Оптико-электронные сопроцессоры и нейрокомпьютеры пошли своим путем

Не слишком быстрое продвижение в построении оптических процессоров заставило разработчиков искать другие архитектуры. Разумеется - параллельные. Если уж электронные системы с массовым параллелизмом потеснили суперкомпьютеры со сверхмощным, но одним центральным процессором, то что говорить об оптических компьютерах, где распараллеливание можно осуществлять эффективно и разнообразными способами. Возникло убеждение, что не стоит заставлять оптические системы делать то, что они делают с таким трудом - то есть обрабатывать сложные алгоритмы. У оптики вообще плохо с логикой, ей лучше даются плохоформализуемые, "интуитивные" операции. Как и можно было ожидать, оптическая элементная база прекрасно сочетается с архитектурами нейронных сетей, которые, как известно, способны еще и к обучению и самообучению.

Даже неуклюжие, построенные на традиционной элементарной базе недавних времен, когерентные и некогерентные спецпроцессоры, в том числе оптические корреляторы, хорошо зарекомендовали себя в некоторых важных областях, вплоть до авиакосмической навигации. Многое в их техническом генезисе покрывает завеса таинственности: такая секретность обусловлена военными применениями. Сейчас на подходе новая элементная база, и известные достоинства вычислительной оптики становятся видны более отчетливо. Поскольку речь идет о реально работающих и часто коммерческих продуктах, имеет смысл остановиться на этих достоинствах:

  • прохождение носителя информации со скоростью света;
  • связи в свободном пространстве, которые могут без помех пересекаться или перекрываться, что позволяет иметь до 1016 входных и выходных сигналов.
  • естественная полная параллельность вычислений;
  • адекватность схем обработки самому виду существования входного и выходного массива информации - двумерного изображения;
  • крайне низкое энергопотребление (менее кТ на одну связь) против 108 kT для электронных компьютеров, где k - постоянная Больцмана, а Т - абсолютная температура;
  • адекватность использования интегральной (планарной) технологии, подобной технологии изготовления электронных микросхем (в том числе, СБИС);
  • дополнительные возможности когерентной обработки (использование фазовых соотношений в голографических процессорах);
  • нечувствительность к электромагнитным помехам;
  • высокая мощность интегральных преобразований, выполняемых оптическими спецпроцессорами, и полная возможность оптической реализации как булевой алгебры, так и искусственных нейронов (порогового базового элемента).

Оптические нейрокомпьютеры начинают теснить традиционные компьютеры, а то и вводят в их состав своего "троянского коня" - ускорительные нейроплаты, оптические межсоединения и коммутаторы. Их преимущества особенно заметны при решении самых сложных неформализуемых задач типа распознавания изображений большой размерности, технической диагностики, прогнозов в коммерческой деятельности и многих других. Вообще же весьма перспективны гибридные процессоры, сочетающие достоинства оптики и электроники.

Наиболее универсальной основой современных оптико-электронных спецпроцессоров является триада матриц:

  • излучателей;
  • транспарантов, в роли пространственно-временных модуляторов света (ПВМС);
  • фотоприемников.

Эти оптронные триады выполняют функции, аналогичные транзисторам и триггерам, и очень удобны при выполнении операций над многомерными векторными величинами.

Матрица весов может реализовываться на управляемом транспаранте, перезаимствованном и синтезируемом с помощью компьютера на жидких или фоторефрактерных кристаллах, в том числе работающих на отражение. Нейронную сеть реализуют в схемах типа изображенной на рис. 1. При этом оптические веса могут настраиваться цепью обратного распространения ошибки, которая градиентным способом подправляет степень влияния синаптических связей в соответствии с величиной (или хотя бы, знаком) конечной ошибки, указанной человеком-оператором ("учителем"). То же самое может происходить и при самообучении, когда нейросеть автономно оптимизируется по мере набора опыта. Это - важнейшие достоинства нейрокомпьютера, позволяющие ему усваивать не только формальную логику, но и путем "самоорганизации" (без программирования) воспроизводить подсознательную интуитивную мыслительную деятельность человека, в том числе при распознавании образов и даже при решении творческих задач.

