Техника - молодёжи 1990-10, страница 12

На переднем крае науки

Борис ПОНКРАТОВ,

научный обозреватель

Фотонный мозг

Называя компьютер «мозгом», мы автоматически добавляем «электронный». Но, оказывается, идея о принципиально ином вычислительном устройстве, где носителями информации служили бы не электроны, а фотоны, зародилась почти сразу после создания первых ЭВМ.

Попытки построить оптический процессор начались еще в 50-х годах. Лазеров тогда не было, и в качестве источников света использовались ртутные лампы и даже Солнце. Первые опыты оказались безуспешными, затем с появлением лазера надежды вновь оживились, но реализовать заманчивую идею не удавалось еще почти четверть века. Отступилась и всемирно известная американская фирма IBM, потратившая на этот проект десятки миллионов долларов.

У многих специалистов сложилось мнение, что заманчивый оптокомпью-тер — дело далекого будущего. На фоне триумфальных успехов электронной технологии смена носителя информации выглядела пока что излишней роскошью. Стало ясно, что здесь нужны принципиально новые технологические подходы. А оправдаются ли усилия — уверенности не было. Крупный авторитет в области фотоники, профессор оптики Станфордского университета (США) Джозеф Гудман, еще недавно предсказывая световому вычислителю блестящее будущее, «оптимистически» добавил: «Он появится где-то между двухтысячным годом и бесконечностью, вероятнее — ближе к последней дате».

Между тем решающий прорыв в этой области к тому времени уже произошел: в 1986 году Д. Миллер из американской компании АТТ Белл изобрел арсенид-галлиевый оптический переключатель микроскопических размеров с высоким быстродействием. И вот, после почти пятилетней интенсивной работы, в январе 1990 года эта компания объявила о создании первого в мире экспериментального макета светового процессора.

Правда, устройство это, пожалуй, еще не совсем опровергло оценку Гуд-мана. Громкого названия «фотонный мозг» оно явно не заслуживает. Конечно, вид у него довольно внушительный: это панель 50X50 см, уставленная множеством линз, зеркал, светоделителей и регуляторов, оптоэлек-тронных элементов, контрольно-измерительных приборов и т. д. Однако под столь импозантной внешностью скрывается простейший калькулятор, по

своей вычислительной мощности равный примерно микропроцессору стиральной машины.

Но главное — это устройство действует.

Руководитель группы создателей оптического компьютера Алан Хуань считает главным именно психологический эффект разработки: «Пять лет назад нас считали сумасшедшими. Теперь мы доказали, что фотонный вычислитель возможен».

А доказательство это весьма своевременно.

ЧЕМ ПЛОХ ЭЛЕКТРОН

Несмотря на бурный прогресс элементной базы, постоянный рост быстродействия и уменьшение габаритов (а скорее как раз благодаря всему этому), предел возможностей электронных систем переработки информации уже обозначился где-то на горизонте. Корень всех проблем здесь в том, что носители информации — электроны могут передаваться только по изолированным друг от друга проводникам. Этот тривиальный факт при нарастании сложности вычислительных устройств и интеграции микросхем вызывает множество неприятных последствий, а в отдаленной перспективе, может быть, даже ведет в тупик.

Как бы ни были слабы токи в микросхемах, по мере уплотнения монтажа постоянно увеличивается выделение тепла, а между соседними проводниками возникают паразитные электромагнитные взаимодействия.

Скорость движения электронов в кремнии — всего около 60 км/с и даже в арсениде галлия — не более 500 км/с. Вообще же в твердых телах в самом лучшем случае она не достигает и 10% скорости света. Это определяет предел быстроты срабатывания отдельных элементов.

Сильно ограничивают быстродействие и каналы связи. За пределами рабочей частоты 100 МГц (100 млн. переключений в секунду) в них образуются стоячие волны, отраженные сигналы и другие нежелательные явления.

Еще одна проблема — неудержимый рост числа' выходных контактов чипов. Если простые транзисторы имеют всего три ножки, то у нынешних СБИС —.сверхбольших интегральных схем — их количество достигает уже трех сотен. А буквально через несколько лет ожидаются и первые «тысяченожки».

Все эти трудности возрастают при увеличении мощности вычислительных систем и крайне обостряются при создании суперЭВМ. Чтобы обойти ограничения на быстродействие отдельных элементов и узлов, огромные потоки информации здесь приходится разделять и обрабатывать параллельно. Для этого требуется очень гибкая, быстро перестраиваемая структура с большим числом переключений. А в результате общая длина и сложность сети проводников и каналов связи растет буквально лавинообразно. Появляются устройства типа «Connection Machine» Массачусетского технологического института, где 65 тыс. отдельных процессоров (напомним, что довольно долго для ЭВМ считалось совершенно естественным иметь ОДИН процессор) связаны друг с другом невообразимым количеством проводов.

ЧЕМ ХОРОШ ФОТОН

Фотоны же — частицы совершенно иной природы. Их скорость всегда равна скорости света. Наличие таких характеристик, как частота и поляризация, которых нет у электрона, расширяет их «информационные возможности». По всем параметрам поток фотонов легко поддается регулировке с помощью уже имеющихся оптических и оптоэлектронных устройств. Зеркала, призмы, световоды позволяют направлять этот поток куда угодно. Есть идеальные источники светового излучения — лазеры.

Но самое главное — фотонам в принципе не нужны провода. При этом они нисколько не влияют друг на друга даже при пересечении лучей.

Плотность параллельных каналов передачи информации в «беспроволоч-

«игромен, как надгробная плита, и разумен, как стиральная машина»— так отзываются сами создатели о своем детище.

ю