Optiline arvutus
See artikkel valmib koolitööna. Võimaluse korral lisa oma parandusettepanekud arutelulehele. See ei tähenda siiski, et teistel kaastöölistel on artikli muutmine keelatud. Malli võib eemaldada 6. mai 2026. |
Optiline arvutus või footonarvutus kasutab laserite või mittekoherentsete valgusallikate poolt loodud valguslaineid andmete töötlemiseks, salvestamiseks või edastamiseks arvutusprotsessides.
Andmevahetuses valguse kasutamine elektronide asemel võimaldab saavutada palju suuremat ribalaiust. Lisaks ei kaota footonid, erinevalt elektronidest, aines esineva takistuse korral energiat soojusena, tehes nende kasutamise energiaefektiivsemaks ja süsteemi komponente vähem kulutavaks. Optilisi arvuteid saab teoreetiliselt teha ka palju väiksemaks, sest valguslainete vahel on ülekostvus palju väiksem.[1]

Optilises arvutuses kasutatakse tavaliselt lasereid, aga vahel ka LED-e valgusallikatena. Lainejuhid, nagu näiteks valgusfiibrid või fotoonilised kristallid pakuvad valguse edastamiseks meediumit ja kiirejagajad võimaldavad valguslaineid poolitada. Optilised modulaatorid võimaldavad valguse edastamist täpselt juhtida, tehes sellega täpsete signaalide edastamise võimalikuks. Optilised modulaatorid võivad olla juhitavad nii helilainete, magnetväljade kui ka elektriväljadega - üks laialdasemalt levinud elektro-optilisi modulaatoreid on Mach-Zehnderi Interferomeeter, kus valguslaine poolitatakse ja elektrivälja abil tekitatakse ühes harus faasinihe, misläbi kahe valgusharu taasliitmisel on väljund moduleeritud. Fotodioodid tuvastavad footoneid ja muudavad need elektrilisteks signaalideks. Need komponendid on peamiseks aluseks nii analoog- kui ka digitaalarvutitele, aga erinevate eksperimentaalsete lahenduste, töötlemismeetodite ning kvantarvutite jaoks arendatakse ka pidevalt uuenduslikke lahendusi.[2]
Paljud projektid tegelevad aga ainult mingile osale elektroonilisest arvutusprotsessist optilise kahendsüsteemil põhineva alternatiivi väljatöötamisega. See nõuab optiliste ja elektriliste süsteemide vahel signaalide ümbermuutmist, mis kaotab ära võidetud energiaefektiivsuse.[3]
Optilised binaararvuti komponendid
[muuda | muuda lähteteksti]Optilise binaarsüsteemil põhineva digitaalarvuti jaoks on vaja välja vahetada elektrilised transistorid nii-öelda optiliste transistoritega. Kuna footonid ei mõjuta üksteist nagu elektronid, siis tuleb tutvustada mingi meedium või vahend, mis võimaldab footonitel lülitusi teha. Seda võib saavutada kasutades optilisi meediumeid, milles valgus käitub erinevalt vastavalt sellele, mis suunast see tuleb (ehk mittelineaarse murdumisnäitajaga materjalides) või kasutades aineid, mille valgusneelduvus erineb sõltuvalt valguse intensiivsusest. Optiliste transistoritega saab edasi luua kõrgemaid footonloogikaahelaid mida saab omakorda kasutada arvutisüsteemide nagu mälu ja protsessori loomiseks, samamoodi nagu see on klassikaliste loogikaväratitega.

Veel mõned viisid optiliste loogikaväratite loomiseks on näiteks:
- mittelineaarsed optilised efektid
- destruktiivse ja konstruktiivse interferentsi rakendamine
- footonloogika molekulaartasemel, näiteks kasutades fotoluminestsentseid aineid või Ramani spektroskoopiat [4].
Ebaharilikud lähenemised ja rakendused
[muuda | muuda lähteteksti]Footonarvutust on lisaks traditsioonilise binaararvuti realiseerimisele võimalik kasutada ka spetsiifiliste arvutuslike probleemide või ülesannete kiiremaks ja efektiivsemaks lahendamiseks. Need lahendused on tavaliselt mõeldud täitma ainult ühte konkreetset probleemi rakendades valguslainete omadusi, proovides nii saada eelist klassikaliste elektronarvutite ees.
Signaali viivitamine
[muuda | muuda lähteteksti]Signaali viivitamine rakendab valguslainete kahte järgnevat omadust:
- Valguslainete levikud on võimalik aeglustada või viivitada kasutades pikemaid kaableid või spetsiifilisi materjale;
- Valgust saab mitmeks kiireks poolitada.
