Антошина И.В., Котов Ю.Т. Микропроцессоры и микропроцессорные системы (аналитический обзор)

Подождите немного. Документ загружается.

231

Рис. 59

Здесь в качестве порогового элемента можно использовать

как оптическое светоклапанное устройство (переключающаяся,

бистабильная оптическая среда), так и простой фотоэлектронный

приемник с нелинейной передаточной характеристикой (то есть

нелинейной зависимостью интенсивности выходного светового

потока от входного).

На рис. 60 показан оптический процессор, реализующий

произвольное матричное преобразование входного вектора-строки

в выходной вектор

-столбец. Здесь LED - линейка светоизлучаю-

щих диодов. Они расположены на фокальной линии цилиндриче-

ской линзы L1. T - оптический транспарант с записанной на нем

матрицей пропускания T(i, j).

Рис. 60

Строки матрицы параллельны образующей первой линзы.

L2 - цилиндрическая линза, образующая которой параллельна

столбцам матрицы транспаранта. Она собирает лучи, прошедшие

232

через элементы одной строки, на одном пикселе многоэлемент-

ного линейного фотоприемника D. Нетрудно видеть, что входной

X и выходной Y вектора связаны линейным преобразованием

Y=TX

В оптической системе возможна также обработка двумер-

ных структур. На рис. 61 представлена схема оптического процес-

сора, реализующего операцию свертки двух изображений, которая

лежит в основе работы многих устройств ассоциативной

памяти и

распознавания образов.

Здесь S - плоский однородный источник света, L1 и L2 -

сферические линзы, D - матричный фотоприемник, T1 и T2 -

транспаранты, пропускание которых соответствует двум обраба-

тываемым изображениям. Распределение интенсивности излуче-

ния на матричном фотоприемнике пропорционально интегралу

J(x, y)=тт(T1(x-u, y-v) T2(u, v) du dv.

В предыдущих примерах свет выполнял ту же роль, что и

электроны в проводниках обычных микросхем. При этом

в качест-

ве "проводов" выступали геометрические лучи. Понятно, что с та-

ким же успехом свет можно загнать в волновод и организовать

вычислительную среду по принципам, близким к идеологии элек-

тронной полупроводниковой микросхемотехники. Этим занимает-

ся интегральная и волоконная оптика.

Рис. 61

233

Принципиально новые возможности дает использование

свойств пространственной когерентности излучения. Структура

когерентного оптического процессора, так называемая 4F-схема,

приведена на рис. 62. Здесь LS - лазерная осветительная система,

формирующая широкий пучок когерентного излучения. T1 и T2 -

амплитудно-фазовые транспаранты, модулирующие фазу и ампли-

туду проходящей световой волны. L1 и L2 - сферические линзы с

фокусным расстоянием F. Результирующий сигнал считывается

матричным фотоприемником

Рис. 62

Распределение амплитуды светового поля в плоскости фо-

тодетектора пропорционально свертке амплитудного пропускания

первого транспаранта с Фурье-образом амплитудного пропускания

второго транспаранта. Процессоры такого типа используются в

качестве комплексных пространственных фильтров в системах

улучшения качества изображения, а также в системах распознава-

ния образов.

Если же нас интересует Фурье-спектр двумерного

сигнала,

то он вычисляется с помощью линзы L и слоя пространства дли-

ной F так, как показано на рис. 63. Остальные элементы предна-

значены для ввода-вывода данных и для освещения системы.

Отметим, что для обычного компьютера, использующего

быстрый алгоритм Кули-Тьюки, длительность выполнения Фурье-

преобразования растет с ростом числа точек дискретизации n про-

порционально

n log(n). В оптическом компьютере эта процедура

даже в двумерном случае выполняется всего за один машинный

234

такт, что делает оптический компьютер незаменимым для воен-

ных целей, а также для решения задач, требующих быстрой оцен-

ки ситуации и управления в реальном времени.

