Глава 5. ПОРОГОВОЕ КОДИРОВАНИЕ И ВЗВЕШИВАНИЕ В ОПТИЧЕСКИХ ВЫЧИСЛЕНИЯХ
С. С. Густафсон, Исследовательский институт,
Отделение прикладной физики, Университет
г. Дайтона, Дайтон, шт. Огайо
5.1. Введение
В данной главе дается обзор возможностей оптической техники для выполнения процедур принятия элементарных решений и операций межэлементных соединений, необходимых в любых системах обработки информации. В разд. 5.1 рассматриваются случаи, в которых оптически выполняются только операции соединений; в разд. 5.3 приводятся 1 примеры устройств, в которых и соединения, и операции принятия решения выполняются оптическими методами; в разд. 5.4 обсуждение основных проблем завершается описанием общей схемы оптического вычислительного устройства.
Поскольку оптические вычисления являются сравнительно новой областью, то представляется целесообразным использовать систему счисления в остаточных классах (ССОК), многозначную и пороговую логику и связанные с ними архитектуру и программные средства, не нашедшие широкого применения в чисто электронных вычислительных машинах. В целом исследование указанных нестандартных средств достигло в настоящий момент лишь такого уровня, при котором могут быть сделаны не более чем предварительные оценки их значимости для оптических вычислений. Данное утверждение одинаково справедливо и для операций порогового кодирования в оптических вычислениях, и для процедур взвешивания, описанных в разд. 5.1.2. В данной главе вопросы излагаются по возможности кратко и абстрактно, а все примеры просты и в основном мотивируют будущие исследования.
5.1.1. Возможность оптических вычислений
Оптические вычисления обладают значительными возможностями улучшения (на несколько порядков) таких характеристик, как быстродействие, потребление энергии, размер, объем памяти, надежность, отказоустойчивость и т. д. по сравнению с существующими чисто электронными вычислительными системами. (Заметим, что улучшение нескольких характеристик
одновременно может быть практически нецелесообразным.) Принципиальным преимуществом оптических методов (характеризуемых диапазоном возможных рабочих частот до 
Гц) по сравнению с электронными методами (характеризуемыми возможными рабочими частотами до 107 Гц) является их способность выполнять сравнительно многочисленные, сложные, глобальные и широкополосные соединения [1, 2]. Такие оптические соединения в целом отличаются (а) отсутствием интерференционных эффектов (т. е. оптические пучки могут пересекаться, не вызывая явления интерференции, а электронные «провода» — не могут) и (б) относительной независимостью от свойств линии связи, которые могут привести к значительным временным задержкам и соответствующим ограничениям рабочих характеристик. Другим возможным преимуществом оптических методов является параллельная обработка массивов данных, высокое быстродействие логических элементов и простая реализация трехмерных конструкций. Большинство из указанных свойств могут быть присущи и чисто электронным методам и, таким образом, носят менее принципиальный характер по сравнению с преимуществами при реализации соединений. В целом оптические методы имеют превосходство при выполнении операций соединения и по крайней мере равные возможности с чисто электронными технологиями при выполнении операций принятия решений. Это различие может быть связано с тем фактом, что степень нелинейности материала, необходимая для операций принятия решения, гораздо сильнее проявляется при частотах и интенсивностях, присущих чисто электронным методикам.
Возможности оптических вычислений можню оценить, например, при рассмотрении свойств системы, состоящей из матрицы оптических бистабильных устройств с чисто оптической цепью обратной связи. В данном случае бистабильное устройство выполняет операции принятия решения, а цепь обратной связи (которая может содержать голограммы, линзы, светоделительные элементы и другие компоненты) выполняет операции соединения. Как показано в разд. 5.4, обоснованные планы развития современной технологии могут обеспечить выполнение такими системами порядка 1015 логических операций в секунду на площади в 
или более чем в 100 раз выше, чем планируют современные программы по СБИС [3]. Существующее ограничение характеристик этой системы состоит в рассеянии мощности матрицей оптических бистабильных элементов; данное ограничение является свидетельством относительной сложности использования оптики для процедур принятия решения. Однако эта трудность не должна сдерживать развитие оптических компьютеров с феноменальными рабочими характеристиками по сравнению с чисто электронными
вычислительными машинами. Например, многочисленные и сложные соединения, в которых оптика имеет превосходство, возможно, являются наиболее важной чертой архитектур биологических нейронных сетей, в которых каждый логический элемент (или нейрон) может быть соединен с приблизительно 104 других элементов [4, 5]. Хотя время переключения или время принятия решения отдельного нейрона велико по сравнению с характерными временами переключения электронных вентилей, широко известны исключительные возможности этих биологических архитектур (например, при распознавании образов с высокой степенью адаптивности в миниатюрных и потребляющих мало энергии «живых» структурах).
