Оптические вычисления - Арратуна Р.
Скачать (прямая ссылка):
последнее время в этом направлении возник настоящий шквал публикаций.
Сначала может показаться, что электромагнитные поля оптического диапазона
непригодны для реализации цифровой логики, так как они распространяются
линейным и непрерывным образом, в то время как поток электронов в цепи
может быть просто преобразован в дискретные двоичные уровни. Однако
имеются три свойства оптики, которые делают ее привлекательной для
цифровых вычислений. Первое - это широкая полоса частот оптических
источников, которая может для полупроводниковых лазеров достигать
гигагерц. Второе - это широкая полоса пространственных частот. Двумерная
оптическая система может иметь крайне большое число элементов,
разрешающих изображение, каждый из которых можно рассматривать как
отдельный канал связи, а все они параллельно передают сигнал в одной и
той же системе. В случае некогерентного освещения все разрешающие ячейки
оптической системы являются взаимно независимыми. При освещении
когерентным светом каналы являются связанными между собой, что приводит к
исключительно высокой степени организации межэлементных соединений.
Третьей, относящейся к оптическим соединениям, характеристикой является
отсутствие интерференции при распространении сигналов, что иногда
описывают как "возможность пересечения оптических проводов". Два
оптических поля могут распространяться друг через друга, не оказывая
взаимного влияния. Эти
•> В настоящее время работает в Исследовательском институте окружающей
среды оз. Мичиган, Техническое бюро г. Дайтона, Дайтон, шт. Огайо.
Глава 7. Оптическое умножение матриц
183
характеристики дают возможность обрабатывать данные при больших скоростях
и с недостижимым для электронных устройств уровнем организации связи
между различными элементами.
Чтобы воспользоваться указанными преимуществами оптики, недостаточно
заменить электронные компоненты на оптические. Фотон не является просто
прозрачным электроном. Должны быть найдены специальные способы работы с
данными, позволяющие использовать эти преимущества оптики и оптических
элементов.
Обработка данных, как можно полагать, осуществляется на трех уровнях
составных компонент компьютера. Простейший - это уровень вентилей, в
которых двоичные переключатели осуществляют булевы логические операции.
Исследования на данном уровне концентрировались на разработке оптических
бистабильных устройств, образующих вентили [3], и оптических методах
образования соединений между оптическими или электронными логическими
вентилями [4]. Наивысший уровень- это уровень процессора, на котором в
едином узле выполняются целые алгоритмы. Традиционные оптические
процессоры работают именно на данном уровне, выполняя, например,
преобразование Фурье за один проход света через линзы. На уровне регистра
осуществляется синергетическая обработка чисел и блоков чисел. Этот
уровень организации обработки данных превосходит просто эксплуатацию
набора вентилей, но операции достаточно просты, и они могут быть
сгруппированы так, чтобы образовать большое число операций более высокого
уровня.
7.2. Цифровая оптика
7.2.1. Алгоритм цифрового умножения с помощью вычисления аналоговой
свертки (ЦУАС)
Одна из целей цифровых оптических вычислений состоит в достижении большей
гибкости системы, чем у их аналоговых предшественников. Особенность
оптических компьютеров состоит в том, что они скорее выполняют не
монолитные операции, а ряд простых операций, которые можно объединить для
выполнения широкого круга задач. Однако в данном случае это не так плохо,
поскольку при построении оптических процессоров, осуществляющих функции
регистра, их возможности поднимутся на качественно новый уровень. С этой
точки зрения матричное умножение (под которым подразумевают либо
умножение матрицы на вектор, либо матрицы на матрицу), возможно, является
наиболее полезной операцией среднего уровня из числа тех, которые только
можно придумать. Многие сложные проблемы, например калмановское
фильтрование,
184
Часть III. Систолические процессоры и логические матрицы
можно представить в виде серии операций с матрицами. Матричное умножение
представляет собой не что иное, как упорядоченные серии операций
умножения и сложения, каждое из которых легко выполнить оптически. Далее
обсуждение ограничено случаем некогерентной оптики, так что интерес будет
представлять интенсивность света, а фазу рассматривать не потребуется.
Используя термины из области оптики, числа представляют уровнями
интенсивности света, или уровнями пропускания пространственных
модуляторов света. Если свет с интенсивностью t\ проходит через модулятор
с коэффициентом пропускания t2, результирующая интенсивность света
составляет t\t2. Сложение осуществляется путем суммирования большого
числа световых пучков на единственном фотодетекторе. В литературе описан
ряд оптических матричных умножителей, использующих уровни интенсивности
для представления целых чисел [5, 6J. Реализация всего этого затрудняется
