Перспективы развития оптических методов обработки информации

Исследования оптических методов и систем обработки информации ведутся уже более 20 лет. Оптические системы обработки характеризуются высоким быстродействием, возможностью параллельного выполнения операций над большими массивами данных, отсутствием взаимных помех при передаче сигналов по оптическим каналам, а также возможностью организации программируемых локальных и глобальных связей между отдельными узлами оптических систем.

Эти достоинства открывают интересные перспективы для выполнения многих традиционных видов обработки сигналов, когда цифровая электронная техника становится неадекватной. В качестве примеров областей, где потребности в цифровой обработке превышают возможности современной электронной техники, можно назвать обработку и анализ изображений, обработку радиолокационных сигналов, машинное зрение, искусственный интеллект.

Поэтому наряду с разработкой традиционных оптических устройств обработки в последнее время большое внимание уделяется созданию универсальных оптических вычислительных систем, по своим возможностям намного превосходящих ЭВМ. Исследования по созданию средств оптической вычислительной техники проводятся в настоящее время в следующих основных направлениях.

разработка оптических устройств для повышения быстродействия современных и перспективных ЭВМ (например, оптических устройств распределения синхросигналов, оптических соединений на различных уровнях и т.д.);.

разработка оптических процессоров специального назначения для решения ограниченного круга проблем. К таким устройствам относятся, в частности, матричные и систолические процессоры, в которых в масштабе времени, близком к реальному, выполняются матрично-векторные операции линейной алгебры. Ожидается, что потенциальная производительность этих процессоров достигнет 10 опер./с;.

создание универсальных оптических цифровых вычислительных машин (ОЦВМ), по быстродействию на несколько порядков превосходящих существующие ЭВМ;.

исследование принципиально новых оптических компьютеров, в частности нейронно-сетевых, с необычными архитектурами, по своим возможностям приближающихся к человеческому мозгу.

ОЦВМ, превосходящие по быстродействию современные суперЭВМ на несколько порядков, представляют собой параллельные мультипроцессорные системы, которые позволят не только существенно повысить скорость вычислений, но и будут иметь принципиально отличающиеся от ЭВМ архитектуры, решающие задачи искусственного интеллекта, символьной обработки и ассоциативного распознавания изображений. Специалисты считают, что оптические методы благодаря возможности организации программируемых глобальных и локальных связей открывают большие возможности для создания нейронно-сетевых компьютеров.

В настоящее время еще нет общепринятой архитектуры оптической вычислительной машины (ОВМ). Чтобы выработать архитектурные принципы, нужно прежде всего рассмотреть оптические методы, которые можно использовать при создании новой вычислительной системы.

Одним из наиболее важных и фундаментальных принципов построения ОВМ является применение эффективного оптического метода распараллеливания логических вентилей. Это приводит к новой архитектуре логических систем и делает заманчивым переход на оптическую систему, когда электронный вариант оказывается неудобным. Системы с большим количеством связей зачастую легче создать в сравнительно простом оптическом варианте, тогда как уже сейчас ограничения, вносимые соединениями, начинают серьезным образом сказываться на системах, использующих СБИС.

Описаные современные нетрадиционные методы и схемотехнические варианты построения многоканальных оптических цифровых логических систем, основаны на парафазном представлении информации на всех этапах обработки. Важной и интересной особенностью этих устройств является легкость и оперативность переключения на вычисление любой булевой логической функции как электрическими, так и оптическими сигналами, простота, компактность и возможность выполнения методами интегральной технологии. Рассмотрены оригинальные оптические системы связи, обеспечивающие возможность оперативного изменения топологии соединений многоканальных оптических логических устройств. Показано, что производительность многоканальных оптоэлектронных процессоров, построенных на таких схемах, может достигать 1013опер./с.

К наиболее перспективным следует отнести схемотехнические варианты создания таких логических устройств на основе световодной (волоконной и интегральной) оптики, которая обеспечивает конструктивную совместимость с электронными интегральными схемами. Идеологически они хорошо сопрягаются с перспективными устройствами вычислительных и поисковых систем с целью образования единой аппаратуры. Такая оптоэлектронная аппаратура, использующая одновременно достоинства оптики и электроники при обработке информации, может широко использоваться в радиоэлектронных системах различного назначения как наземного, так и бортового базирования.