Optik bilgi işlem - Optical computing

Optik hesaplama veya fotonik hesaplama , hesaplama için lazerler veya diyotlar tarafından üretilen fotonları kullanır . On yıllardır, fotonlar daha yüksek etkinleştirmek için söz göstermiştir bant genişliğini daha elektronların (bkz geleneksel bilgisayarlarda kullanılan optik fiberler ).

Çoğu araştırma projesi, mevcut bilgisayar bileşenlerini optik eşdeğerleriyle değiştirmeye odaklanır ve bu da ikili verileri işleyen bir optik dijital bilgisayar sistemi ile sonuçlanır . Optik bileşenler bir optik-elektronik hibrit üretmek için geleneksel bilgisayarlara entegre edilebildiğinden, bu yaklaşım ticari optik hesaplama için en iyi kısa vadeli beklentileri sunuyor gibi görünmektedir. Ancak optoelektronik cihazlar, enerjilerinin %30'unu tüketerek elektronik enerjiyi fotonlara ve geri dönüştürür; bu dönüştürme aynı zamanda mesajların iletimini de yavaşlatır. Tamamen optik bilgisayarlar, optik-elektrik-optik (OEO) dönüşüm ihtiyacını ortadan kaldırarak elektrik gücü tüketimini azaltır.

Sentetik açıklıklı radar (SAR) ve optik korelatörler gibi uygulamaya özel cihazlar, optik hesaplama ilkelerini kullanmak üzere tasarlanmıştır. Korelatörler örneğin nesneleri algılamak ve izlemek ve seri zaman alanlı optik verileri sınıflandırmak için kullanılabilir.

İkili dijital bilgisayar için optik bileşenler

Modern elektronik bilgisayarların temel yapı taşı transistördür . Elektronik bileşenleri optik olanlarla değiştirmek için eşdeğer bir optik transistör gereklidir. Bu, doğrusal olmayan kırılma indisine sahip malzemeler kullanılarak elde edilir . Özellikle, gelen ışığın yoğunluğunun, bir bipolar transistörün mevcut yanıtına benzer şekilde malzemeden iletilen ışığın yoğunluğunu etkilediği malzemeler mevcuttur. Böyle bir optik transistör , bilgisayarın merkezi işlem biriminin (CPU) üst düzey bileşenlerine monte edilen optik mantık kapıları oluşturmak için kullanılabilir . Bunlar, ışık huzmelerini diğer ışık huzmelerini kontrol etmek için manipüle etmek için kullanılan doğrusal olmayan optik kristaller olacaktır.

Herhangi bir bilgi işlem sistemi gibi, bir optik bilgi işlem sisteminin de iyi çalışması için üç şeye ihtiyacı vardır:

1. optik işlemci
2. optik veri aktarımı, örneğin fiber optik kablo
3. optik depolama ,

Elektrikli bileşenlerin ikame edilmesi, sistemi yavaşlatacak olan fotonlardan elektronlara veri formatı dönüşümüne ihtiyaç duyacaktır.

tartışma

Optik bilgisayarların gelecekteki yetenekleri konusunda araştırmacılar arasında bazı anlaşmazlıklar var; yarı iletken tabanlı elektronik bilgisayarlarla hız, güç tüketimi, maliyet ve boyut açısından rekabet edip edemeyecekleri açık bir sorudur. Eleştirmenler, gerçek dünya mantık sistemlerinin "mantık düzeyinde geri yükleme, basamaklandırılabilirlik, yayma ve giriş-çıkış yalıtımı" gerektirdiğini ve bunların tümü şu anda elektronik transistörler tarafından düşük maliyet, düşük güç ve yüksek hızda sağlandığına dikkat çekiyor . Optik mantığın birkaç niş uygulamanın ötesinde rekabet edebilmesi için, doğrusal olmayan optik cihaz teknolojisinde büyük atılımlar veya belki de bilgi işlemin kendi doğasında bir değişiklik gerekli olacaktır.

