andrey04cad (andrey04cad) wrote,
andrey04cad
andrey04cad

Category:

Оптические процессоры

Все мы понимаем, что рано или поздно кремниевая технология, используемая сегодня для создания процессоров, достигнет своего предела. Это как с нефтью – рано или поздно она закончится – вот поэтому уже сейчас начинают создавать электродвигатели, водородные двигатели и даже спиртовые двигатели! Точно такая же ситуация сложилась и в мире информационных технологий – кремниевой технологии начинают искать замену. Причем на рассмотрение предлагаются абсолютно разные варианты замены – от биокомпьютера до оптических процессоров. Стоп! А что это такое? Вряд ли у каждого из нас на столе, скажем, через десять лет будет стоять компьютер из бактерий, а вот то, что в компьютере будущего будет установлен оптический процессор – вполне реально. Сегодня мы поговорим об этом чуде рук человеческих – от истории до принципов работы. Может, материал статьи покажется тебе довольно сложным – отчасти так оно и есть, поскольку для его восприятия не мешало бы вспомнить физику (а именно оптику). Я постараюсь изложить все как можно проще, но что будет совсем просто – не надейся.
Преимущества

Рассмотрим преимущества оптической технологии:

Можно параллельно передавать целые изображения за один световой пучок.
Возможность использования совершенно разных сред передачи, хранения и обработки информации
Обработка информации возможна во время ее передачи через оптическую систему, которая реализует вычислительную среду. Представляешь, ты отправил картинку для ее обработки – она будет обработана почти мгновенно, потому что она обрабатывается по мере ее прохождения через оптическую систему.
Информация, которая закодирована оптическим лучом, может передаваться без затрат энергии! Это действительно хорошо – ведь чем меньше затраты энергии, тем лучше.
Оптическая система не позволяет перехватывать информацию, поскольку ничего не излучает в окружающую среду.

Все эти преимущества достигаются благодаря тому, что в качестве носителей информации используются фотоны, а не электроны.

Процессор EnLight 256

Поскольку только одна фирма в мире создала коммерческий оптический процессор, который можно купить, а не только посмотреть на него и сказать: «Как быстро он работает!», о нем мы сейчас и поговорим. Как уже говорилось ранее, данный процессор называет EnLight 256 и создала его фирма Lenslet. EnLigth256 – это первый оптический DSP (Digital Signal Processor), превосходящий в три раза лучшие электронные DSP. Вообще-то, если уже быть предельно точным, то EnLight256 – это гибридный оптический процессор – он же не весь полностью оптический, а содержит преобразователи. Но на сегодняшний день полностью создать оптический компьютер не то чтобы очень сложно, а очень дорого. К тому же неизвестно, как он будет работать. А тут мы меняем только ядро (ведь все остальное остается таким же – электрическим) и получаем огромный прирост производительности.

Ядро этого процессора – оптическое, а входная и выходная информация представляется в электронном виде. Ядро состоит из 256 VCSEL-лазеров, пространственного модулятора света, набора линз и приемников. Производительность процессора составляет 8 триллионов операций в секунду: за один такт (8 нс) процессор умножает 256-байтный на матрицу 256х256.





Поговорим о технологии Lenslet. Данная технология, как мы уже знаем, использует оптическое ядро, а входная и выходная информация представляется в электронном виде. Такая организация позволяет использовать лучшее из оптического и электрического миров. Оптическая матрица VMM (Vector-Matrix Multiplication) – ядро процессора - конвертирует электрическую информацию в свет, затем производит необходимые преобразования этой информации (вычислительные операции), направляя свет через программируемую внутреннюю оптику. Свет, который появляется на выходе, ощущается множеством датчиков и преобразуется обратно в электрический сигнал.

VMM состоит из трех основных элементов:

N не-когерентных лазеров, которые представляются вектор, состоящий из N элементов, каждый элемент – это 8 бит.
Пространственного модулятора Multiple Quantum Well (MQW), состоящего из NxN пиксельных модуляторов, размещенных на одном чипе.
Ряда из N детекторов света, которые интегрированы в массив аналогово- светового преобразования (Analog to Digital Converters, ADC). Детекторы установлены так, чтобы получать лучи от матрицы модулятора. Вывод столбца детектора – это вектор-результат

Каждый элемент входного вектора проектируется на столбец матрицы. Каждый ряд матрицы проектируется на один детектор в векторе результата (вывода).


