Световычисления

Сегодня лазеры используются практически во всех областях науки и техники. Одно из наиболее актуальных направлений — в вычислительной технике.

Любая технология рано или поздно теряет актуальность, какой бы полезной она ни казалась. В сфере вычислительной техники это явление стало обыденным. Всего сто лет назад появились первые радиолампы, которые совершили революцию. Они заложили основу такой науки, как электротехника, но по меркам истории просуществовали совсем недолго. Довольно скоро им на смену пришли полупроводники, и практически сразу ученые задумались над тем, чтобы заменить в вычислительных узлах электроны световым потоком. Правда, почти за полвека мечта о создании полностью оптического компьютера несколько трансформировалась под воздействием реальности, и сейчас все чаще говорят об оптоэлектронике — сочетании оптических и электронных технологий. А на волне интереса к квантовым вычислениям заговорили о решении, которое объединило бы все три направления.

Электрон хорошо, а фотон — лучше: преимущества оптики

Чем же так привлекательны оптические вычисления? Ответ на этот вопрос кроется в самой природе света.

Во-первых, информация в виде светового луча может передаваться на большие расстояния, с очень высокой скоростью и, что самое главное, практически без потерь энергии. В случае же с электрическим током при его прохождении через проводник заметная часть энергии теряется, выделяясь в виде электромагнитного излучения и тепла. Но самое интересное, что при использовании оптики обработка информации может производиться непосредственно во время ее передачи и почти без энергозатрат. Представьте себе некую абстрактную оптическую систему, которая состоит из линз, призм, зеркал, поляризационных фильтров и т. п. и реализует заданный алгоритм обработки информации. В нее в виде луча света поступают данные, а на выходе имеет место измененный луч, то есть обработанная информация.

Оптические вычисления подразумевают крайне высокую степень параллелизации при передаче и обработке данных за счет возможности одновременной работы с волнами различной длины. Эта особенность используется в оптоволоконных магистралях, через которые проходят гигантские объемы информации. При этом оптическая система хорошо защищена от перехвата сведений, так как ничего не излучает в окружающее пространство. И наоборот, она не боится электромагнитных наводок. Данная особенность наверняка порадует экологов и врачей, которые сегодня активно взялись за борьбу с «вредными» излучениями, свойственными любой современной технике. Впрочем, у оптических технологий есть и другие преимущества, но они относятся уже к области квантовой физики и сугубо технологическим процессам.

Недостатки новой технологии

Казалось бы, для массового производства оптических компьютеров все уже готово. Есть лазеры, волноводы, прецизионная оптика, различные оптоэлектронные преобразователи и т. д. Однако существуют две проблемы — техническая и маркетинговая. Вторая вполне закономерна: долгое время все наработки по оптическим вычислениям пусть и не были совершенно секретными, однако не афишировались.

В техническом плане все несколько сложнее. В принципе, создать оптический аналог полупроводниковых микросхем можно уже сейчас. Вот только его стоимость окажется неоправданно высокой, а эффективность работы — относительно низкой. Особенность оптического компьютера в том, что в идеале для его построения придется отказаться от классической архитектуры фон Неймана. С одной стороны, это дает новые уникальные вычислительные возможности, которые в принципе не доступны полупроводниковой электронике, с другой — сразу же переводит оптические технологии в разряд узкоспециализированных.

Сложности связаны даже не столько с принципами обработки информации, сколько с ее представлением. В привычных нам компьютерах данные кодируются последовательностью нолей и единиц. Их можно передать и посредством световых импульсов, но это малоэффективно.

Гораздо привлекательнее выглядит использование двухмерных изображений, что позволит на порядок повысить параллельность вычислений. Вполне логичным кажется переход от плоских картинок (как на фотопленке) к голограммам. Так, в 1996 году в компании IBM уже был создан первый прототип голографической памяти. Оптические вычисления дарят впечатляющие возможности для быстрой обработки огромных массивов информации, однако порождают проблемы такого же масштаба. Как перевести данные из привычного современным программистам вида в тот, который нужен оптическому компьютеру? Как вводить их и получать результаты вычислений? Как вообще работать с принципиально другими структурами информации? На данном этапе развития технологий любой оптический компьютер в конечном итоге должен дополняться обычной электроникой. А это автоматически ограничивает его быстродействие скоростью работы микросхем.

Развитие и достижения

Удивительно, но первые попытки построения оптоэлектронных систем относятся к 30-м годам XX века. Однако настоящую революцию в этой области произвело создание лазера. С 1970-х годов научными исследованиями и разработками стали заниматься в лабораториях организации DARPA (агентство передовых исследовательских проектов министерства обороны США). Основные задачи, ради решения которых все это затевалось, носили военный характер: отслеживание и сопровождение целей, навигация, связь, контроль территорий и т. д. Правда, о достигнутых успехах или неудачах в данной области DARPA предпочитает молчать.

В 1990 году в исследовательском центре Bell Labs был создан первый рабочий прототип оптического компьютера. Он занимал целый квадратный метр площади. Основой процессора стали двухмерные матрицы, состоящие из электрооптических элементов. Всего в компьютере было четыре каскада, а управлялся он в конечном счете обычным ПК.

Затем в 1994 году появился 32-разрядный RISC-процессор DOC-II от компании OptiComp с векторно-матричной логикой и скоростью работы, составлявшей примерно 1012 двоичных операций в секунду. Примером его быстродействия может служить то, что он способен производить поиск в текстовых документах со скоростью 80 000 страниц в секунду, то есть обрабатывать примерно 400 млн знаков в секунду. Чуть позже появилась модульная система с архитектурой HPOC (High Performance Optoelectronic Communication) — следующее поколение оптических компьютеров. На ней базируются коммерческие продукты OptiComp, которые используются для создания высокоскоростных соединений (порядка 1 Тбит/с) в различных системах, предназначенных для военных, авиации, космоса и банковских структур.