Kavram yanılgıları, zorluklar ve beklentiler

Optik hesaplama için önemli bir zorluk, hesaplamanın, birden fazla sinyalin etkileşime girmesi gereken doğrusal olmayan bir süreç olmasıdır. Elektromanyetik bir dalga olan ışık, başka bir elektromanyetik dalga ile ancak bir malzemedeki elektronların varlığında etkileşebilir ve bu etkileşimin gücü, ışık gibi elektromanyetik dalgalar için, geleneksel bir bilgisayardaki elektronik sinyallere göre çok daha zayıftır. . Bu, transistör kullanan geleneksel bir elektronik bilgisayar için olanlardan daha fazla güç ve daha büyük boyutlar gerektiren bir optik bilgisayar için işleme elemanları ile sonuçlanabilir.

Bir başka yanlış anlama da, ışığın elektronların sürüklenme hızından çok daha hızlı hareket edebileceğinden ve THz cinsinden ölçülen frekanslarda optik transistörlerin son derece yüksek frekanslara sahip olması gerektiğidir. Bununla birlikte, herhangi bir elektromanyetik dalga, dönüşüm sınırına uymalıdır ve bu nedenle, bir optik transistörün bir sinyale yanıt verme hızı, spektral bant genişliği ile hala sınırlıdır . Bununla birlikte, fiber optik iletişimde , dağılım gibi pratik sınırlar çoğu zaman kanalları 10s GHz'lik bant genişlikleriyle sınırlandırır , bu birçok silikon transistörden sadece biraz daha iyidir. Elektronik transistörlerden çok daha hızlı çalışma elde etmek, bu nedenle, ultra kısa darbeleri yüksek oranda dağılan dalga kılavuzlarından aşağı iletmek için pratik yöntemler gerektirecektir .

fotonik mantık

Kuantum hesaplamada kullanım için fotonik kontrollü DEĞİL kapısının gerçekleştirilmesi

Fotonik mantık, mantık kapılarında (NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR) fotonların ( ışık ) kullanılmasıdır . Anahtarlama, iki veya daha fazla sinyal birleştirildiğinde doğrusal olmayan optik etkiler kullanılarak elde edilir .

Rezonatörler özellikle fotonik mantıkta faydalıdır, çünkü bunlar yapıcı girişimden enerji birikmesine izin verirler , böylece optik doğrusal olmayan etkileri arttırırlar.

Araştırılan diğer yaklaşımlar, fotolüminesan kimyasallar kullanarak moleküler düzeyde fotonik mantığı içerir . Bir gösteride, Witlicki ve ark. moleküller ve SERS kullanarak mantıksal işlemler gerçekleştirdi .

Geleneksel olmayan yaklaşımlar

Zaman optik hesaplamayı geciktirir

Temel fikir, faydalı hesaplamalar yapmak için ışığı (veya başka bir sinyali) geciktirmektir. İlgi çekici olan, geleneksel bilgisayarlar için zor problemler olduğu için NP-tamamlanmış problemleri çözmek olacaktır .

Bu yaklaşımda aslında kullanılan ışığın 2 temel özelliği vardır:

• Işık, belirli bir uzunluktaki bir optik fiberden geçirilerek geciktirilebilir.
• Işık birden fazla (alt) ışına bölünebilir. Bu özellik, aynı anda birden fazla çözümü değerlendirebildiğimiz için de önemlidir.

Zaman gecikmeli bir problemi çözerken aşağıdaki adımlar izlenmelidir:

• İlk adım, optik kablolardan ve ayırıcılardan yapılmış grafik benzeri bir yapı oluşturmaktır. Her grafiğin bir başlangıç ​​düğümü ve bir hedef düğümü vardır.
• Işık, başlangıç ​​düğümünden girer ve hedefe ulaşana kadar grafiği çaprazlar. Yaylardan geçerken geciktirilir ve düğümlerin içinde bölünür.
• Işık, bir yaydan veya bir düğümden geçerken işaretlenir, böylece bu gerçeği hedef düğümde kolayca belirleyebiliriz.
• Hedef düğümde, belirli bir an(lar)da gelen bir sinyal (sinyal yoğunluğundaki dalgalanma) için bekleyeceğiz. O an sinyal gelmiyorsa sorunumuza çözüm yok demektir. Aksi takdirde sorunun bir çözümü vardır. Dalgalanmalar bir fotodedektör ve bir osiloskop ile okunabilir .