Рис. 63

Замечательным свойством оптического компьютера с пере-

дачей изображения является его способность за один такт обраба-

тывать двумерные картинки, причем машинная команда сама мо-

жет представляться картинкой. Откуда же эти картинки брать? Их

источником могут быть внешняя среда, результат предыдущего

вычисления, оптическая память. Если из внешней среды изобра-

жение можно

ввести с помощью объектива, а результат предыду-

щего вычисления возвратить на вход процессора с помощью сис-

темы зеркал, то в качестве памяти можно использовать различные

оптические и оптоэлектронные устройства записи, хранения и из-

влечения изображений. Например, кассету со слайдами.

Особый интерес представляют голографические устройства

памяти. Такая память обладает рядом достоинств. Голограмма

со-

храняет информацию не только об интенсивности, но и о фазе све-

товой волны, что в оптике принципиально важно, а с утилитарной

точки зрения - позволяет повысить объем записываемой информа-

ции. Кроме того, различные картинки можно записывать в одно и

то же место, используя весь объем носителя, а не тонкий слой

по-

235

верхности (как в случае обычной оптической или магнитной

памяти). По оценкам специалистов, объемная плотность записи

информации может превышать величину 10

бит/см

, а скорость

ввода информации с голограмм - несколько гигабит в секунду.

Кроме того, голограмма сама может использоваться в каче-

стве принципиального узла оптического процессора, выступая од-

новременно в роли буферной памяти и обрабатывающего элемен-

та. Информация в таких голограммах записывается путем измене-

ния показателя преломления по всему объему носителя. Обычно

для

этого используются прозрачные материалы с ярко выражен-

ными нелинейными оптическими характеристиками, например,

кристаллы ниобата лития.

На рис. 64 показано примерное устройство оптической па-

мяти с объемной голографической средой. Ввод информации осу-

ществляется с помощью управляемого оптического транспаранта.

Адресацией при записи-считывании управляет опорный луч. Счи-

тываемая информация фокусируется в плоскости многоэлементно-

го матричного

фотоприемника D.

В силу того, что емкость голографической памяти огромна,

а время выборки мало, кардинально меняется весь подход к орга-

низации вычислительного процесса. Например, можно вернуться к

идее широкого использования поиска по справочникам и таблицам

функций, схем принятия решений, таблиц умножения, наконец.

Разумеется, алгоритмический подход к обработке информации в

оптическом

компьютере сохранится, но его основой будет язык

более высокого уровня организации, ориентированный на парал-

лельную обработку сложных структур данных.

Речь пойдет об интерфейсах. Может показаться, что опти-

ческая вычислительная среда, обладая уникальной способностью

одновременно обрабатывать большие массивы информации, как

бы оторвана от хорошо разработанной и всенародно любимой

электронной вычислительной инфраструктуры, в

которой обра-

ботка и передача информации осуществляется последовательно.

Однако на самом деле любой оптический компьютер должен быть

обрамлен обычной электроникой.

236

Рис. 64

Сегодня при вводе оптического изображения в ЭВМ ваку-

умные передающие телевизионные трубки полностью вытеснены

приборами с зарядовой связью ПЗС (CCD - charge coupled device).

Устройства на основе ПЗС воспринимают изображение парал-

лельно по оптическому каналу, а передают последовательно по

электронному. В ряде случаев последовательная перекачка содер-

жимого ПЗС в оперативную память ЭВМ ограничивает быстро

действие всего оптоэлектронного вычислительного комплекса. В

настоящее время имеются российские и зарубежные разработки

оптоэлектронных интерфейсов, в которых матричный фотоприем-

ник конструктивно совмещен с элементами RAM в оперативной

памяти ЭВМ. Отсюда - один шаг до использования оптического

канала доступа к электронным чипам через третье измерение. Та-

кие работы сегодня ведутся в зарубежных лабораториях.

Оказыва-

ется, даже в стандартной персоналке длина соединений между

вентилями микросхем, расположенных на разных печатных пла-

тах, порой измеряется метрами. Использование оптического кана-

ла для организации "междучипового" обмена позволяет на порядок

сократить задержку распространения сигнала.