Принцип работы ядра VMM

Теперь разберемся, как это все программируется. Программирование оптического цифрового сигнального процессора (Optical Digital Signal Processing Engine, ODSPE) заключается в изменении значений, которые сохранены в пространственном модуляторе (Spatial Light Modulator, SLM). Загрузка приложения (или данные внутри приложения) аналогична замене матрицы в пространственном модуляторе. Можешь догадаться сам, как быстро это происходит. Кстати, пространственный модулятор, может поставляться как отдельный продукт – так что тебе ничего не мешает (наверное, кроме отсутствия нужных средств), чтобы создать свой оптический процессор. Этот самый модулятор называется Ablaze и о нем можно прочитать на сайте компании Lenslet.



Пространственный модулятор Multiple Quantum Well

Где сейчас используется EnLight256? Ты можешь вообще засомневаться, что он вообще используется, но на самом деле это не так. Основные сферы его применения – это военная промышленность и обработка видео в реальном времени – обе сферы требуют высокой производительности. Представь, что будет, если при вычислении угла отклонения ракеты компьютер немного «задумается»???

При написании статьи были использованы материалы сайтов: www.lenslet.com, http://dims.karelia.ru/~avip/op/in.htm (сейчас ссылка не доступна, но на сайте можно скачать архив op.rar). Если ты заинтересовался непосредственно физикой оптических процессов, обязательно зайди на второй сайт. На сайте фирмы LenSlet кроме рекламной информации и кратких характеристик нет больше ничего интересного, а на страничке «Оптические процессоры» (второй URL) ты найдешь все – от физических основ и математических моделей до самих элементов оптического процессора.

Тех, кто профессионально использует цифровые процессоры обработки сигналов (DSP) или просто ими интересуется, трудно удивить действительно высокими показателями быстродействия. В среде DSP единицы измерения отличаются от традиционных в "настольном мире", и малоинформативным цифрам "гигаопераций в секунду" (GOPS) предпочитают строгие реальные оценки при решении типовых задач. Но даже для представителей столь привередливых в отношении производительности "цифровых сигнальных профессий" появление нового класса коммерческих устройств стало событием. Еще бы -- чего только стоят заявленные быстродействие в 8 триллионов целочисленных трехоперандных команд типа "умножение с накоплением" (MAC -- фактически умножение двух чисел и сложение результата с третьим числом) в секунду, способность выполнять за секунду или 125 млн. 128-точечных дискретных комплексных преобразований Фурье, или 500 тыс. таких же преобразований, но уже на 16 тыс. точек, или 125 млн. вычислений 128-точечных комплексных корреляционных функций! Оценка энергопотребления, обеспечивающего такую мощь вычислителя, также внушает уважение -- суммарное составляет 40 Вт, а "приведенное к производительности" -- 5 мВт на 1 млрд. операций в секунду. Иными словами, эти цифры в среднем на два порядка выше (на некоторых задачах -- на три и даже на шесть!), чем показатели классических современных DSP, и Бог знает насколько превосходят возможности универсальных процессоров. Но что главное, мы говорим о фактически доступном коммерческом продукте, овеществленном "в металле", поддержанном средствами разработки программного обеспечения (в том числе и высокоуровневыми аналогами RAD), а не о заявленном на бумаге "прорыве в будущее". И наконец самое интересное. "Вычислитель-монстр" создан действительно маленькой компанией. Израильская фирма Lenslet со штатом всего 32 человека, похоже, не спасовала ни перед авторитетом гигантов индустрии, ни перед очевидными трудностями с поиском источников финансирования (тысячи мелких hi-tech-компаний задолго до ставшей знаменитой "нигерийской аферы" пользовались теми же приемами, надеясь поймать на приманку "гениальной идеи" венчурный капитал) и нашла правильную формулу сосуществования малого и большого.




