5. Optické počítače. 5.1 Optická propojení

Transkript

1 5. Optické počítače Cíl kapitoly Cílem kapitoly je pochopit funkci optických počítačů. Proto tato kapitola doplňuje poznatky z předešlých kapitol k objasnění funkcí optických počítačů Klíčové pojmy Optické vazby,posunutí, přeskupení 5.1 Optická propojení Optick{ (fotonick{) propojení vytv{ří optické spojení mezi jednotlivými optickými zařízeními. Tato propojení musí umožňovat co nejlepší přenos energie z jednoho prostředí do druhého. Proto vazební členy, které umožňují toto propojení, musí být konstruov{ny tak, aby svazek paprsků se dostal do druhého zařízení bez velkých ztr{t. Tyto přechody jsou realizov{ny pomocí optických vlnovodů s integrovanými vazebními členy nebo vl{knovými vazebními členy a mikročočkami (zaostřov{ní paprsku). K propojení se mohou používat i světelné svazky jdoucí volným prostorem. K vytv{ření propojení a výpočtů se kromě integrovaných prvků používají i čočky (spojov{ní, větvení, převracení, projekce), hranoly na posuv a přeskupení a také zrcadla a hologramy. Principy propojení jsou patrné z n{sledujících obr{zků Spojování větvení převrácení Projekce je na válcové čočce přeskupení posunutí

2 Integrovanou optikou lze docílit hustotu 1000x10000 prvků/mm 2, což je milión křížících se vodičů na čtvereční milimetr tato hustota není realizovatelná pro galvanická propojení. Holografická propojovací zařízení umožňují realizovat propojení typu jeden s mnoha nebo mnoho s jedním. Vhodným výběrem hologramů lze realizovat libovolné propojovací mapy (viz kapitola Optické počítače) Otázky 1. Jaký je rozdíl mezi přeskupením a posunutím 2. Najděte na internetu co je to projekce. 3. Jaký druh čoček používáme pro zaostřování. 4. Co je to mikročočka? 5. Jaká je výhoda integrovaných optických zařízení pro propojování prvků?

3 5.2 Optické počítače Optické počítače přirozeně napodobují strukturu elektronických počítačů s použitím optických prvků. Pro realizaci binárních hodnot se nepoužívají dvě hodnoty napětí, ale pro logickou 1 světlo, a pro 0 tma. Další výhodou optických počítačů je schopnost šíření světla ve trojrozměrném prostoru. U elektronických počítačů se propojení prvků provádí jen dvojrozměrně. Současný stav realizovatelnosti počítačů je stále horší než u elektronických. I když se u optických počítačů dosahuje lepších parametrů, nelze je spolehlivě vyrábět ve velkých integrovaných polích a hlavně nelze je vyrábět sériově. Proto doposud existují jen laboratorní vzorky. Tyto vzorky ověřují principy optických počítačů, takže u nich jde jen o funkčnost, nikoli o rozměry nebo estetiku. Ve stadiu výzkumu jsou také optoelektronické počítače, které tvoří přechod k ryze optickým počítačům. V optických počítačích se pomocí optických zařízení realizuje o centrální výpočetní jednotka ALU, o celé optické procesory, o optické distribuované paměti, o firmware na hologramech, o propojovací matice nejčastěji pomocí hologramů, o optické přenosy, o optické disky. Kromě všeobecně rozšířených optických přenosů se dnes s výhodou používají hologramy, zejména na propojovací pole a vedení signálu v 3D prostoru. Optické počítače umožňují nasazení paralelních zpracování mnohem ve větší míře než je to u elektronických. Paralelismus je mocný nástroj ke zvyšování výkonu počítačů. Uvažujme analogii s obvody vytvořenými klasickými hradly. Výstupní optický svazek z každého hradla je hologramem, který vytváří pole potřebných propojení, nasměrován do patřičných ( i časově proměnných) vstupů dalších hradel, postavených na stejné vrstvě jako vstupy pro hologram. Tedy výstupy vedou zpět do stejného hradlového pole. Propojovací mapa se zakóduje do holografické paměti propojení.