Веса синаптических связей могут запоминаться в голограммах с высокой плотностью - ее теоретический предел 1012 бит на см3.

Несколько наиболее значительных достижений в этой области: создание центрального процессора с вектор-матричным оптоэлектронным мультиплексором для задач авиакосмической навигации, нейроподобной бортовой системы автоматического распознавания целей в Соединенных Штатах, оптоэлектронного сопроцессора на основе бинарных резонаторных элементов в Великобритании. Сюда же относятся разработка оптоэлектронных микронейрочипов в Японии фирмы NEC, разработки ассоциативных устройств с памятью на оптических дисках фирмы Caltex (США) и системы распознавания самолетов в университете Карнеги-Мелона, работающей в реальном времени. Интеллектуальные ячейки, имеющие оптические вход и выход и электронную начинку, имеют размерность (число параллельных каналов обработки) до 1024х1024 и тактовую частоту до 1 ГГц. Эквивалентная производительность гибридных процессоров на их базе уже сегодня достигает 107 двоичных операций в секунду. Пространственные модуляторы света с оптической адресацией позволяют работать на частоте кадров до 6*103 Гц, что при 30 итерациях нейросети дает возможность иметь итоговую частоту много больше требуемых 10 Гц. Крупные средства вкладываются в эти работы и правительственными организациями (только из бюджета управления Пентагона - DARPA - 100 млн. долл. ежегодно, по программам НАТО и "Эврика", Стратегическая оборонная инициатива и тому подобным), и крупными фирмами, такими как Westinhouse, Photonic Systems (США), Siemens, General Electric, которые рассчитывают на большую коммерческую выгоду.

Оптоэлектронный процессор фирмы Global Holonetics, первым вышедший на рынок, предназначен, в частности, для распознавания упаковок в супермаркетах. В нем используется формирователь изображения, содержащий приблизительно 65000 жидкокроисталлических (ЖК) элементов с электронным управлением. Он распознает до 30 изображений в секунду и стоит вчетверо меньше обычных компьютеров технического зрения. Оптический коррелятор компании Litton Data Systems на базе магнитооптики выполняет более 1000 корреляций в секунду по изображениям формата 128х128 пикселей. При объеме 10 дм3 он высоконадежно распознает бронетехнику на многокилометровой дистанции. Оптической компьютер Пенсильванского университета США распознает летящие объекты с разрешением 0,5 м на цели.

Первая оптическая интегральная схема фирмы Mitsubishi представляет собой нейронную сеть Хопфилда из трех слоев без промежуточной оптики. Первый слой из тридцати двух полосчатых светодиодов, третий - из тридцати двух перпендикулярных им полосчатых фотодиодов, а между ними второй слой - матрица 32х32 межсоединений, играющих роль регулируемых синаптических связей. Далее электронная интегральная схема сравнивает результат с порогом и вводит шумовую функцию, исключающую попадание функционала решения в локальные экстремумы вместо глобального. Это позволило довести вероятность правильного распознавания объектов до 20 процентов. Путем перепрограммирования транспаранта среднего слоя может производиться обучение. Опточип реализован на GaAs подложке площадью 8х8 мм методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Подобная чисто электронная кремниевая СБИС, у которой половину площади занимали межсоединения, размешалась на кристалле размерами 4 см2. Фирмой ведутся интенсивные исследования по переводу опточипа на квантово-размерные структуры с использованием решетки полупроводниковых лазеров с поверхностным излучением на 0.8 мкм мощностью до 500 МВт в импульсе. При этом специалисты фирмы рассчитывают еще в этом десятилетии достичь степени интеграции в 105-106 нейронов.