Пространственный оптический модулятор Ablaze -- "сердце" и "мозг" вычислителя Enlight256
Приведенные выше характеристики производительности и энергопотребления являются "визитной карточкой" первенца компании Lenslet -- суперпроцессора Enlight256. Понятно, что традиционными способами (как то -- уменьшением технологических норм, изменением архитектуры и т. д.) достичь отрыва на шесть порядков от показателей лучших образцов аналогичного назначения невозможно (более того, такие достижения сразу заставляют вспомнить о "могуществе торсионных полей"). Следовательно, Enlight256 должен отличаться от всех подобных продуктов, существующих на сегодня, радикально. Соображение простое, но справедливое всегда -- действительно, лавровый венок первенства в создании реально работающего коммерческого оптического процессора уже заслуженно и навечно принадлежит маленькой Lenslet.

К слову, название этой компании вовсе не является образчиком модного коммерческого "новояза": lenslet -- это технический термин, обозначающий одну элементарную линзу в составе оптической многолучевой системы. Забавное ли это подсознательное выражение умения компании найти свое место в hi-tech- мире, или же подтверждение предположения о имеющейся у Lenslet удачной "внутрикорпоративной философии" -- все может быть...

И еще одно короткое отступление о названиях -- "сложносокращенное" слово enlight может происходить или от глагола enlighten, или от существительного enlightenment, и придумать ему краткий перевод, вмещающий в себя весь диапазон оттенков их значений (от "озаряющего" до "нирваны"), очень трудно.

Итак, первый оптический процессор Enlight256 является по принципу действия именно аналоговым (!) оптическим вычислителем. Для жесткой реальности, однако, одного принципа действия мало, и аппаратно Enlight представляет собой развитую гибридную цифроаналоговую систему, содержащую как квантово-механическую экзотику, так и вполне "приземленные" необходимые в инженерной практике узлы (например, популярную в цифровой технике для встраиваемых применений реализацию внутрисистемной отладки, соответствующую стандарту JTAG). Но все-таки принцип действия в Enlight -- это главное...




Сегодня оптический процессор компании Lenslet конструктивно реализован традиционно -- "материнская" плата со смонтированными оптоэлектронными компонентами. Но в ближайшее время компания обещает компактный конструктив-микросборку.
Внутри "вычислительного ядра" Enlight, по сути, находится параллельная счетная машина со специализированной архитектурой, оптимальной для выполнения фактически одной задачи. Но зато какой именно! Умножение матрицы на вектор -- каноническая операция в вычислительной математике, основной типовой "кирпичик", из множества которых можно соорудить чуть ли не все что угодно. При этом элементарность такого более чем ресурсоемкого действия в Enlight подчеркивается машинным временем его исполнения -- ровно за один "такт" (на самом деле никаких особых "тактов" у оптического ядра Enlight нет, но, как мы уже говорили, оно не существует "само по себе"). Возвращаясь к замечаниям, связанным с названием, скажем: наступило время "раскодировать" и цифру 256. Это "разрядность" элементарной операции, означающая, что за один "такт" процессор Enlight256 способен перемножить вектор из 256 элементов на матрицу размерностью 256 x 256. Прежде чем начать рассказ о реализации вычислителя, осталось только уточнить непоясненное значение использованного термина "элемент" (вектора и матрицы). Как уже говорилось ранее, ядро Enlight по своей сути является аналоговым устройством. "Аналоговый" и "неточный" в вычислительной технике -- синонимы. Именно поэтому разработчики Lenslet ограничили диапазон значений элементов вектора и матрицы числом 256, соответствующим традиционным 8-битным целым числам. И именно поэтому им пришлось реализовать уникальную систему динамической калибровки, для того чтобы устранить возможную потерю точности в ходе работы. Так что равенство между "аналоговым" и "неточным" справедливо не только в вычислительной технике -- в нашем случае ядро Enlight "оказалось" все-таки "не совсем аналоговым", точнее, "дискретным аналоговым".

