Оптический компьютер: описание, принцип работы, преимущества
Полезность любой технологии измеряется ее актуальностью, поэтому разработка оптических компьютеров стала одной из популярных тем сегодня. Техники и разработчики всего мира пытаются достичь совершенства в нано-технологиях, поэтому неустанно проводят различные исследования. Оптические компьютеры - одна из самых популярных тем. Все преимущества позволяют удостовериться в их необходимости уже сегодня.
Такие технологии можно встретить и в современном мире, но их рост в будущем неминуем. Поэтому об оптических технологиях пойдет речь далее.
Описание технологий
На примере процессоров можно разобраться, зачем нужны оптические компьютеры. Когда придет время того, что уменьшать техпроцесс ЦП будет уже некуда, закон Мура перестанет быть полезным. На данный момент разрабатывается возможность альтернативной технологии, которая заключается в замене проводов на оптическое волокно, проводящее свет.
Полупроводниковая система создания техники немного устаревает, так как подчиняется законам физики, связанным с электрическим током. Именно упорядоченное движение частиц вынуждает электроны двигаться в непрерывном потоке, что приводит к потере некоторого количества энергии, которая проявляется в тепловыделении и электромагнитном излучении.
В отличие от полупроводников свет способен передавать огромное количество информации и намного быстрее, а потери будут сведены к минимуму. Для оптических компьютеров это просто находка.
Принцип работы
Создать оптические компьютеры не составит особых трудностей. Они настанут во время тестирования, так как нужно еще заставить работать оптические волокна.
Создание оптических компьютеров в корне меняет саму концепцию программирования, которая основана на последовательности нулей и единиц. С другой стороны, процесс передачи данных будет быстрее, если использовать не двоичную систему, а световые импульсы.
На данный момент создание устройства оптического компьютера еще на стадии планирования. А пока что будет налаживаться производство совместных технологий - световых и аналоговых.
Определение фотона
После выяснения того, как применяется оптика, нужно понять, что такое фотон. Фотон - это частица, которая не имеет массы и существует исключительно в вакууме. Сам по себе фотон не обладает электрическим зарядом, но за счет своей стабильности способен ускорить электрический заряд. Вот, что такое фотон.
Одно из его преимуществ - это скорость распространения. Она очень высока и она сопоставима со скоростью света. Фотонные компьютеры работают по такому же принципу.
Применение технологий
Для выполнения всех необходимых процессов лазерные принтеры, сканеры, компакт-диски используют свет. Оптические технологии способны обеспечить высокоскоростное подключение к сетям, аналоговые устройства отстают, причем заметно.
Различные операции с лазерами применяются для того, чтобы увеличить срок службы оборудования, улучшая его прочность, пластичность и поверхность. Широко применяется данная технология в аппаратах, которые считывают штрих-коды.
Световые технологии применимы и в области медицины. Например, в приборах освещения внутренней полости человека. Также волоконная оптика применяется при скоростной съемке фильмов.
Преимущество оптики
Свет способен передавать информацию в большом объеме и с невероятной скоростью. Но есть масса других преимуществ оптических компьютеров, которые будут применяться в будущем. Быть может, случится это совсем скоро.
Использование оптических технологий позволяет усовершенствовать любую технику, так как оборудование затрачивает меньшее количество электроэнергии. А также способствует уменьшению тепловыделения.
В современных процессорах главную роль играет техпроцесс, и чем он тоньше, тем выше производительность. На современных графических процессорах уменьшенный техпроцесс влияет на энергопотребление. Но когда уменьшение техпроцесса достигнет своего предела, инженеры станут искать аналогичный способ увеличить производительность. Поэтому на смену полупроводникам придет оптическая технология. Над этим уже трудятся многие исследователи.
Преимущества оптического компьютера заключаются в том, что информация представлена в виде фотонов, сгенерированных лазерами или диодами. Если использовать фотоны, то достижение высокоскоростной передачи информации обеспечено. Для использования дополнительных возможностей, чтобы обеспечивать ввод и вывод данных, можно задействовать третье измерение.
Прозрачная среда - это идеальное место, где без затрат энергии могут обрабатываться данные, закодированные оптическим лучом. За счет нулевого излучения окружающей среды оптическая система способна обеспечить защиту компьютера в случае попытки перехвата информации. Также оптическая система обладает защитой от посторонних электромагнитных наводок.