К одному из видов оптических компьютеров, наиболее пригодных к коммерческому использованию, относится компьютер специального назначения Zebra True Recognition корпорации Mytec Technologies, который был представлен в апреле 1995 года. Он предназначен для распознавания дактилоскопических изображений, определения поддельных документов, в том числе страховых полисов, кредитных картотек, а также для идентификации при входе в корпоративные базы данных. При сравнении отпечатков пальцев он работает сразу со всей картинкой, а не с ее фрагментами, как современные системы. Для обеспечения конфиденциальности информации, чтобы власти не могли посягнуть на гражданские свободы, отпечаток кодируется, причем оптически, в специально разработанный формат BiocryptTM. При том, что BiocryptTM индивидуален, он не может быть сопоставлен с конкретным человеком без сличения с оригинальным отпечатком, не может быть скопирован или воспроизведен. Руководство компании надеется завоевать рынок в миллиарды долларов за ближайшие три года. Авторы считают "Зебру" революционной разработкой и не торопятся открывать ее техническое устройство, но, судя по всему, речь идет об оптическом корреляторе.

Пример подобного устройства - разработка сотрудников Калифорнийского Университета в Санта-Барбаре. В 1994 году они рассказали о своем процессоре, построенном на полимерных носителях информации.

Московское ЦНПО "Комета" разрабатывает оптический компьютер на ЖК, обрабатывающий массив из 105-108 элементов с частотой 10-1000 Гц. Его готовы закупить ряд западных фирм. Успешные разработки в этом направлении ведутся и в НПО "Геофизика". Во многом эти разработки по техническому уровню не уступают лучшим мировым достижениям, но явно отстают от них по коммерческой привлекательности. Быстрому освоению такого рода устройствами их "экологической ниши" может помочь объединение усилий различных стран. В Европе, например, реализуется сейчас совместный проект восьми университетов и НИИ Англии, ФРГ, Франции, Бельгии и Италии по созданию цифрового оптического компьютера на бистабильных элементах. Головным по этому проекту выбран Университет Хенобатт (Шотландия). Казалось бы, почему Европе не взять Россию в союзники против Северной Америки? Чтобы без суеты сесть в пресловутый поезд, а не вскакивать опять на подножку поезда уходящего.

Оптические процессоры подражают старшим братьям

Мысли об оптических процессорах регулярно посещают разработчиков с начала 60-х, когда появились первые лазеры. Узким местом традиционных компьютеров часто бывает относительно низкая производительность шины. Поскольку в оптических процессорах нет ограничений из-за расплывания заряда или взаимных наводок, а световые пути могут пересекаться без ущерба для передаваемого сигнала, оптический аналог шины (будь то световолокно или открытое пространство) может иметь практически неограниченную разрядность. Но более всего, конечно, воображение компютерщиков дразнила принципиальная возможность увеличения быстродействия сразу на несколько порядков - сигнал распространяется со скоростью света.

Все это время корпорации проявляли хладнокровие, предоставляя дерзким замыслам осуществляться в университетских центрах и небольших лабораториях. Сейчас многие одумались, в оптические вычислительные устройства вкладываются десятки миллионов долларов. Пока что не столько собственно в оптические процессоры, которые снились ученым, а в большей мере в оптические нейронные сети и в устройства голографической памяти. Но мысль построить "нормальный" оптический процессор, выполняющий последовательности команд, отнюдь еще не забыта.

В 1984 году Б. Дженкинс из Университета Южной Калифорнии продемонстрировал первый оптический компьютер, выполнявший достаточно сложную последовательность команд. Взаимодействие двух лучей осуществлялось элементом, состоящим из жидкого кристалла и фотопроводника. Проходя, свет влияет на электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, отчего меняется прозрачность элемента. Быстродействие определяется инерционностью жидкого кристалла.

