Оптоинформатика (стр. 16 из 19)

Рис.1. Предельные параметры микроэлектронных и оптических компьютеров [2]

Другое фундаментальное ограничение, расмотренное в [2], связано с зависимостью времени переключения от длины межсоединений – чем больше логических ячеек, тем больше длина межсоединений, тем больше емкость, тем больше время на соединение одной ячейки с другой. Поскольку все больше транзисторов помещается на каждый чип, задержки, обусловленные временем переключения, будут приводить к информационному затору. Микрочипы должны будут обрабатывать все более значительный поток данных, использовать все большее количество межсоединений, что будет требовать уменьшение общего токового потребления и создание эффективных устройств отвода тепла. Передача потока данных от одного чипа к другому и его синхронизирование по всему устройству создаст дополнительные трудности.

Исходя из вышесказанного микроэлектроника, скорее всего, не сможет гарантировать прогресс в информационных технологиях, и необходимо искать альтернативные решения, обеспечивающие более плотную и более быструю информационную связь между логическими элементами.

1. Оптический компьютер

XXI век называют веком оптических технологий, основываясь на бурном развитии в конце XX века таких направлений, как волоконно-оптическая связь, полупроводниковая оптоэлектроника, лазерная техника. Особенно впечатляющи достижения волоконной оптики – она практически революционизировала системы дальней связи, и сейчас по волокну возможна передача информации со скоростью 40 Гб в секунду.

Однако, это может быть только началом широкого использования оптики для информационных технологий. Возможности использования света в обработке информации практически безграничны. Если использовать свет для передачи данных между чипами или логическими элементами, проблемы с временем задержки на межсоединениях не будет существовать, поскольку передача информации будет происходить действительно со скоростью света. Большое число световых пучков могут свободно проходить по одной и той же области пространства, пересекаться и не влиять друг на друга. Параллельный многоканальный характер оптических информационных систем явным образом вытекает из двумерной природы светового потока, а оптика пучков, свободно распространяющихся в пространстве, естественно подходит для создания в широком масштабе параллельных соединений между различными плоскостями информационных устройств. Современная оптическая система может разрешать и отображать миллионы пикселов, каждый из которых может быть информационным каналом с частотной шириной полосы передачи свыше 1 ТГц.

Чтобы использовать уникальные возможности оптики для обработки информации, необходимо разработать подходящие технологии создания устройств генерации, детектирования оптических сигналов, а также оптических логических элементов, управляемых светом. Элементарная оптическая ячейка должна потреблять энергии меньше, чем элемент микрочипа, быть интегрируемой в большие массивы и иметь возможность связи с большим числом подобных элементов.

Начиная с середины 80-х годов, исследователи в оптике и опто-электронике интенсивно работали над созданием полностью оптических компьютеров нового поколения [3 - 5]. Сердцем такого компьютера должен был стать оптический процессор, использующий элементы, в которых свет управляет светом, а логические операции осуществляются в процессе взаимодействия световых волн с веществом. Значительные усилия, направленные на создание оптического компьютера, привели к определенным успехам. Так, в 1990 г. в лабораториях американской фирмы "Белл" был создан макет цифрового оптического устройства [6, 7]. С его помощью была продемонстрирована возможность выполнения цифровых и логических операций с высокими параметрами быстродействия и потребления энергии. Основу процессора разработанного оптического компьютера составляли двумерные матрицы бистабильных элементов (размерностью 4´8) на основе полупроводниковых структур с множественными квантовыми ямами, обладающих нелинейными электро-оптическим свойствами (self-electro-optic-effect devices – SEED [8]). Их освещение осуществлялось полупроводниковым лазером, излучение которого пропускалось через голографическую решетку Дамменна [9], способную обеспечивать высокую эффективность освещения каждого из элементов матрицы. Мощность излучения лазера составляло 10 мВт, а длина волны излучения 850 нм. В симметричном SEED’е, состоящем из двух PIN фотодиодов, внутри которых выращены сверхрешетки и которые включены последовательно в питающую цепь, при освещении одного из диодов в цепи возникал ток, который вызывал падение напряжения на структуре сверхрешетки и приводил к увеличению пропускания света через вторую структуру. Таким образом, возникала положительная обратная связь, и совокупность таких элементов могла образовывать логические ячейки «или – не», «или – и» и т.д. [10]. Первый оптический компьютер состоял из 4 каскадов и располагался на оптической плите размером I х I м². Пространственное распределение излучения на выходе каждого из каскадов компьютера определялось состоянием входящей в его состав жидко-кристаллической маски, управляемой обычным компьютером и распределением света на его входе. Важным достоинством первого оптического компьютера явилась возможность последовательного объединения его отдельных каскадов благодаря искусственному аналогу эффекта внутреннего усиления.