Кабели оптического волокна с каждым днем становятся все дешевле, что делает его более актуальным, нежели аналогичные аналоговые.
Доступные оптические технологии
Одно из новых открытий в мире оптики - это металлическая линза. Созданная плоская линза, которая состоит из отбеливателя, краски и кварца, способна в будущем полностью заменить стекло. Причина применения металлической линзы заключается в том, чтобы полностью исключить искажения при микроскопических исследованиях. Дело в том, что обыкновенное стекло не способно обеспечить максимальную четкость в один слой. Поэтому исследователям приходится использовать несколько слоев стеклянных линз.
Такая же система используется в объективах фотоаппаратов и видеокамер. Но за счет нескольких линз, которые располагаются на расстоянии друг от друга, аппаратура достигает больших размеров.
Ученым Гарвардского университета удалось создать плоскую линзу. Она способна полностью исключить дефекты изображения, так как в ней отсутствует аберрация. Прозрачный кварц и диоксид титана стали главными составляющими линзы. Кварцевая пластина расположила на себе миллионы столбцов титана. Именно они разрезают луч света на части, обеспечивая должную фокусировку.
Микрочипы на основе оптики
Связь с помощью света является одной из основных альтернатив техники будущего. Электрические провода обладают одним существенным минусом - ограничение скорости передачи данных. К тому же на это нужно немалое количество энергии, что влечет за собой перегрев.
Замена обыкновенного провода оптическим приведет к тому, что данные будут передаваться быстрее. А также они будут использовать параллельную передачу разными цветами.
Впервые ощутимый прогресс в сторону оптических технологий, был продемонстрирован в 2015 году, когда исследователи описали решение, которое приведет к преодолению ограничений полупроводников. В статье журнала Nature исследователи подробно описали принцип работы микропроцессора, предоставив фотографии и дав ему название "Смена нуля".
Тем самым, применяя кремниевую основу в микросхемах, можно использовать фотонику. Самый распространенный пример применения фотоники - это беспроводное интернет-соединение 4G.
Именно микрочипы оптического происхождения обеспечивают такую высокую скорость передачи данных.
Оптическое волокно в будущем
Так как требования к качеству связи возрастают с каждым годом, ее производительность должна быть на должном уровне. Первым в очереди стоит развертывание беспроводной сети 5G.
Так какой объем доступных данных можно передавать по оптическому волокну? 40% планируется выделить только на подключение к оптическим компьютерам. Остальные 60% будут потребляться пользователями смартфонов, планшетных компьютеров и другими портативными устройствами. Это примерная распланировка предстоящего подключения 5G.
Оптоволоконные кабели способны передавать информацию до 100 Гбит/с при использовании фотонной технологии.
Преграда в ограничениях
К 2020 году человечеству будет доступна скорость передачи данных до 1000 Тбит/с. Это делается для того чтобы полностью отвечать требованиям широкой полосы. Но данная задача существенно затормаживается, так как на сегодняшний день не существует технологий, способных преодолеть преграду. Более остро стоит вопрос о возможности передачи информации на дальние расстояния.
На такое способен лишь кабель с оптическим волокном в одну жилу, у которого скорость достигает почти 10 Тбит/с. Но он способен передать только один поток фотонного сигнала.
Многомодовые кабели, которые обеспечивают прохождение в параллели нескольких световых сигналов, способны работать без искажений только на ограниченном расстоянии в несколько метров.
В гонке по оптимизации многожильного кабеля японские инженеры побили все рекорды по скорости, достигнув предела в 43 Тбит/с. В этом кабеле функционировал всего один лазер.
Заключение
Полностью оптические компьютеры - это мечта будущего, а пока доступны лишь технологии в симбиозе, которые идеально сочетают в себе оптику и аналоги.
Аналоговые технологии существенно ограничены в своих технических возможностях, потому что работают в непрерывном потоке, то есть, практически бесконтрольно. Это приводит к большим потерям сигнала и затратам электроэнергии. Такие манипуляции приводят к сильному нагреву электроники.
Применение оптических технологий станет прорывом в области передачи данных. Плюс ко всему, стоимость техники с такими возможностями не будет выше обыкновенного оборудования.
Сейчас подобным примером служит наличие смартфонов, так как их процессоры и микросхемы в них построены на симбиозе двух технологий, позволяющих совмещать малый размер и "умную" систему. Вполне возможно, в скором времени мы забудем о том, что такое полупроводники, так как их заменят оптические устройства.