В 1990 году в AT&T Bell Laboratories - то есть уже за пределами университетских кафедр - Аланом Хуангом и его сотрудниками был разработан оптический компьютер по технологии SEED (Self-electro-optic Effect Device - устройство на авто-электрооптическом эффекте). В основе этой архитектуры - плоская фиксированная система простых и компактных оптических затворов на чередующихся слоях GaAs и AlGaAs, включенных параллельно. Они способны действовать как фотодиоды и подсоединяться к цепочке электронных логических ячеек, сформированных в подложке из GaAs. Они принимают и передают световую информацию перпендикулярно плоскости кристалла. Из них компонуются узлы на полевых транзисторах - решетка интеллектуальных ячеек (smart cells). Команды в компьютер вводились с внешнего электронного компьютера.

В январе 1993 года большое впечатление на ученых и журналистов произвел оптический компьютер, разработанный в Университете Колорадо. Хэрри Джордан, руководитель отдела цифровых оптических вычислений в Университете Колорадо и его коллега профессор Винсент Хейринг собирали свое детище (размером с небольшой автомобиль и с мощностью недорогого ПК) пять лет. Хейринг сказал, что это самая сложная из когда-либо собранных оптических систем. Принципиальное отличие его от предшественников в том, что программа не "зашита", а хранится в оперативной памяти, которая представляет собой четырехкилометровые петли оптического волокна. По ним циркулируют импульсы ИК-излучения. Четырехметровый импульс кодирует 1, его отсутствие - 0. Это - 1 бит информации. Авторы называют это пространственно-временным способом хранения. Кодированные таким образом команды и данные курсируют в линиях задержки, пока управляющий элемент не направит их в процессор. Такая архитектура получила название bit-serial architecture (битовая последовательная архитектура). "На параллельную не хватило денег", - пошутил, а, может быть, и серьезно заметил Хейринг. (К тому же последовательная архитектура прекрасно сочетается с технологиями волоконно-оптических коммуникаций.) Потоки информации (лучи) коммутируются в процессоре 66 электро-оптическими переключателями на LiNbO3. Каждый стоит 3000 долларов.

Разработчики утверждают, что у них и в мыслях не было делать прототип компьютера будущего. Они просто хотели доказать принципиальную возможность его создания.

С одной стороны вовсе необязательна канализация межсоединений в оптическом волокне: можно реализовать все связи в свободном пространстве, что поможет реализовать нетривиальные решения и архитектуры. С другой стороны уже есть некоторый опыт создания интегральных оптических микросхем, плоских волноводов со всеми встроенными элементами управления и преобразования. Ясно, что применение интегральной оптики и повышение быстродействия электронной части устройств позволит - рано или поздно - создать более компактные и мощные машины подобной архитектуры.

В прессе упоминались работы по созданию компьютера с архитектурой OPLA - Optical Programmable Logic Array (оптическая программируемая логическая матрица). Эта архитектура была предложена Стивеном Купиком из Dove Electronics, Валентином Морозовым (Университет Колорадо), и Питером Гилфойлем, президентом компании OptiComp в Неваде. Компьютер сможет выполнять неограниченное число цифровых операций. Известно, что проект поддерживается кроме Dove Electronics Университетом Алабамы, алабамской компанией A$M и лабораторией военно-воздушной базы Гриффисс.

Архитектура OPLA - одна из старейших архитектур, разработанных для оптических компьютеров. Многолетние работы в этом направлении велись в Японии. На оптических интегральных схемах была реализована вся булева алгебра. Японские ученые поговаривали уже о том, что 5-6 поколение компьютеров будет создаваться целиком на оптической элементной базе. Но доведение до стадии коммерчески пригодных продуктов оказалось сложней и длительней, чем ожидалось, и последнее время сообщений о каких-либо успехах в этом направлении не было. Сейчас считают, что перенос традиционной архитектуры, использующей принцип машины фон Неймана, на оптическую элементную базу, вряд ли перспективен. С другой стороны, один из японских ученых как-то сказал, что если бы в оптические компьютеры вкладывалась хотя бы пятая часть капитала, вложенного в разработки традиционных компьютеров, все компьютеры давно были бы оптическими. Во всяком случае, у OPLA сохраняются шансы в применениях, использующих операции декомпозиции, анализа и сжатия изображений, а также в САПР и виртуальной реальности.

- Игорь Левшин