Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
4.5. Оптические компьютеры
Термин оптический компьютер уже давно вошел в употребление, хотя смысл этого названия вызывает споры. В последнее время наблюдается большой ажиотаж вокруг этого типа компьютеров: считается, что сейчас они находятся на одном уровне развития с нейронными и квантовыми компьютерами. Однако в кругах специалистов существует мнение, что оптический компьютер в чистом виде еще не разработан. На данный момент существует лишь электронно-оптический или оптоэлектронный компьютер – обычный персональный компьютер.
Оптический компьютер – это устройство обработки информации с использованием света. Обсуждая отличительные особенности света как электромагнитной волны, нужно отметить, что частота световой волны на порядок выше частоты электрических сигналов и волн, используемых в современной компьютерной технике. Если электрическая волна, используемая в радиотехнике, совершает приблизительно 100 тыс. колебаний в секунду, то световая волна имеет частоту, которая в 10–100 млн. раз превосходит это значение. Поэтому с ее помощью в фиксированный интервал времени можно передавать большее число сигналов, а значит, и информации. Кроме того, поскольку длина световой волны ничтожно мала, то имеется возможность обработки информации с необычайно высокой скоростью.
Система обработки информации компьютера состоит из пяти подсистем блоков. В блок ввода извне поступает информация, подлежащая обработке (данные, сигналы и т.д.). Через блок вывода на внешние устройства поступают результаты обработки информации на компьютере. Блок памяти хранит порядок действий компьютера (программу) и информацию, являющуюся объектом обработки. Эти блоки выполняют функции в одном компьютере (системе обработки информации), однако для обеспечения обмена информацией между устройствами и с соседними вычислительными системами есть также блок связи и блок передачи информации.
Если рассматривать компьютер как объединение перечисленных блоков, то свет как носитель данных уже давно используется в подсистемах компьютера. Можно утверждать, что световая техника уже внедрена в компьютер как в систему обработки информации. С этой точки зрения рассмотрим каждую из компьютерных подсистем.
В устройствах ввода информации используются оптические датчики. Это устройства, в которых с помощью света определяются количественные характеристики информации, например, наличие / отсутствие предмета, особенности его формы, скорость, температура и т.д. Оптическим датчикам, в отличие от датчиков других типов, не требуется непосредственного контакта с наблюдаемым объектом, они отличаются высокой чувствительностью и быстродействием. К устройствам такого рода относятся различные оптические мыши – считыватели (OCR – Optical Character Reader), способные непосредственно считывать вводимую в компьютер информацию, и сканеры изображений, вводящие образную графическую информацию.
Случаев использования света в устройствах вывода информации из компьютера огромное множество – это мониторы, дисплеи, экраны, лазерные принтеры и плоттеры, черно-белые и цветные, и т.д. Пользователем их является человек, который зрительно воспринимает эту информацию, опять-таки с помощью света. Давно появились жидкокристаллические плоские дисплеи (жидким кристаллом называют вещество, которое под воздействием электрического напряжения изменяет свою кристаллическую структуру, вследствие чего изменяются его оптические характеристики, например коэффициент пропускания света). Появились 3-D мониторы с повышенной четкостью изображения, использующиеся не только в качестве терминалов компьютеров, но и в телевизорах высшего качества.
К сфере практического применения световой техники в устройствах вывода компьютера следует отнести всевозможные оптические принтеры и плоттеры (графопостроители), в которых используется лазерный луч, жидкие кристаллы и др. Такие принтеры отличается качественной печатью и высокой скоростью.
Появилась техника записи и обнаружения информации с помощью света (оптической памяти). Известной разработкой в этой сфере является использование визуальных сигналов для подсказки пользователю, куда повернуть голову для обнаружения нужной информации. Существуют интерфейсы с фиксированными и пространственными виртуальными дисплеями, позволяющими при повороте головы изменять характер выводимой информации. Работа с фиксированным дисплеем позволяет использовать шлем виртуальной реальности, при надевании которого появляется информация в виде одной развернутой странички газеты перед глазами, тогда как при использовании пространственного дисплея информация представляется в виде нескольких страниц, расположенных вокруг пользователя. При повороте головы компьютер отображает следующую часть информации. Поиск нужной информации при использовании пространственного дисплея происходит на 30 % быстрее, чем при помощи фиксированного монитора, что объясняется рефлекторной способностью человека к обнаружению информации в пространстве.
Планируется создание интерфейсов ввода–вывода с использованием объемного звука, исходящего из места нахождения информации, нужной пользователю.
В блоках связи и передачи информации давно используется оптическое волокно (оптоволокно). Передача сигнала по оптическому волокну заключается в распространении по нему световых волн, генерируемой лазерной накачкой. Так как свет обладает возможностью передачи информации со скоростью, на порядок превосходящей скорость передачи электрического сигнала, то и объём информации, переданный при помощи света за единицу времени, гораздо больше.
Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями оптическое волокно имеет затухание 0,2…0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на 1 км. Малое затухание позволяет строить участки линий без ретрансляции протяженностью 100 км и более. При использовании специальных систем передачи достигнута дальность в 4000 км без регенерации (с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение. Так как волоконно-оптические кабели не излучают в радиодиапазоне, то передаваемую по ним информацию трудно подслушать, не нарушая приема–передачи. Применение оптических средств обмена информацией дает больше преимуществ, чем обычная электрическая передача данных.
При проектировании оптических компьютеров использовалась та же структура фон Неймана, как и в обычных персональных компьютерах. В ней есть один недостаток: на адресацию уходит довольно много времени, что в конечном итоге сокращает быстродействие компьютера. Однако в оптическом компьютере свет, благодаря параллельному распространению в пространстве, может обрабатывать информацию параллельно, что увеличивает возможности его быстродействия.
Оптический компьютер ближайшего будущего пока будет оптоэлектронным, включающим в себя как оптические, так и электронные узлы. Конечной целью его разработки является создание полностью оптического компьютера. Однако на современном этапе более важным является создание такого компьютера, в котором были бы устранены все слабые места существующих ныне ПК. Оптический компьютер может быть гораздо меньше по размерам, так как оптоволокно значительно тонь-ше (и быстрее) по сравнению с сопоставимыми по ширине полосы пропускания электрическими проводниками. По существу, применение электронных коммутаторов ограничивает быстродействие сетей примерно 50 Гбит/с. Чтобы достичь терабитных скоростей, потребуются оптические коммутаторы (уже есть опытные образцы). Это объясняет, почему в телекоммуникациях побеждает оптоволокно: оно дает тысячекратное увеличение пропускной способности, причем мультиплексирование позволяет повысить ее еще больше. Инженеры пропускают по оптоволокну все больше и больше коротковолновых световых лучей. В последнее время для управления ими применяются чипы типа TI DMD с сотнями тысяч микрозеркал. Если первые трансатлантические медные кабели позволяли передавать всего 2500 Кбит/с, то первое поколение оптоволоконных кабелей – уже 280 Мбит/с. Кабель, проложенный сейчас, имеет теоретический предел пропускной способности в 10 Гбит/сна один световой луч определенной длины волны в одном оптическом волокне.
Недавно компания Quest Communications проложила трансатлантический оптический кабель с 96 волокнами, причем по каждому волокну может пропускаться до восьми световых лучей с различной длиной волны. При дальнейшем развитии технологии мультиплексирования число лучей увеличится еще больше, что позволит расширять полосу пропускания без замены кабеля.