2025-04-08

Оптические вычисления - это инновационная область разработок, которая использует световой поток для обработки информации и решения сложных математических задач. Её привлекательность заключается в скорости распространения и способностей параллельности движения узконаправленного луча (лазеры), которые позволяют оптическим компьютерам обрабатывать огромные объёмы данных в режиме реального времени, решая множество сложных уравнений одновременно — намного эффективнее, чем традиционные электронные компьютеры.

Поскольку действие закона Мура замедляется, а индустрия ищет альтернативу кремниевым технологиям, оптические вычисления рассматриваются как многообещающая альтернатива, поскольку в настоящее время проводятся значительные новые исследования и разработки в данном направлении. Однако такая разновидность вычислений - непростая задача даже сейчас. Частично, это обусловлено тем, что в середине 20-го века, когда исследователи были в восторге от потенциала электронных вычислений другими способами, у них возникали сомнения относительно их оптического аналога.

1960-е годы: рождение оптического процессора

История оптики восходит к древним цивилизациям, таким как египтяне и жители Месопотамии, которые, возможно, разработали элементарные линзы ещё в 700 году до нашей эры. Например, линза из Нимруда, найденная на территории современного Ирака и датируемая приблизительно 750-710 годами до н.э., считается одной из самых ранних известных линз, хотя точное её назначение (использовалась ли для увеличения, разжигания костра или в чисто декоративных целях) остаётся неясным.

Часто утверждается, что Архимед изобрёл крупную установку с линзой-зеркалом, способным концентрировать солнечные лучи в нужной точке. Предположительно, она использовалась для сжигания атакующих римских кораблей во время осады Сиракуз (около 213-212 гг. до н.э.). Несмотря на популярность этой версии - точных исторических подтверждений этому нет, а целесообразность такого устройства обсуждается, поскольку современные эксперименты не могут повторить успех такого изобретения.

До 1960 года оптика в основном использовалась для получения изображений в таких устройствах, как бинокли, телескопы, микроскопы и фотоаппараты. В том же году открытие лазера изменило всё. Внезапно исследователи получили доступ к когерентному, мощному свету, который можно было направлять без рассеивания и использовать для более сложных операций, выходящих за рамки простого получения изображений.

Концепция оптической обработки информации по-настоящему начала формироваться, когда исследователи обнаружили, что линзы и оптические фильтры могут выполнять преобразование Фурье - математическую операцию, которая разделяет сигналы или волны на отдельные частоты. Способность анализировать различные элементы, составляющие сложную волну или сигнал, чрезвычайно полезна для таких задач, как обработка звука, анализ изображений, обнаружение объектов и даже решение математических задач, связанных с формами сигналов.

Сегодня быстрое преобразование Фурье является одним из наиболее важных алгоритмов для инженерных и естественнонаучных специальностей. Эти принципы обязательно изучают и применяют в стандартных учебных программах. Однако в 1960-х годах цифровые компьютеры были недостаточно мощными, чтобы совершить такой же подвиг, поэтому оптический прорыв стал значительным событием, заложившим основу для первого поколения оптических вычислительных устройств, известных как оптические фурье-процессоры.

Эти системы использовали линзы и физические свойства света для выполнения преобразования Фурье, а также оптическое распространение для свёртки. Этот процесс включает в себя пропускание лазера через маску — оптический элемент с узором, который влияет на прохождение или отражение света, — для выполнения операций, которые часто используются при обработке изображений и сигналов луча лазера. Эти методы были необходимы в ранних оптических процессорах, которые выполняли специфические вычисления, такие как обнаружение объектов на изображениях.

Архитектура ранних оптических процессоров состояла из трёх плоскостей:

1. Входная плоскость, где данные были преобразованы из цифровой формы в оптическую.
2. Плоскость обработки, в которой использовались маски для вычислений.
3. Выходная плоскость, где результаты были преобразованы обратно в цифровую форму (например, с помощью камеры).

Главным преимуществом оптического фурье-процессора была эффективность: исследователи могли пропускать через него множество изображений гораздо быстрее, чем их мог бы просмотреть человек. Однако он в основном использовался для академических исследований и военных целей, поскольку имел серьёзные ограничения, в том числе недостаточную гибкость и адаптивность по сравнению со своими цифровыми аналогами. Например, при использовании для обнаружения объектов, таких как вражеские самолёты на радарных изображениях, процессору потребовалось бы создавать совершенно новую маску каждый раз, когда нужно бы было найти другой объект (или даже другого размера или под другим углом). В результате оптический фурье-процессор оказался практически бесполезен для реальных применений. Развитие цифровых компьютеров сделало это первое поколение оптических процессоров ненужным. Цифровая обработка данных гораздо более гибкая, позволяя пользователям изменять несколько строк кода для удовлетворения множества требований, вместо того чтобы тратить значительное время на создание множества масок.