Второе поколение оптического компьютера представлено моделью DOC-II (digital optical computer II) [11], в котором использована уже векторно-матричная логика. В данном устройстве входной поток данных образовывался излучением линейки 64 независимо модулируемых лазерных диодов с длиной волны излучения 837 нм. Свет от каждого диода линейки отображался на одну строчку матричного пространственного модулятора света общими размерами 64´128 элементов. Отдельный элемент матрицы представлял собой акусто-оптическую брэгговскую ячейку на основе GaP. Свет, выходящий из пространственного модулятора попадал на линейку из 128 лавинных фотодиодов. Внешний вид компьютера представлен на рис. 3.

DOC-II имеет 64´128 = 8192 межсоединений и работает на частоте передачи данных 100 Мб×с^-1, что соответствует 0.8192×10¹² переключений в секунду. Энергия на одно переключение составляет 7.15 фДж (~ 3×10⁴ фотонов). Точка, соответствующая DOC-II, нанесена на рис. 1. Было проведено тестирование данной компьютерной системы [12, 13], в частности, при поиске нужного слова в тексте DOC-II смог просматривать 80000 страниц ASCII текста за одну секунду.

Принципиальным недостатком макетов первых оптических компьютеров являлась неинтегрируемость его отдельных компонентов. Исходя из этого, основной задачей следующего этапа работ по оптическому компьютеру было создание его интегрального варианта.

Рис. 2. Внешний вид оптического компьютера DOC-II

В настоящее время ведутся работы по созданию интегрального модуля оптического компьютера с логической матрично-тензорной основой, названного HPOC (High Performance Optoelectronic Communication) [14]. В устройстве планируется использовать входную матрицу вертикально-излучающих лазерных диодов, соединенную планарными волноводами и обычной оптикой с матрицами переключения, на основе дифракционных оптических элементов, и выходную систему, состоящую из матрицы лавинных фотодиодов, совмещенной с матрицей вертикально-излучающих диодов. В модуле используется GaAs, Bi-CMOS и CMOS технологии, а оптические межсоединения организованы с использованием свободного распространения световых пучков в пространстве и в волноводах, что организует квази-четырехмерную структуру. Опытные образцы показали производительность 4.096 Тб×с^-1, а оценки показывают, что данная система способна развить скорость 10¹⁵ операций в секунду с энергией менее 1 фДж на одно переключение.

Следует отметить, что размеры и вес системы, построенной из модулей (см. рис. 3), будут превышать размеры используемых сейчас микрочипов. В настоящее время полагают, что полностью оптический процессор может быть построен из так называемых фотонных кристаллов и квазикристаллов - материалов с периодической структурой, которые могут управлять и манипулировать потоками фотонов.

Рис. 3. Интегральный оптический процессор на основе 4-х модулей HPOC [14]

2. Фотонные кристаллы

В 1986 Эли Яблонович из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе высказал идею создания трехмерной диэлектрической структуры, подобной обычным кристаллам, в которой бы не могли распространяться электромагнитные волны определенной полосы спектра [15]. Такие среды получили название фотонных структур с запрещенной зоной (photonic bandgap) или фотонных кристаллов (photonic crystals). В 1991 Яблонович с коллегами изготовил первый фотонный кристалл [16] путем сверления миллиметровых отверстий в материале с высоким показателем преломления. Искусственный кристалл, который сейчас называют «яблоновит», не пропускал излучение миллиметрового диапазона и реализовывал фотонную структуру с запрещенной зоной.