От ЭВМ к оптической системе информация передается с

помощью управляемых транспарантов, или пространственных мо-

дуляторов света

ПМС (SLM - spatial light modulator). Однако жид-

кокристаллические панели, чаще всего использующиеся для этих

целей, обладают существенным недостатком - сравнительно низ-

ким быстродействием. Существуют также оптические транспаран-

237

ты с электронным управлением на цилиндрических магнитных

доменах и термопластиках.

К числу перспективных направлений относится разработка

ПМС с так называемыми умными ячейками (SP, smart pixels). Они

могут модулировать амплитуду падающей световой волны как с

использованием сигналов электронного интерфейса, так и с помо-

щью второй световой волны. По сути - это прозрачная интеграль-

ная схема, выполненная

по оптоэлектронной технологии и исполь-

зующая параллельный оптический вход и выход информации с

помощью третьего измерения. Интересно, что для первых экспе-

риментов с устройствами типа SLM-SP обычные чипы кремниевой

памяти покрывали тонким слоем жидкого кристалла. Электриче-

ское поле вблизи заряженных ячеек памяти ориентирует молекулы

жидкого кристалла, обнаруживая электрооптический эффект в от-

раженном свете. Впоследствии для этой цели стали разрабатывать

специальные чипы, а также применять электро-магнитооптические

жидкости и использовать эффект Фарадея. Такие транспаранты

оказались более быстродействующими.

Еще один класс интерфейсных устройств образуют много-

элементные лазеры. Последнее достижение в этой области - мат-

рицы полупроводниковых лазеров размером 1000х1000 светоизлу-

чающих элементов. Излучение генерируется перпендикулярно

плоскости чипа. В таких оптоэлектронных БИС используется тех-

нология изготовления лазеров с вертикальным расположением ре-

зонаторов (VCSEL, vertical cavity surface-emitting lasers). Недоста-

ток подобных устройств состоит в том, что в каждый момент вре-

мени свет может излучаться только лазерами, расположенными

либо в одной строке, либо в одном столбце матрицы.

По-видимому, в дальнейших разработках следует

ожидать

объединения технологий SLM-SP и VCSEL.

Правда жизни на стороне "аналоговой" природы: в некото-

рых наиболее эффектных своих применениях оптический процес-

сор является аналоговой машиной. С другой стороны, способность

оптической вычислительной среды образовывать параллельные

связи между большим числом элементов и одновременно выпол-

нять операции типа взвешивания и суммирования аналоговых сиг-

налов является

идеальной для построения нейросетей. Если в сис-

238

тему ввести транспарант, пропускание которого задано значе-

ниями весовых коэффициентов W(i), получим простейшую модель

нейрона - персептрон, показанный на рис. 65.

Рис. 65

Аналогично схему, представленную на рис. 65, можно рас-

сматривать как слой нейронов. Для этого элементы фотоприемни-

ка должны иметь пороговую передаточную характеристику, а

транспарант должен задавать таблицу весовых коэффициентов.

Причем матрица преобразования совершенно не обязана быть

квадратной. Более того, оптическими средствами можно создать

связи между нейронами, организованными в двумерные массивы

Матрица связей при этом (формально) будет четырехмерной.

Для работы нейросети низкая точность вычислений, при-

сущая аналоговым компьютерам, не имеет большого значения.

Объединяя рассмотренные оптические схемы в многослой-

ные структуры и вводя в них обратные связи, можно создавать

сложные быстродействующие нейросети. А на их основе - нейро-

компьютеры широкого применения. Это направление

считается

одним из самых перспективных в области оптического компьюте-

ростроения.

Успехи оптоэлектроники последнего десятилетия позволи-

ли достаточно хорошо отработать технологию производства всех

основных компонентов оптического компьютера. Уже сейчас его

можно было бы эффективно использовать в качестве сателлитного

устройства к обычной персональной ЭВМ. Однако массового про-

изводства оптических компьютеров для широкого использования

не наблюдается. Причина первая: долгое время работы в этой об-

239

ласти были закрытыми. Вторая причина проистекает из первой:

никто не занимался маркетинговой проработкой оптического ком-

пьютера для народа.

