Журнал «Знание-сила» - Знание-сила, 1998 № 07 (853)

Будущее поколение компьютеров может стать гибридным: кремниевые чипы станут соединяться при помощи лазерных пучков света. На смену металлическим проводам придут линзы, призмы и зеркала. Отсюда и название: оптика свободного пространства. Современные компьютеры передают миллионы байт в секунду. Гибрид позволит продвинуться к терабайтам (это миллион миллионов) и петабайтам (миллион миллиардов).

У компьютера на основе световых «проводов» есть три явных преимущества. Во-первых, ничто не может двигаться быстрее света. Во-вторых, световые фотоны не взаимодействуют друг с другом (в отличие от электронов),и поэтому любое число пучков света может проходить через узкий коридор. И в-третьих, для прохождения света не нужно ничего — только воздух.

По мнению Джулиана Динса из оптоэлектронной группы Эдинбургского университета, внедрение гибридных компьютеров может наступить гораздо быстрее, чем кажется. «Большинство технологических проблем уже преодолено, — отмечает он. — Надо решить лишь чисто инженерные вопросы: как сделать лазеры, линзы и зеркала достаточно маленькими, надежными и недорогими, чтобы из них можно было построить работающий компьютер».

Сегодня все удовлетворены тем качеством электронных чипов, которые производит, скажем, компания «Интел», но узким местом стало их соединение. Проблема состоит в том, как прикрепить к малюсенькой микросхеме несколько сотен металлических проводов. Оптических же выводов может быть много тысяч, причем выходить они могут со всех сторон микросхемы. Одно это усовершенствование может повысить быстродействие современных вычислительных машин в несколько десятков, а то и сотен раз, и приблизиться к вожделенному «терабайту» в секунду. Подобный рост возможных соединений позволит развивать новые сетевые структуры компьютеров типа нейронных сетей и параллельных процессоров.

Как подмечает Эндрю Кирк из фотонной группы канадского университета Макгилл, компьютерная индустрия словно проснулась и обнаружила наличие методов оптики свободного пространства. На первом этапе свет будет использоваться для связи между электронными чипами, но в перспективе он может забраться и внутрь них самих — когда перемещение электронов станет слишком медленным для возросших скоростей счета.

Проблема большого числа соединений — неотъемлемая черта любого компьютера. Процессоры, элементы памяти, клавиатура, терминал и другие его части постоянно обмениваются информацией. Быстродействие процессоров постоянно растет, увеличиваются и ее потоки. А инженеры знают, что при пересылке нулей и единиц быстрее некоторого предела они просто начинают сливаться друг с другом. Кроме того, увеличение потоков приводит к тому, что провода начинают работать как антенны — излучать электромагнитные волны и влиять на «соседей». Приходится их тщательно экранировать, а это увеличивает их толщину и стоимость. С другой стороны, стремление подвести к процессору все больше и больше проводов-соединений заставляет делать их все более тонкими. Но чем тоньше провод, тем больше его сопротивление и потери на нагревание.

В общем, нет никаких сомнений, что стремительное развитие компьютеров натолкнется на непреодолимые трудности, если продолжать использовать проводные соединения- Чтобы выйти из тупика, надо обратиться к соединениям оптическим. Идеологически все очень просто: электронные импульсы в компьютерном чипе преобразуются в тонкий пучок света. Есть он — это «1», нет его — «0». Поток света проходит через сеть крошечных призм и линз и достигает места назначения. А там специальная фотоячейка превратит его вновь в электрический сигнал. Главные требования к оптической системе — потреблять мало энергии, быть дешевой, простой и компактной.

Много всего было перепробовано, в частности, светодиоды всех типов, но оказалось, что лучший кандидат — многоквантовый источник, разновидность электрического затвора, и микроскопический лазер под названием «виксел». Оба устройства сделаны на основе арсенида галлия, что позволяет производить их, как компьютерные чипы, поточным образом в многослойных структурах.

Многоквантовый источник был придуман специалистами американской лаборатории Белла в штате Нью-Джерси для полностью оптического компьютера Однако десятилетние исследования показали, что эта идея пока невоплотима, но разработки вполне применимы в гибридном компьютере. Этот источник — «вафля» из полупроводниковых слоев, которая может очень быстро становиться то зеркальной, то мутной под воздействием электрических сигналов. Отраженный свет — это единица, а неотраженный — ноль. Кроме того, в каждой «вафле» есть маленькое окошко-фотоячейка, где падающий свет преобразуется в электрический сигнал.

Первоначальной идеей было создание оптического эквивалента транзистора. Но в гибридном компьютере эти ячейки облепляют процессор и служат для него «переводчиками» световых сигналов в электронный вид. В лаборатории уже создан процессор с тысячью таких ячеек размером не более 15 микрон каждая. Свет на ячейки поступает от внешнего лазера, пучок которого расщепляется на множество (32 х 32) маленьких пучков. Первые эксперименты с таким процессором показали, что он может вводить в тысячу раз больше информации, чем современный суперкомпьютер «Крей». Осталось лишь довести опытный образец до коммерческого использования.

Разрабатывается и альтернативный вариант подобным ячейкам: крошечные твердотельные лазеры на каждом входном-выходном канале — «викселы». До недавнего времени такие лазеры были слишком велики, только-только их научились встраивать в многослойные полупроводниковые структуры, где они выглядят, как светящиеся окошки микронебоскреба. И все равно «викселы» пока крупноваты по сравнению с ячейками — 250 микрон. Но инженеры лаборатории Белла считают, что уменьшение их в десять раз — лишь вопрос времени, причем не слишком долгого.

В Калифорнийском университете уже созданы и линзы с поперечником всего в две сотни микрон. Один из сложных технологических процессов — их закрепление. Есть опасение, что температурные колебания, движение воздуха, влажность могут оказывать влияние на линзы, клей и подложку, слегка деформировать систему и нарушать работу компьютера. Все это предстоит проверить и отработать.

В лаборатории университета Макгилл и других институтах уже построены прототипы таких компьютеров. Их части тщательно пригнаны одна к другой и удерживаются на своих местах мощными магнитами. Конечно, это не вариант для массового производства.

Однако Эндрю Кирк считает, что главное препятствие на пути новых гибридных компьютеров — чисто психологическое, как у всякой новой революционной технологии. Но это один из наиболее перспективных путей к суперкомпьютерам будущего.