1970-е: Пространственные модуляторы света открывают будущее оптических вычислений

1970-е годы принесли значительный прогресс с изобретением пространственного модулятора света (SLM - spatial light modulator) - устройства, которое может управлять светом с высокой точностью (амплитудой, частотой, фазой, поляризацией). Они могут создавать световые узоры, изменять способ фокусировки или даже заставлять лазерный луч двигаться определённым образом. Самое главное, в отличие от масок, использовавшихся в ранних оптических процессорах, SLM являются программируемыми, что даёт оптическим компьютерам гибкость, которой им не хватало. Эти изобретения имеют решающее значение для большинства современных достижений в области оптических вычислений. Однако ранние устройства были ограничены по скорости, точности, размеру и доступности, что делало их менее эффективными, чем цифровые компьютеры. Тем не менее, эти ранние разработки заложили основу для будущих технологий, которые в полной мере использовали бы возможность манипулировать светом с помощью электрических устройств.

1980-е: Оптические нейронные сети

В 1980-х годах исследователи начали изучать вычислительные возможности посредством нейронных сетей, которые имитируют работу мозга. Казалось, что присущий свету параллелизм хорошо подходит для реализации этих моделей, поскольку они позволяют обрабатывать большие массивы данных одновременно. Таким образом, оптические системы использовались для создания некоторых из самых ранних нейронных сетей. Несмотря на многообещающие теоретические разработки, практическое применение оптических нейронных сетей было ограничено размерами и возможностями ранних разработок. Эта область оставалась в основном экспериментальной, и ранние модели демонстрировали потенциал, но отставали от растущей мощности цифровых компьютеров.

1980-2004: Золотой век

Период 1980-2004 годов часто называют «золотым веком» оптических вычислений, отмеченным значительными научными исследованиями и многочисленными инновациями. За это время было разработано несколько оптических процессоров, использующих достижения в области технологии SLM и теоретические разработки в области оптических вычислений. Некоторые из этих процессоров остались в лаборатории, в то время как другие были протестированы для применения в реальных условиях.

Жидкокристаллический метод, первоначально разработанный для жидкокристаллических и аналоговых дисплеев, был успешно применён для модуляции света в выполнении математических операций. Этот метод обеспечивает оптические вычисления с новой степенью гибкости, приближенной к гибкости цифровых компьютеров, и используется по сей день. Одной из ключевых областей, получивших выгоду от усовершенствованной технологии SLM, стало оптическое векторно-матричное умножение (VMM - vector matrix multiplication). Впервые обнаруженная и опробованная в 1960-х и 1970-х годах, она представила совершенно новую концепцию, которая не зависела от преобразования Фурье. Новое поколение SLM позволило выполнять такие операции намного быстрее, чем электронные системы той эпохи. Несколько стартапов-новаторов создали оптические процессоры VMM, нацеленные на ускорение таких приложений, как обработка сигналов, вычисления в нейронных сетях и криптография. Однако они столкнулись с трудностями при масштабировании и коммерциализации своих технологий из-за сложности интеграции оптических систем с существующей цифровой инфраструктурой, а также быстрого развития электронных вычислений в тот период.

Таким образом, в «Золотой век» появилось множество инноваций, которые заложили основы для перспективных разработок в области оптических вычислений, которые мы наблюдаем сегодня. На техническом уровне отсутствие практических реализаций в течение этого периода можно объяснить главным образом двумя проблемами: низкой скоростью преобразования входных и выходных данных между оптическими и цифровыми формами (что, по сути, сводит на нет преимущество в скорости) и ограничениями гибкости аналоговых вычислений по сравнению с цифровыми методами. Одним из главных практических применений всех этих открытий стало изобретение оптико-волоконного кабеля, используемого сейчас для объединения в единую мировую сеть крупных дата-центров и узлов интернета. Однако эти две концепции, усовершенствованные в течение этого периода, в дальнейшем станут основой первого поколения жизнеспособных оптических процессоров в нашем стремительном настоящем.