Маленькие заметки о большой проблеме
АрхивИдея оптических компьютеров не только не нова - она уже имеет собственную историю. Первые наметки возникли практически одновременно с появлением лазеров, но в 80-х годах идея стала просто модной. Число проектов, специальных программ и обычных исследований росло в геометрической прогрессии. Но постепенно мода на оптические компьютеры прошла. Почему? Больше всего повинны в этом две причины.
Первая - организационная. Специфика финансирования исследований на Западе такова, что проще всего получить деньги под а) проекты немного утопичные, но имеющие благозвучное название, или же б) проекты, уже почти готовые для продажи. "Оптический компьютер" звучит очень хорошо, а в соответствующей упаковке вообще производит сильное впечатление. Но из пункта "а" в пункт "б" оптический компьютер пока не дошел.
Вторая причина - технологическая. Одним из аргументов для продвижения идеи оптического компьютера был следующий тезис: "Ну не может быстродействие компьютеров на основе традиционной технологии расти с такой скоростью так долго!". Когда-нибудь этот процесс резко замедлится и вот тогда... Оказалось, что может, да еще как. Быстродействие компьютеров растет, и конца этому пока не видно.
Но идея оптического компьютера не умерла. Более того, сейчас она снова стала актуальной. Дело в том, что, увеличивая и увеличивая быстродействие процессора, производители с той же неизбежностью вынуждены работать со все более и более мелкими объектами. Сейчас отметка находится на рубеже 0,18 мкм, но это, разумеется, не предел. Нанотехнология, которая вначале тоже рассматривалась как некая полуфантастическая технология, постепенно превратилась в обычную задачу для современных технологов. Вот тут и выяснилось, что в нанотехнологии оптические подходы очень даже хороши. Для чего же конкретно они хороши мы сейчас и рассмотрим, но хочу сразу предупредить: "чисто оптических" компьютеров в ближайшее время не будет. А почему - сейчас посмотрим.
Процессоры
с чем-чем, а с быстродействием у оптических компонентов все отлично. Если тактовая частота "нормальных компьютеров" только сейчас подошла к 1 ГГц, то оптические переключатели преодолели этот рубеж еще лет двадцать назад. Эффективность работы оптических переключателей можно видеть на примере волоконно-оптических линий связи. Здесь оптическая технология окончательно победила технологию электрическую.
Наибольшее распространение получили переключатели на основе LiNbO3. Ниобат лития - уникальный кристалл. У него отличные электрооптические характеристики, он обладает замечательными акустооптическими свойствами и вдобавок ко всему еще и нелинейными характеристиками. Поэтому в системах обработки оптической информации устройства на основе ниобата лития встречаются чаще всего.
Память
Здесь тоже достигнуты значительные успехи, более того, в области оптической памяти в последние годы получены особенно интересные результаты. Активизация этих работ была стимулирована развитием носителей информации, а именно лазерных компакт-дисков и систем магнитооптической записи. Поскольку CD и магнитооптические диски уже стали коммерческими продуктами, то крупные фирмы имеют возможность наряду с финансированием чисто прикладных задач поддерживать и другие исследования в области оптической памяти.
Магнитооптическая память уже сейчас является вполне коммерческим продуктом: можно купить и сам магнитооптический диск, и дисковод к нему. При этом стандартная плотность записи коммерческого диска составляет около 1 бит на 3 мкм2 (что соответствует 128 Мбайт для 3,5-дюймового диска) [1].
Исследования в этой области продвинулись сейчас очень далеко. В Information Storage Technology Group of MESA+ Institute (университет Твенте, г. Энсхеде, Нидерланды) успешно проведена работа по детектированию бита информации в области 5 Ангстрем. Счет идет просто на отдельные атомы [2]! Автору довелось лично посетить эту группу и побеседовать с руководителем группы профессором К. Лоддером. Полученные результаты действительно впечатляют: если эти разработки дойдут до промышленного производства (а эта группа получает неплохую финансовую помощь от очень солидных фирм) то 3,5-дюймовые диски емкостью в десятки гигабайт станут вполне заурядным делом. И это - оптическая память!
Есть еще одно направление оптической памяти - голографическая память. И здесь надо снова вспомнить о LiNbO3.
Мы уже говорили о нем, когда речь шла о системах оптической обработки информации. Разумеется, оставить такой выдающийся кристалл без внимания было нельзя. В последние годы на нем научились получать лазерную генерацию (легировав кристалл эрбием), а сейчас создают целые системы голографической памяти. Число голограмм на одном кристалле достигло десяти тысяч, и это не предел. Процессор и память "в одном флаконе"? Почему бы и нет!
Кроме того, на ниобате лития успешно делают системы спектрального уплотнения. Этот факт, быть может, даже наиболее интересен, но об этом позже.
Интеграция
Проблема важная и в конечном итоге решающая. Когда все компоненты разработаны и испытаны, возникает очередная проблема - собрать все воедино. Для оптического компьютера эта проблема значительно сложнее, чем для обычного. Электрические связи реализовать гораздо проще. Можно, конечно, все элементы объединить с помощью оптического волокна (и такие технологии тоже развиваются), но потери, потери... Поэтому не прекращаются попытки сделать все на одной "платформе".