4 5.2.1 Výpočetní jednotka Realizace centrální výpočetní jednotky je na následujícím obr. Zrcadlo Holografická propojovací maska vstupy výstup Polopropustné poloprp. Zrcadlo hradla zrcadlo Hologram nahrazuje počítačový program a podle vstupních hodnot rozhoduje o následujícím výstupu. Lze s ním realizovat jak posloupnost instrukcí tak i podmíněné i nepodmíněné skoky. Výstup z hologramu projde hradly, na kterých provede logickou operaci. Tento signál je jednak výstupní a také je zpět přiveden na hologram. Podle výsledku předchozí operace dojde k patřičnému odchýlení výstupů z hologramu a tím dojde ke změně adresy pro další instrukci. Tedy osvícení hologramu vyvolává obsah instrukce Realizace logických funkcí Jako příklad logických funkcí realizovaných pomocí optických procesorů uveďme o logický součet Operaci lze provést jednoduše použitím propojovací mapy spojující všechny body do jediného. Tuto mapu lze realizovat např. čočkou. F 1 F 2 součet F 3

5 o Skalární součin Paprsek prochází přes sobě odpovídající prvky dvou vstupních vektorů a výstupy se opět sečtou. Je to suma součinů. F 1 G 1 F 2 G 2 Y = F 1 G 1 + F 2 G 2 + F 3 G 3 F 3 G 3 o Vektorový součin Je proveden podle pravidla násobení matic (sloupcové a řádkové). 6.3 Prvky se zhášenými lasery Pro konstrukci optických procesorů se také používají polovodičové logické prvky, které využívají integrované lasery. Tyto prvky se nazývají logické prvky se zhášenými lasery. Pro pochopení jejich principu uvedeme některé z nich. V popisech označují velká písmena A, B, C jednotlivé lasery. Písmena I a, I b, I c řídící signály pro lasery A,B,C. Tyto signály bývají optické, ale mohou být i elektrické. X a Y jsou výstupysvazky emitovaných paprsků lasery. Logický součin Vstupní signály I a a Ib se přivádí na polovodičové lasery A a B, které jsou oddělené světlopohlcující vrstvou P.

6 I a X = A.B Y = A + B A A B I a Ib I b P P B Obr. Log. součin obr. Logický součet Je-li buzen pouze jeden vstup nestačí tato energie k zesílení aktivní vrstvy, a ta nemůže krýt ztráty absorpcí. Koherentní záření v laserech nevzniká. Výstup je log 0. Ke generaci záření dochází jen když jsou vybuzeny oba lasery A i B. Logický součet Logický součet se skládá ze dvou paralelně uložených laserových diod oddělených tenkou světlopohlcující vrstvou. K vybuzení laseru stačí jen jeden vstup. Při buzení obou vstupů se lasery ovlivňují, takže výstupní záření je konstantní. 6.4 Optické procesory Prototyp optického procesoru je 1000krát rychlejší než nejlepší el. procesory. Jeho rozměry jsou 15x15x1,7cm. 6.5 Otázky 1. Jaký je rozdíl mezi optickým a elektronickým počítačem? 2. Co mají optický a elektronický počítač společné? 3. Jaký je rozdíl ve vedení signálu v 3D a 2D? Kdy se který používá? 4. Jak je zajištěn mohutný paralelismus u optických počítačů? 5. Jaké jsou výhody paralelismu? 6. K čemu slouží hologram u výpočetní jednotky? 7. Jak se provádí adresace instrukcí u optických procesorů? 8. Jaký je rozdíl v realizaci logických prvků pomocí 3D vedení signálů a u polovodičových optických prvků? 9. Popište AND pomocí paprskové optiky. 10. Popište AND pomocí prvků ze zhášenými lasery. 11. Co je to stimulovaná emise?

7 Literatura Saleh,Teich: Základy fotoniky Časopis Jemná mechanika a optika Network computing 12/2003 Čtyroký: Integrovaná optika Košťálová: Zpracování informace pomocí neuronových sítí Otevřelová: Local optical fields of shallowly buried waveguides Ilkovič: Fyzika Fyzika pro střední školy Urbas: Optoelektronika