Bu şekilde ele alınan ilk problem Hamilton yolu problemiydi .

En basiti alt küme toplamı problemidir . 4 sayı {a1, a2, a3, a4} ile bir örneği çözen bir optik cihaz aşağıda gösterilmiştir:

Işık Başlat düğümüne girecektir. Daha küçük yoğunlukta 2 (alt) ışına bölünecektir. Bu 2 ışın ikinci düğüme a1 ve 0 anlarında ulaşacaktır. Her biri 2 alt ışına bölünerek 3. düğüme 0, a1, a2 ve a1 + a2 anlarında ulaşacaktır. Bunlar {a1, a2} kümesinin tüm alt kümelerini temsil eder. Sinyalin yoğunluğunda 4'ten fazla farklı anda dalgalanmalar bekliyoruz. Hedef düğümde en fazla 16 farklı anda (bunların tümü verilenin alt kümeleridir) dalgalanmalar bekliyoruz. Hedef moment B'de bir dalgalanma varsa, bu sorunun bir çözümümüz olduğu anlamına gelir, aksi takdirde elemanları toplamı B'ye eşit olan bir alt küme yoktur. Pratik uygulama için sıfır uzunluklu kablolara sahip olamayız, bu nedenle tüm kablolar küçük (herkes için sabit) bir değer k ile artırılır. Bu durumda çözüm B+n*k anında beklenir.

Dalga boyu tabanlı hesaplama

Dalga boyu tabanlı hesaplama, 3-SAT problemini n değişkenli, m cümlecikli ve cümle başına en fazla 3 değişkenli çözmek için kullanılabilir . Bir ışık ışını içinde bulunan her dalga boyu, n değişkene olası değer atamaları olarak kabul edilir. Optik cihaz prizmalar içerir ve formülü karşılayan uygun dalga boylarını ayırt etmek için aynalar kullanılır.

Asetatlar üzerinde xeroxing ile hesaplama

Bu yaklaşım, hesaplamaları gerçekleştirmek için bir Xerox makinesi ve şeffaf sayfalar kullanır. n değişkenli, m cümlecikli ve cümle başına en fazla k değişkenli k-SAT problemi 3 adımda çözüldü:

• İlk olarak, n değişkenin tüm 2^n olası ataması, n xerox kopyası gerçekleştirilerek oluşturulmuştur.
• Doğruluk tablosunun en fazla 2k kopyası kullanılarak, her bir madde, doğruluk tablosunun her satırında aynı anda değerlendirilir.
• Çözüm, tüm m yan tümcelerinin üst üste binen saydamlarının tek bir kopya işlemi yapılarak elde edilir.

Optik ışınları maskeleme

Gezgin satıcı problemi çalkalanır çözülmüştür ve arkadaşları , optik bir yaklaşım kullanılarak (2007). Tüm olası TSP yolları, şehirler arasındaki mesafeleri içeren başka bir gri tonlamalı vektörle çarpılan ikili bir matriste oluşturulmuş ve saklanmıştır. Çarpma, bir optik korelatör kullanılarak optik olarak gerçekleştirilir.

Optik Fourier yardımcı işlemcileri

Özellikle bilimsel uygulamalardaki birçok hesaplama, örneğin dalgaların yayılmasını veya ısı transferini tanımlayan diferansiyel denklemlerin çözümünde 2B ayrık Fourier dönüşümünün (DFT) sık kullanımını gerektirir . Modern GPU teknolojileri tipik olarak büyük 2D DFT'lerin yüksek hızlı hesaplanmasını mümkün kılsa da, lenslerin doğal Fourier dönüştürme özelliğini kullanarak optik olarak sürekli Fourier dönüşümü gerçekleştirebilen teknikler geliştirilmiştir . Giriş, bir sıvı kristal uzaysal ışık modülatörü kullanılarak kodlanır ve sonuç, geleneksel bir CMOS veya CCD görüntü sensörü kullanılarak ölçülür. Bu tür optik mimariler, optik yayılımın doğası gereği yüksek oranda birbirine bağlı doğası nedeniyle hesaplama karmaşıklığının üstün ölçeklendirmesini sunabilir ve 2B ısı denklemlerini çözmek için kullanılmıştır.