Если же говорить об оптическом процессоре как отдельном устройстве, то сейчас существует только один коммерческий продукт такого рода — гибридный (оптоэлектронный) чип EnLight 256 от израильской фирмы Lenslet. Это первый оптический DSP (Digital Signal Processor), который существенно превосходит традиционные электронные решения. Формально оптическим у него является только ядро. Заслуга разработчиков состоит в том, что они не просто создали оптический процессор, а реализовали возможность его довольно простой интеграции в уже существующие системы и относительно несложный метод программирования. EnLight 256 способен в режиме реального времени обрабатывать до 15 потоков HD-видео или генерировать голографическое изображение.

Сегодня же значительная часть усилий направлена не столько на создание оптических процессоров, сколько замену металлических проводников световодами. За последний год компания Intel уже дважды отметилась в этой области. Осенью 2009 года была продемонстрирована технология Light Peak для соединения двух компьютеров на расстоянии 100 м со скоростью 10 Гбит/с. А летом 2010-го Intel рассказала о системе Silicon Photonics Link со скоростью передачи данных в 50 Гбит/с (в теории — до 200 Гбит/с). Она предназначена для соединения отдельных узлов компьютера, блэйд-серверов или мэйнфреймов. Ключевой особенностью обеих технологий является не скорость, а стоимость: в Intel надеются, что в ближайшее время оптические соединения станут не дороже обычных. Конечная цель — полный отказ от металлических проводников везде, где это возможно, даже внутри обычного процессора.

Будущее наступает сегодня: что дальше?

На данный момент можно выделить четыре направления исследований в области оптических вычислений.

Первое подразумевает создание полностью оптического компьютера и перевод всей кабельной инфраструктуры на оптоволоконную. Второе предлагает проделать тот же путь, что и кремниевая электроника — от первого транзистора до современных процессоров, только теперь базой должен стать оптический транзистор, а не полупроводниковый. Адепты третьего направления предлагают задействовать все доступные возможности и создать гибридную систему на основе оптических, электронных и квантовых технологий. Наконец, четвертый вариант — вывести оптические процессоры в разряд узкоспециализированных вычислителей по аналогии с современными видеокартами (большой высокопараллельный массив из относительно простых однотипных элементов). В дальнейшем такой концепции легко найдется применение в сфере «облачных» вычислений.

Какой сценарий окажется самым жизнеспособным, пока сказать трудно.

Несомненно только одно: рано или поздно кремниевая электроника уступит место более актуальным технологиям или же изменится до неузнаваемости.

Альтернативные компьютеры

Квантовый компьютер оперирует квантовыми битами (или, как их принято называть, кубитами). В качестве такой единицы может использоваться практически любая частица из «микромира», которая способна иметь два состояния (условные «0» и «1»): электрон, ядро атома, сам атом или их группа. Главное, чтобы набор кубитов мог находиться в «запутанном состоянии», в котором изменение значения одного элемента отражается на всех остальных. За счет этого достигается высокая степень параллелизации вычислений. На данный момент существует всего несколько рабочих прототипов квантовых компьютеров, которые могут производить простейшие вычисления.

Близким по своей сути к квантовому является спинтронный компьютер, который оперирует такой квантовой характеристикой электронов, как спин (индекс вращательного движения элементарных частиц). В числе его преимуществ стоит отметить отсутствие энергозатрат на перенос самих частиц и способность спинтронных элементов памяти сохранять информацию при отключении питания.

В определенном смысле квантовый и спинтронный компьютеры являются аналоговыми машинами.

Интересно сложилась судьба гидравлических (пневматических) компьютеров.

В 1949 году новозеландский студент Лондонской школы экономики Уильям Филлипс разработал и построил первую в мире подобную машину для моделирования поведения экономических систем (например, экономики отдельно взятой страны). Она называлась MONIAC (Monetary National Income Automatic Computer). Эта уникальная аналоговая вычислительная машина оказалась в тени быстро набиравших популярность цифровых компьютеров, и про нее практически забыли. В MONIAC принципы флюидики (использование жидкости для выполнения операций, аналогичных осуществляемым электроникой) применялись для моделирования экономики страны. В качестве денежных потоков в модели использовалась вода, налоги регулировались вентилями, а импорт, экспорт, бюджет и прочее были представлены сосудами.

Биологический компьютер использует для вычислений живые организмы, их клетки или внутриклеточные структуры (как правило, ДНК и РНК). Первый ДНК-компьютер был создан в 1994 году. Разработки в этой области продвигаются медленно, но стабильно. Пока такие компьютеры могут решать только простые задачи с относительно небольшой скоростью. Например, модель MAYA II умеет играть в классические «крестики-нолики» и над каждым ходом думает примерно полчаса.

Химический компьютер работает за счет реакций между веществами различных концентраций, которые представляют собой исходные данные.

Наконец, самым трудным в построении является фононный компьютер, который использует для расчетов фононы — квазичастицы, кванты колебаний атомов твердого тела. На данный момент он еще не создан. Для работы такой машине требуется только тепло, от излишков которого в традиционной электронике пытаются избавиться всеми возможными способами.

Вывод

По всей видимости, в ближайшем будущем на смену кремниевым технологиям придут гибридные оптоэлектронные системы. Загрузка 3D контента высокого разрешения и сложных трехмерных видеоигр будет длиться доли секунды, и пользователь сможет получать доступ к ним практически сразу после нажатия кнопки. Intel планирует начать широкое внедрение новых технологий на основе кремниевой фотоники в коммерческие продукты уже к 2015 году. Они найдут применение не только в компьютерах, но и различных мультимедийных системах.