Ну а теперь приступим к самому интересному и начнем знакомство с элементной базы. Понятно, что гибридный характер вычислителя требует двух процедур преобразования -- "цифры в значение" и "значения в цифру". Оконечный элемент цепей трансформации 8-битного числа в интенсивность светового потока в Enlight -- лазерный диод специального исполнения, так называемый VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser -- лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором). Этот полупроводниковый прибор оригинален сам по себе: в отличие от "обычных" лазерных диодов, излучающих "с торца" кристалла, VCSEL обладает рядом достоинств -- он одновременно технологичнее и дешевле стандартных лазерных диодов (хотя подробности изготовления VCSEL впечатляют -- чего стоят только "распределенные рефлекторы Брэгга" -- состоящие из десятков слоев полупроводниковые структуры, формирующие "зеркало" с отражательной способностью свыше 99,99%) и излучает более "качественный" луч (в сечении -- практически идеальный круг). Но что главное в случае с Enlight -- множество VCSEL можно легко разместить на одном кристалле. Именно такая линейка из 256 лазерных излучателей и является одним из "регистров" оптического АЛУ (арифметико-логического устройства) процессора Enlight. Второй "регистр" фактически играет роль одновременно и регистра, и АЛУ. Название у этого функционального вычислителя "страшное" -- пространственный оптический модулятор на основе многоквантовой ямы (MQWSLM -- Multi-Quantum Well Spatial Light Modulator). В реальном исполнении это также однокристальная микросхема, содержащая матрицу однопиксельных модуляторов. В Enlight256 MQWSLM представляет собой пиксельную матрицу 256 x 256, работающую "на отражение". Она позволяет электрически управлять интенсивностью проходящего через каждый пиксел света (в более общем случае пространственные модуляторы могут изменять разные параметры проходящей волны, а не только интенсивность). Главная отличительная черта матрицы-модулятора Enlight -- низкая инерционность, допускающая изменение "элементов матрицы" управляющими напряжениями с частотой порядка нескольких мегагерцев. И наконец, последний элемент -- естественно, светочувствительный, обеспечивающий возврат от чуждых цифровой электронике световых потоков к электрическим напряжениям и токам. Он так же, как и "входной преобразователь", выполнен в виде линейки, содержащей 256 фотодиодов.

После столь краткого знакомства с элементной базой DSP от Lenslet принципу действия вычислительного ядра Enlight посвятим буквально одно предложение. Излучение каждого из 256 лазерных диодов линейки "входного преобразователя" проецируется на соответствующий "столбец" пикселов матрицы MQWSLM, а прошедшее через матрицу излучение попадает на линейку фотодиодов уже по-другому -- каждый фотодиод принимает излучение от соответствующей строки матрицы. Результирующая энергия, полученная фотодиодами, как раз и является результатом "выполнения процедуры" умножения вектора на матрицу.

В остальном Enlight не сильно отличается от обычных цифровых процессоров -- у него есть высокоскоростные формирователи внешних шин, встроенный "кэш" для быстрой загрузки векторов и прочие сугубо "цифровые артефакты". Очевидное узкое место в такой архитектуре -- естественно, внешние шины. К счастью, существует множество задач, специфика решения которых предъявляет исключительно высокие требования именно к производительности процессора, при этом потоки обрабатываемой информации могут быть весьма "скромными" (в кавычках, потому что все-таки полоса пропускания у внешних шин Enlight -- 32 Gbps).

В принципе, если бы ставилась цель на нескольких страницах рассказать о "чуде техники", то можно было бы считать, что она нами достигнута. Но мы начинали разговор вовсе не о процессорах и технологиях, а о судьбе небольшой компании. Так что данный технологический экскурс -- всего лишь описание продукта, с которым молодая, зарегистрированная в 1999 г., маленькая фирма Lenslet вышла на рынок. И подобное описание будет далеко не полным, если за технологическими нюансами Enlight256 не увидеть именно товарного характера этого изделия. Разработчики Lenslet сделали все, чтобы их первый "вычислительный монстр" не отпугивал обычных инженеров. Оптический процессор "оброс" всем необходимым для того, чтобы его использование стало тривиальной технической задачей -- начиная от стандартных шин и аппаратной поддержки отладки и заканчивая полным комплектом ПО, включающим практически весь необходимый набор -- от программного симулятора и компиляторов до средств высокоуровневого проектирования и оценки эффективности алгоритмов. Впрочем, в оценке товарного качества продукции Lenslet лучше довериться профессионалам -- корпорация PALTEK, крупный поставщик электронных компонентов для японского рынка, еще за три месяца до начала серийных поставок Enlight подписала договор с Lenslet о стратегическом партнерстве.