Ising makineleri

Tasarımı teorik Ising modelinden ilham alan fiziksel bilgisayarlara Ising makineleri denir.

Yoshihisa Yamamoto'nun Stanford'daki laboratuvarı, foton kullanan Ising makinelerinin yapımına öncülük etti. Başlangıçta Yamamoto ve meslektaşları, optik bir masada yaygın olarak bulunan lazerler, aynalar ve diğer optik bileşenleri kullanarak bir Ising makinesi yaptılar .

Daha sonra Hewlett Packard Labs'deki bir ekip fotonik çip tasarım araçları geliştirdi ve bunları tek bir çip üzerinde 1.052 optik bileşeni entegre ederek bir Ising makinesi oluşturmak için kullandı.

Ayrıca bakınız

• Doğrusal optik kuantum hesaplama
• optik ara bağlantı
• Optik sinir ağı
• Fotonik kristal § Uygulamalar
• Fotonik entegre devre
• fotonik molekül
• fotonik transistör
• silikon fotonik

Referanslar

daha fazla okuma

• Feitelson, Dror G. (1988). Optik Hesaplama: Bilgisayar Bilimcileri İçin Bir Anket . Cambridge, Massachusetts: MIT Basını. ISBN'si 978-0-262-06112-4.
• McAulay, Alastair D. (1991). Optik Bilgisayar Mimarileri: Optik Kavramların Yeni Nesil Bilgisayarlara Uygulanması . New York, NY: John Wiley & Sons. ISBN'si 978-0-471-63242-9.
• İbrahim TA; Amarnath K; Kuo LC; Grover R; Van V; Ho PT (2004). "İki simetrik mikro halka rezonatörlerine dayanan fotonik mantık NOR kapısı". Opt Lett . 29 (23): 2779-81. Bibcode : 2004OptL...29.2779I . doi : 10.1364/OL.29.002779 . PMID  15605503 .
• Biancardo M; Bignozzi C; Doyle H; Redmond G (2005). "Bir potansiyel ve iyon anahtarlamalı moleküler fotonik mantık kapısı". Kimya Komün. (31): 3918–20. doi : 10.1039/B507021J . PMID  16075071 .
• Jahns, J.; Lee, SH, ed. (1993). Optik Hesaplama Donanımı: Optik Hesaplama . Elsevier Bilimi. ISBN'si 978-1-4832-1844-1.
• Barros S; Guan S; Alukaidey T (1997). "Boş alan optik ara bağlantıları ve Petri ağı yapılandırması kullanan bir MPP yeniden yapılandırılabilir mimarisi". Sistem Mimarisi Dergisi . 43 (6-7): 391-402. doi : 10.1016/S1383-7621(96)00053-7 .
• D. Goswami , "Optik Hesaplama", Rezonans, Haziran 2003; age Temmuz 2003. www.iisc.ernet.in/academy/resonance/July2003/July2003p8-21.html Web Arşivi
• Ana T; Feuerstein RJ; Ürdün HF; Başkan Yardımcısı; Feehrer J; Aşk CE (1994). "Genel amaçlı bir depolanmış programlı dijital optik bilgisayarın uygulanması". Uygulamalı Optik . 33 (8): 1619–28. Bibcode : 1994ApOpt..33.1619M . doi : 10.1364/AO.33.001619 . PMID  20862187 .
• Guan, TS; Barros, SPV (Nisan 1994). "Serbest Alan Optik İletişimini Kullanarak Yeniden Yapılandırılabilir Çok Davranışlı Mimari". Optik Ara Bağlantılar Kullanılarak Büyük Ölçekte Paralel İşleme Üzerine IEEE Uluslararası Çalıştayının Tutanakları . IEEE. s. 293–305. doi : 10.1109/MPPOI.1994.336615 . ISBN'si 978-0-8186-5832-7. S2CID  61886442 .
