Оптические вычисления - Арратуна Р.
Скачать (прямая ссылка):
с позиций использования ее для построения оптических многозначных
элементарных логических функций. Вопрос состоит в том, имеются ли
необходимые типы входов физической системы, которые позволят
синтезировать все возможные многозначные логические функции? Ответ
заключается в установлении факта, сохраняет ли система определенные
алгебраические структуры. Физическая система должна разрушать, не
сохранять шесть классов алгебраических структур. В поисках полноты
многозначных множеств в физических системах следует отыскивать системы,
уничтожающие упорядоченность.
Глава 5
ПОРОГОВОЕ КОДИРОВАНИЕ И ВЗВЕШИВАНИЕ В ОПТИЧЕСКИХ ВЫЧИСЛЕНИЯХ
С. С. Густафсон, Исследовательский институт,
Отделение прикладной физики, Университет
г. Дайтона, Дайтон, шт. Огайо
5.1. Введение
В данной главе дается обзор возможностей оптической техники для
выполнения процедур принятия элементарных решений и операций
межэлементных соединений, необходимых в любых системах обработки
информации. В разд. 5.1 рассматриваются случаи, в которых оптически
выполняются только операции соединений; в разд. 5.3 приводятся 1 примеры
устройств, в которых и соединения, и операции принятия решения
выполняются оптическими методами; в разд. 5.4 обсуждение основных
'проблем завершается описанием общей схемы оптического вычислительного
устройства.
Поскольку оптические вычисления являются сравнительно новой областью, то
представляется целесообразным использовать систему счисления в остаточных
классах (ССОК), многозначную и пороговую логику и связанные с ними
архитектуру и программные средства, не нашедшие широкого применения в
чисто электронных вычислительных машинах. В целом исследование указанных
нестандартных средств достигло в настоящий момент лишь такого уровня, при
котором могут быть сделаны не более чем предварительные оценки их
значимости для оптических вычислений. Данное утверждение одинаково
справедливо и для операций порогового кодирования в оптических
вычислениях, и для процедур взвешивания, описанных в разд. 5.1.2. В
данной главе вопросы излагаются по возможности кратко и абстрактно, а все
примеры просты и в основном мотивируют будущие исследования.
5.1.1. Возможность оптических вычислений
Оптические вычисления обладают значительными возможностями улучшения (на
несколько порядков) таких характеристик, как быстродействие, потребление
энергии, размер, объем памяти, надежность, отказоустойчивость и т. д. по
сравнению с существующими чисто электронными вычислительными системами.
(Заметим, что улучшение нескольких характеристик од-
Глава 5. Пороговое кодирование и взвешивание в вычислениях
141
новременно может быть практически нецелесообразным.) Принципиальным
преимуществом оптических методов (характеризуемых диапазоном возможных
рабочих частот до 1014 Гц) по сравнению с электронными методами
(характеризуемыми возможными рабочими частотами до 107 Гц) является их
способность выполнять сравнительно многочисленные, сложные, глобальные и
широкополосные соединения [1, 2]. Такие оптические соединения в целом
отличаются (а) отсутствием интерференционных эффектов (т. е. оптические
пучки могут пересекаться, не вызывая явления интерференции, а электронные
"провода" - не могут) и (б) относительной независимостью от свойств линии
связи, которые могут привести к значительным временным задержкам и
соответствующим ограничениям рабочих характеристик. Другим возможным
преимуществом оптических методов является параллельная обработка массивов
данных, высокое быстродействие логических элементов и простая реализация
трехмерных конструкций. Большинство из указанных свойств могут быть
присущи и чисто электронным методам и, таким образом, носят менее
принципиальный характер по сравнению с преимуществами при реализации
соединений. В целом оптические методы имеют превосходство при выполнении
операций соединения и по крайней мере равные возможности с чисто
электронными технологиями при выполнении операций принятия решений. Это
различие может быть связано с тем фактом, что степень нелинейности
материала, необходимая для операций принятия решения, гораздо сильнее
проявляется при частотах и интенсивностях, присущих чисто электронным
методикам.
Возможности оптических вычислений можно оценить, например, при
рассмотрении свойств системы, состоящей из матрицы оптических
бистабильных устройств с чисто оптической цепью обратной связи. В данном
случае бистабильное устройство выполняет операции принятия решения, а
цепь обратной связи (которая может содержать голограммы, линзы,
светоделительные элементы и другие компоненты) выполняет операции
соединения. Как показано в разд. 5.4, обоснованные планы развития
современной технологии могут обеспечить выполнение такими системами
порядка 1015 логических операций в секунду на площади в 1 см2, или более
чем в 100 раз выше, чем планируют современные программы по СБИС [3J.
Существующее ограничение характеристик этой системы состоит в рассеянии