Естественно, что у этой фирмы должны быть и есть свои закрытые сферы, посягнуть на которые -- значит нарушить закон. И все же один, самый важный, секрет мы попробуем раскрыть. Это та самая главная "военная тайна" бизнеса -- рецепт успеха маленькой hi-tech-компании.

Итак, составляющих понадобится немного -- и как обычно, ими будут талант плюс работоспособность, деньги и время. Пропорции первого ингредиента на примере Lenslet очевидны -- чем больше, тем лучше. Научное подразделение фирмы возглавляет обладатель Приза Гумбольдта за достижения в науке профессор Шимон Левит, а в консультационный совет из девяти человек входят не "просто профессора", а такие ученые с большой буквы, как -- Узи Эфрон, пионер в исследованиях жидких кристаллов и MQWSLM, Алан Оппенгейм -- отец цифровой обработки сигналов... Второй ингредиент также лучше не экономить -- ведь "всего-то" необходимы мощный венчурный капитал и отличные финансисты. В случае с Lenslet можно назвать даже конкретные цифры -- 26 млн. долл. от JK&B Capital и The Goldman Sachs и других венчурных компаний, но не "комком" в "готовое блюдо", а по частям, три раза, и непременно -- задолго до готовности. И наконец, последний компонент. А вот его требуется поменьше -- в разумном количестве и ровно столько, сколько нужно. Стартовавшая в 1999 г. и в 2000 г. получившая основной объем инвестиций, Lenslet уже во втором квартале 2004 г. начинает "отгружать" серийные Enlight256. Итого, до полной "готовности" успеха -- четыре с лишним года.

Теперь самое время задаться вопросом, всегда возникающим при знакомстве с каким-либо новым технологическим чудом. А собственно, будет ли Enlight успешен? Конечно, автор -- не гадалка и сулить компании и ее продукту успех или неудачу в будущем не вправе. Но если хорошенько подумать... Enlight -- красивое изделие и хороший товар, причем напрочь лишенный какой-то подозрительной экстравагантности. Оптические функциональные процессоры -- предмет серьезных исследований не одного десятка лет, так что эффект "отторжения новизны", в принципе, проявиться по отношению к ним со стороны специалистов не должен. Сверхвысокая производительность и не скрываемые разработчиком особенности ее использования исключают поиски ответа на вечный вопрос: "И что теперь со всем этим делать?". Процессор в силу своих характеристик прекрасно подходит как для оборонной сферы (распознавание образов в радио- и гидролокации, быстрое управление антеннами с синтезируемой апертурой), так и для решения "мирных" задач -- от повышения эффективности работы сетей GSM за счет применения тех же "умных" антенных систем до многопотокового кодирования мультимедийной информации. В общем, классическая ситуация, когда предложение просто неминуемо должно породить спрос. Но как бы то ни было, компания Lenslet уже добилась успеха -- она стала первой.

Enlight выполняет математические операции с помощью 256 лазеров малых размеров, лучи от которых проходя через "модуль программируемой оптики", создают интерференционную картину, которая считывается 256 светочувствительными элементами. Процессор выполняет операции очень быстро благодаря возможности выполнять большое количество операций параллельно. Оптический модуль, выполняющий все вычисления, получил название Ablaze. По информации компании Lenslet, Ablaze может использоваться и как отдельное устройство для обработки информации. Среди возможных применений компания выделяет устройства большой емкости для хранения информации и широкополосные каналы ввода/вывода. Lenslet занимается внедрением модуля Ablaze как средства для кодирования видеосигнала для HDTV каналов. Кроме того, сайт компании сообщает, что основное направление использования - военные разработки, так как один процессор EnLight 256 способен заменить несколько схем с большим количеством стандартных DSP-процессоров.
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 3 comments