• Guan, TS; Barros, SPV (Ağustos 1994). "Serbest Uzay Optikleri ile Paralel İşlemci İletişimi". TENCON'94. IEEE Bölge 10'un Dokuzuncu Yıllık Uluslararası Konferansı. Tema: Bilgisayar Teknolojisinin Sınırları . 2 . IEEE. s. 677-681. doi : 10.1109/TENCON.1994.369219 . ISBN'si 978-0-7803-1862-5. S2CID  61493433 .
• Guha A.; Ramnarayan R.; Derstine M. (1987). "Optik sembolik işlemcilerin tasarımında mimari sorunlar". Bilgisayar mimarisi üzerine 14. yıllık uluslararası sempozyumun bildirileri (ISCA '87) . ACM. s. 145–151. doi : 10.1145/30350.30367 . ISBN'si 978-0-8186-0776-9. S2CID  14228669 .
• K.-H. Brenner, Alan Huang: "Dijital optik bilgisayarlar için mantık ve mimariler (A)", J. Opt. Soc. Am., A 3, 62, (1986)
• Brenner, K.-H. (1988). "Sembolik ikameye dayalı programlanabilir bir optik işlemci". Uygulama Seç . 27 (9): 1687-91. Bibcode : 1988ApOpt..27.1687B . doi : 10.1364/AO.27.001687 . PMID  20531637 .
• Streibl N.; Brenner K.-H.; Huang A.; Jahns J.; Jewell JL; Lohmann AW; Miller DAB; Murdocca MJ; Ödül BEN; Sizer II T. (1989). "Dijital Optik". Proc. IEEE . 77 (12): 1954-69. doi : 10.1109/5.48834 .
• Optik bilgi işlem teknolojisini geliştirmek için çalışan NASA bilim adamları , 2000
• NP-tamamlanmış problemler için optik çözümler
• Dolev, S.; Haist, T.; Oltean, M. (2008). Optik Süper Hesaplama: Birinci Uluslararası Çalıştay, OSC 2008, Viyana, Avusturya, 26 Ağustos 2008, Bildiriler . Springer. ISBN'si 978-3-540-85672-6.
• Dolev, S.; Oltean, M. (2009). Optik Süper Hesaplama: İkinci Uluslararası Çalıştay, OSC 2009, Bertinoro, İtalya, 18–20 Kasım 2009, Bildiriler . Springer. ISBN'si 978-3-642-10441-1.
• Dolev, S.; Oltean, M. (2011). Optik Süper Hesaplama: Üçüncü Uluslararası Çalıştay, OSC 2010, Bertinoro, İtalya, 17–19 Kasım 2010, Gözden Geçirilmiş Seçilmiş Makaleler . Springer. ISBN'si 978-3-642-22493-5.
• Dolev, S.; Oltean, M. (2013). Optik Süper Hesaplama: 4. Uluslararası Çalıştay, OSC 2012, H. John Caulfield Anısına, Bertinoro, İtalya, 19–21 Temmuz 2012. Revize Selected Papers . Springer. ISBN'si 978-3-642-38250-5.
• Işık hızında bilgi işlem bir adım daha yaklaşıyor New Scientist
• Caulfield H.; Dolev S. (2010). "Gelecekteki süper hesaplama neden optik gerektiriyor". Doğa Fotoniği . 4 (5): 261–263. doi : 10.1038/nphoton.2010.94 .
• Cohen E.; Dolev S.; Rosenblit M. (2016). "Doğal olarak enerji tasarrufu sağlayan tersinir kapılar ve devreler için tamamen optik tasarım" . Doğa İletişimi . 7 : 11424. Bibcode : 2016NatCo...711424C . doi : 10.1038/ncomms11424 . PMC  4853429 . PMID  27113510 .
• Karasik, Yevgeni B. (2019). Optik Hesaplamalı Geometri . ISBN'si 979-8511243344.

Dış bağlantılar

• Bu Lazer Numarası Bir Kuantum Sıçraması
• Photonics Başlangıç ​​Mandalları Q2'06 Üretim Tarihi
• Kuantum sıçramasında ışığı durdurmak
• Yüksek Bant Genişlikli Optik Ara Bağlantılar
• https://www.youtube.com/watch?v=4DeXPB3RU8Y (Film: Asetatlar üzerinde xeroxing ile hesaplama)