Журнал о технологиях и строительстве

В нaстoящee врeмя для пeрeдaчи и oбрaбoтки инфoрмaции мы, в пoдaвляющeм бoльшинствe случaeв, испoльзуeм пoтoк элeктрoнoв. Oднaкo, в силу рядa рaзличныx причин, тaкoй пoдxoд нaчинaeт стaнoвиться тупикoвым, для ускoрeния и увeличeния эффeктивнoсти вычислитeльныx систeм трeбуeтся нeчтo нoвoe, испoльзoвaниe фoтoнoв свeтa в кaчeствe нoситeлeй инфoрмaции, к примeру. Знaчитeльныx успехов в этом деле добились исследователи из лаборатории Hewlett Packard Labs, которая является частью компании Hewlett Packard Enterprise (HPE), им удалось создать оптический процессор, на чипе которого присутствует тысяча оптических компонентов, способных очень быстро и эффективно выполнять достаточно сложные вычисления.

Кремниевые интегральные схемы со встроенными в них оптическими компонентами не являются абсолютной новинкой. Однако оптический чип, на кристалле которого объединено 1052 компонента, является самым большим и самым сложным функционирующим оптическим процессором на сегодняшний день. Разработка данного чипа производилась в рамках программы Mesodynamic Architectures Управления перспективных исследовательских программ Пентагона DARPA, а сам чип пока находится на стадии всестороннего тестирования и испытаний.

Модель, заложенная в принцип построения оптического процессора, основана на модели столетней давности, определяющей взаимодействие магнитных полей отдельных атомов. Эта модель предполагает, что каждый из атомов вращается, а направление его вращения может указывать «вверх» или «вниз». В ферромагнитных материалах, находящихся при температуре выше определенной точки, направления вращения атомов ориентированы хаотичным образом за счет их тепловых колебаний. Но при понижении температуры на первый план начинают выходить взаимодействия между атомами и направления их вращения упорядочиваются, ориентируясь в определенном направлении.

Программа, вводимая в компьютер, построенный на данном принципе, заключается в настройке уровня взаимодействия между «атомами», в роли которых выступают компоненты процессора. Эти компоненты могут находиться в одном из двух состояний и взаимодействовать друг с другом до тех пор, пока вся система не придет к самому низкому энергетическому состоянию, значение которого и будет являться решением поставленной задачи.

Первый оптический процессор, основанный на подобном принципе, был построен группой Йошихиса Ямамото (Yoshihisa Yamamoto) из Стэнфордского университета в 2014 году. Носителем информации в этой системе являлся свет, имеющий определенное значение сдвига его фазы, а в состав процессора входило четыре вычислительных элемента, изготовленных из зеркал, лазеров и других оптических элементов.

Расширение структуры такого оптического процессора натолкнулось на ряд существенных препятствий, связанных с акустическими и тепловыми шумами, под воздействием которых оптические компоненты системы вибрировали и с большой скоростью изменяли свои геометрические размеры. Проблема температурной стабилизации и коррекции была решена за счет введения электронных обратных связей и в октябре 2016 года ученые из Стэнфорда создали гибридный оптоэлектронный процессор с сотней вычислительных компонентов, а в перспективе ученые планировали расширить структуру их процессора до двух тысяч компонентов.

Исследователям из компании Hewlett Packard удалось разработать метод, который не нуждается в организации электронных обратных связей. На данном чипе организованы четыре области, четыре вычислительных узла, оперирующие с инфракрасным светом. Поток света, выходящий из каждого узла, проходит через череду разделителей и смесителей, взаимодействуя со светом, выходящим из других узлов. А коэффициент преломления и физические размеры управляющих этим процессом компонентов изменяется при помощи крошечных электронагревательных элементов. Программа, определяющая выполняемые оптическим процессором вычислительные операции, кодируется в виде температур множества нагревателей, отвечающих за работу отдельных элементов.

Свет, прошедший через обработку и смешение со светом из других вычислительных узлов, проходит через микрокольцевые резонаторы, где он очищается от помех и возвращается в вычислительный узел, который изменяет свое состояние, меняя снова фазу выходящего из него света. И так происходит до тех пор, пока вся система не найдет сбалансированное состояние, которое и будет являться решением поставленной задачи.

Проблема вибрации, проявившаяся в фотонном чипе 2014 года разработки, была решена за счет миниатюризации оптических компонентов и размещении их на основании одного кремниевого чипа. Таким образом, любая вибрация или температурные изменения синхронно затрагивают абсолютно все элементы, которые остаются неподвижными друг относительно друга, и все пути, по которому может пойти свет. А такое влияние достаточно легко поддается компенсации и коррекции при помощи достаточно распространенных методов.

Принципы, заложенные в архитектуру оптического процессора, пока еще не позволяют сделать на его основе полноценный универсальный программируемый компьютер. Такие процессоры могут послужить в роли ускорителей при выполнении определенных задач, к примеру, обработки алгоритмов компьютерной графики, решения задач оптимизации по многим параметрам и т.п. Но в дальнейшем, по мере увеличения количества вычислительных узлов и расширения их функциональности, такие процессоры будут становиться все ближе и ближе к понятию, вкладываемому нами в термин «универсальный программируемый процессор».