Конечно, первое, что приходит в голову, это кремний. Старый добрый кремний. Технология изготовления, обработки и производства разработаны до последних мелочей, существуют огромные производственные мощности. Нужна лишь база для производства. Поэтому любые новые оптические разработки на основе кремния принимаются обычно на ура. Но у кремния есть один хронический недостаток: он плохо совместим с активными оптическими элементами. Оптические усилители и переключатели очень плохо уживаются с кремниевой технологией.
Следующее направление - создание базы на основе альтернативных полупроводниковых структур. Здесь есть свои очень важные плюсы: можно формировать структуры с совершенно разными свойствами, встраивать их в оптические интегральные схемы (ОИС), нет проблем с источником света, поскольку ОИС сами могут генерировать лазерное излучение. Более того, не так давно произошел прорыв в области полупроводниковых лазеров, и они сейчас безусловные лидеры продаж. Казалось бы, вот готовая платформа для оптических компьютеров. Но... Проблемы две. Первая вновь технологическая. Развернуть монстров кремниевой технологии на совершенно новое направление. Но и это можно было бы пережить (в конце концов, смогли же отказаться от надежнейших и хорошо проверенных электронных ламп в пользу транзисторов), если бы не проблема .2 - стоимость. Главной причиной убедительной победы кремниевой технологии была дешевизна. Кремния на земном шаре - "как песка", а точнее, песок и есть кремний (если уж быть совсем точным, то оксид кремния). И дешево, и много. Для новых структур требуются материалы гораздо более редкие и, как следствие, более дорогие, например галлий. Да и технология гораздо дороже.
Вместо заключения, или Да здравствует Internet!
Возникает законный вопрос: так будет ли в ближайшем будущем оптический компьютер, или нет? Вопрос, конечно, интересный, но не все так просто. У оптических компьютеров есть свой "троянский конь", и имя ему - Internet. То, что в ближайшие годы именно Internet будет определять положение на компьютерном рынке, сейчас понимают почти все. Непонимающие могут поинтересоваться, кто поднял рекордные отметки индекса Dow Jones - это как раз и были IT-фирмы. Если в эти фирмы вкладывают такие огромные деньги, значит, это кому-нибудь нужно.
Что же касается Internet, то при передаче информации проблема .1 - трафик. Число пользователей растет, объем информации тоже, - даешь новые пропускные способности! И здесь оптика уже полностью и окончательно одержала верх над "классической" электроникой. И сейчас не только вся информация перегоняется по оптическому кабелю, но и системы сопровождения тоже стали оптическими: электроника просто не тянет таких скоростей передачи и обработки информации. Пропускная же способность оптических систем растет, и возможности роста колоссальны. Один из основных способов увеличения пропускной способности - системы спектрального уплотнения. Я не зря упомянул, что на структурах из ниобата лития делают не только переключатели, лазерные усилители и голограммы. На них создают системы спектрального уплотнения. Почему бы не предположить, что вслед за чисто оптическими системами передачи Internet-информации могут прийти и чисто оптические системы обработки информации. И совершенно не обязательно, что это будет полный аналог классического электронного компьютера. "Оптическая система работы в Internet" - звучит длинновато, но что-нибудь обязательно придумается. А любителям электронных устройств останутся обычные компьютеры, - сиди и играй в свой "Quake". И не нужен никакой Internet.
Впрочем, вероятнее всего, будет все же создаваться оптический аналог электронного компьютера, и тогда вопросы стоимости, совместимости, технологичности неизбежно встанут. Если эти проблемы будут решены, то даже "Quake" любителям старомодных электронных приборов не останется. Однако случится это, скорее всего, не очень скоро.
Источники
- Department of Electronics of IT University - Sweden - один из наиболее полных и интересных сайтов: www.ele.kth.se/res_e.html.
- Semicondcutor materials group: www.ele. kth.se/HMA/research/MOEMS.htm.
- Университет г. Падерборн - крупнейший в Европе центр по изучения ниобата лития. Редкий случай - есть русскоязычная страница: www.uni-paderborn.de/home/index-ru.html.
- Техническая Школа Лиона. Тоже интересный сайт, но, увы, на французском. Остается лишь утешаться тем, что технический французский язык очень похож на английский: www.ec-lyon.fr/recherche/leame/index.html.
1 (обратно к тексту) - Запись происходит термомагнитным способом. Магнитооптическая пленка локально (в области примерно 1 мкм2) нагревается импульсом лазерного излучения (длительностью несколько сот наносекунд и мощностью 10-20 мВт). В результате состояние магнитного поля меняется. Считывание происходит путем детектирования состояния поляризации при отражении лазерного излучения (принцип работы основан на эффекте Керра). Емкость коммерческих 3,5-дюймовых дисков достигает 630 Мбайт.
2 (обратно к тексту) - Более подробно - на сайте www.el.utwente.nl/tdm/istg.
Ильдар Салахутдинов - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института общей физики РАН. Область научных интересов: лазерная физика, интегральная оптика, нелинейная и дифракционная оптика, поверхностные электромагнитные волны. Хобби: шахматы, чтение и музыка, путешествия. Любимые города: Казань, Амстердам и Санкт-Петербург. Очень нравятся Лейден и Лион. Не самые любимые: Париж и Москва.
