы на эвристические подходы.

В данную книгу не включена обзорная глава, специально посвященная нейронным сетям, отчасти потому, что эта область очень быстро развивается, и отчасти по той причине, что большинство таких систем, реализованных в оптике, являются либо аналоговыми, либо псевдоаналоговыми. В первой части книги рассмотрены пространственные модуляторы света. В цифровом

варианте эти устройства по существу являются матрицами оптических переключателей, которые либо пропускают, либо блокируют свет. Большие матрицы таких переключателей дают возможность создания перестраиваемых оптических соединений, весьма универсального элемента в усовершенствованных системах параллельной обработки и распределенных структурах. В этой книге не предпринималось попыток дать исчерпывающий обзор всех видов пространственных модуляторов света, поскольку это потребовало бы написания нескольких томов. Рассмотрены несколько типичных примеров перспективных устройств данного типа. Б. Хиллом (Bernard Hill) сделан обзор магнитооптических устройств, в то время как

Н. Пейгамбаряном (Nasser Peyghambarian) и Дж. Джуэллом (Jack Jewell) рассмотрены оптические бистабильные устройства. Как уже ранее обсуждалось в литературе, бистабильные устройства, несомненно, представляют собой нечто большее, чем просто переключатели, и теоретически способны выполнять разнообразные логические операции и операции с памятью. В гл. 3 Дж. Хиггинс (John Higgins) и Б. Бёрк (Barry Burke) дают исчерпывающий обзор компонент оптических процессоров на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС).

В части II особое внимание уделено многозначной и пороговой логике. Элементарные логические операции, связанные с этими устройствами, дают возможность заменить большое число простых вентилей набором более мощных логических элементов. Этот подход имеет дополнительное преимущество в том, что позволяет снизить число межэлементных соединений, необходимых для конкретного уровня сложности вычислений. В главе, написанной М. Коннером (Michael Conner) и Дж. Эйхманном (George Eichmann), обсуждается многозначная логика, в то время как С. Густафсон (Steven Gustafson) рассматривает пороговую логику. К. Морага (Claudio Moraga) в своем математически строгом изложении объединяет оба этих подхода к проблеме многозначной пороговой логики.

В части III рассматриваются систолические процессоры и матрицы оптических логических элементов. В главе, посвященной систолическим процессорам, С. Кэртрайт (Steven Cartwright) делает обзор ряда работ по оптике, в которых предпринимаются попытки осуществить параллельные цифровые вычисления с помощью аналоговых методик. В гл. 8 Т. Ятагаи (Toyohiko Jatagai) обсуждает чисто цифровые методы оптических вычислений, основанных на клеточной логике. Данный подход теоретически допускает работу как в ОКМД, так и в режиме с многими потоками команд и многими потоками данных (МКМД). В написанной мною главе рассмотрены фундаментальные физические ограничения при реализации оптической логики на основе волоконно-оптических программируемых

логических матриц. В настоящей главе с позиций чисто комбинационной логической системы также обсуждается различие между производительностью и сложностью вычислений.

В IV части данной книги содержатся две главы, посвященные символьным вычислениям. В гл. 10 Дж. Нефф (John Neff) и Б. Кашнер (Brian Kushner) представили превосходный учебный материал по проблемам искусственного интеллекта и символьных вычислений. В последней главе А. Мак-Аулэй (Alastair McAulay) подчеркивает преимущества перестраиваемых оптических систем и дает глубокое описание того, как основанные на правилах логические выводы можно получить с помощью оптических перекрестных процессоров.

Главы этой книги содержат оригинальные и методические сведения, позволяющие использовать ее на семинарах для аспирантов, и в практических научных исследованиях. Я надеюсь, что данный материал вызовет у читателей интерес как к цифровым, так и к символьным оптическим вычислениям.

Раймонд Арратун

ОБ АВТОРАХ

(см. скан)

(см. скан)