Стоимость оптического компьютера довольно велика.

Главные области его использования - военная техника, кримино-

логия, защита информации, банковская сфера, а также научные ис-

следования. Основные работы за рубежом ведутся в США, Япо-

нии, Западной Европе

. В США одним из ведущих координаторов

работ является известное Агентство по передовым оборонным ис-

следовательским проектам (DARPA, Defence Advanced Research

Projects Agency). То самое Агентство, которое стояло у истоков

Bitnet, прототипа Интернета. Исследования и разработки ведутся

также в интересах ВВС, ВМС, НАСА, Организации СОИ и др. Ре-

шаемые задачи: машинное зрение, искусственный интеллект, рас-

познавание и

одновременное сопровождение сотен и тысяч целей,

навигация, контроль земной поверхности, связь.

Из последних разработок в гражданском секторе отметим

оптический процессор для проверки подлинности кредитных карт,

паспортов и других важных документов. Дело в том, что жулики

научились читать и подделывать обычные отражательные голо-

граммы.

Сотрудники Коннектикутского университета и Оптического

научного центра Аризонского

университета предложили преобра-

зовывать изображение отпечатков пальцев, лица, подписи вла-

дельца документа в специальный фазовый профиль, который од-

новременно записывается в прозрачной голографической среде на

карте и в базе данных. Проверить подлинность карты можно лишь

с помощью оптического процессора или коррелятора. Подделать

фазовый профиль на прозрачной пластинке практически невоз-

можно.

Уже в 1996 году фирмой IBM была разработана голографи-

ческая память. Для ввода картинок в память использовался управ-

ляемый транспарант размером 1024х1024 пикселей, способный ра-

ботать с частотой 1 тыс. изображений в секунду. Для вывода ин-

формации применялась камера ПЗС размером 2048х2048 пиксе-

лей.

240

Фирмой OptiComp (США) разработан оптоэлектронный

32-битный RISC-процессор, способный обеспечить независимые

соединения между 8192 оптическими каналами. Его производи-

тельность составляет около 10

двоичных операций в секунду. Ра-

ботая в режиме поиска текста, процессор может просматривать

большие базы данных со скоростью 80 тыс. страниц (на каждой

странице по 5 тыс. знаков) в секунду.

В совместной разработке Колорадского университета и ис-

следовательского института JILA (США) оптический нейроком-

пьютер используется для распознавания человеческой речи. Фу-

рье-спектры отрезков

человеческой речи преобразовывались в ви-

зуальную картину, которая далее обрабатывалась оптическими ме-

тодами. Система работала гораздо быстрее и надежнее, чем специ-

ально обученная нейросеть на электронных чипах.

Несмотря на определенные сложности в разработке и изго-

товлении оптических компьютерных систем, идея его создания не

умерла. Более того, сейчас она снова стала актуальной

. Дело в том,

что, увеличивая и увеличивая быстродействие процессора, произ-

водители с той же неизбежностью вынуждены работать со все бо-

лее и более мелкими объектами. Сейчас отметка находится на ру-

беже 0,06 мкм, но это, разумеется, не предел. Нанотехнология, ко-

торая вначале тоже рассматривалась как некая полуфантастиче-

ская технология, постепенно превратилась

в обычную задачу для

современных технологов. Вот тут и выяснилось, что в нанотехно-

логии оптические подходы очень даже хороши.

Это можно объяснить следующим. С быстродействием у

оптических компонентов все отлично. Если тактовая частота со-

временных компьютерных систем только сейчас подошла к 3-4

ГГц, то оптические переключатели преодолели этот рубеж еще лет

двадцать

назад. Эффективность работы оптических переключате-

лей можно видеть на примере волоконно-оптических линий связи.

Здесь оптическая технология окончательно победила технологию

электрическую.

Наибольшее распространение получили переключатели на

основе LiNbO

. Ниобат лития - уникальный кристалл. У него от-

личные электрооптические характеристики, он обладает замеча-

тельными акустооптическими свойствами и вдобавок ко всему еще