Signaali viivitamisega rakenduste tööpõhimõte seisneb valguskiirte vahel eristamises ajaliste viiviste abil. Tavaliselt näeb selline rakendus välja järgnev:
- Optilistest kaablitest ja jagajatest koostatakse graaf, kus on üks sisendsõlm ja üks väljundsõlm. Sisendi ja väljundi vahele on ühendatud jagajat ehk sõlme, mis on omavahel samuti ühendatud optiliste kaablitega.
- Valgus siseneb sisendsõlmest ning läbib graafi kuni väljundini. Igas sõlmes jagatakse signaal kõigisse väljaminevatesse kaablitesse ning iga sõlme vahel rakendatakse valgussignaalile kindel ja teadaolev viivis.
- Kindlal ajahetkel, mis märgib soovitud tulemust, loetakse väljundsõlmes signaali. Kui signaal ei jõua antud ajahetkel kohale, ei ole võimalik graafi sellise tulemusega lahendada.
Niiviisi oleks võimalik kiiremini lahendada näiteks erinevaid NP-täielikke probleeme. Üks esimesi näiteid sellisest rakendusest on Hamiltoni graafi lahendamine[5].
Lihtsam näide sellise arvutusmeetodi rakendusest on alamhulga summa probleem, kus tuleb leida, kas mingi alamhulk täisarvudest annab kokku summa . Iga hulga liige kujutab endast ühte viivist sõlmede vahel, seega kui ajahetkel, mis on võrdne vaadeldava summaga , tuvastatakse intensiivsuse muutumine väljundis, on ka olemas alamhulk, mis annab kokku summa .
Optilised tensorarvutused
[muuda | muuda lähteteksti]Optilisi tensorarvutusi nähakse potentsiaalse viisina teha närvivõrkude, masinõppe ja suurte keelemudelite treenimiseks ning kasutamiseks vajalikke arvutusi energiaefektiivsemalt ja kiiremini. Optiline arvutus võimaldab näiteks läbi interferomeetrite viia läbi maatriksarvutusi valguse leviku ajal palju paralleliseeritumalt ja kiiremini kui elektronarvutites.[6] Üks selline valdkond, kus optilisi tensorarvutusi on proovitud rakendada, on neuromorfiline arvutus, mis proovib jäljendada inimese aju tööpõhimõtet.[7]
Lainepikkuse põhine arvutamine
[muuda | muuda lähteteksti]Lainepikkuse põhine arvutamine kasutab erinevaid lainepikkuseid, mis sisalduvad valgussignaalis, et viia läbi arvutusi. Üks näide sellest on 3-SAT probleemi lahendamine, kus saab eristada valgussignaale selle põhjal, kuidas need prismas vastavalt oma lainepikkusele murduvad. Iga erineva lainepikkusega valguslaine on kindla väärtusega seostatud ning pärast prismast väljumist teatud lainepikkused, mis vaadeldavat valemit ei rahulda, filtreeritakse välja ehk blokeeritakse. Kui mingi valguslaine jõuab väljundisse siis on olemas ka lahend.[8]
Optiline Fourier' teisendus
[muuda | muuda lähteteksti]Optilist arvutust on kasutatud Fourier' teisenduseks väga pikalt. Kuna läätsed oma loomuselt rakendavad Fourier' teisendust, on optiline arvutus selleks väga sobiv ning võib pakkuda eelist üle elektrooniliste graafikaprotsessorite. Näide rakendusest on vedelkristalliline ruumiline valgusmodulaator, mille tulemus saadakse tavaliste pildisensoritega kätte. Esimesed inimesest kiiremaks Fourier' teisenduseks võimelised protsessorid kasutasid laserite, läätsede ja optiliste maskide süsteemi.[9] Optika rakendamist Fourier' teisenduse arvutamiseks uurib Fourier' optika.
Isingu masinad
[muuda | muuda lähteteksti]Isingu masinad on arvutid, mis põhinevad Isingu mudelil. Isingu masinatel on potentsiaal lahendada väga mahukaid optimiseerimisülesandeid läbi spinni magnetmomendi modelleerimise. Isingu masinaid on realiseeritud Stanfordi ülikoolis kasutades footoneid ning optilisi komponente.[10]
Ajalugu
[muuda | muuda lähteteksti]Optiline arvutus sai võimalikuks funktsionaalse laseri loomisega 1960. aastal, sest see võimaldas tugevat valgust kontsentreeritult suunata. Kuna siis ei olnud digitaalsed arvutid veel piisavalt võimsad, et teha Fourier' teisendust, leiutati optilised analoogprotsessorid, mis seda teha suutsid.[9]
1970. aastatel tuldi välja ruumiliste valgusmodulaatoritega (RVM), mis võimaldavad valguslainet suure täpsusega mõjutada, näiteks muuta valguskiire fookust või seda kindlal viisil liikuma panna. RVM-ide suur eelis on see, et need on programmeeritavad, võimaldades elektroonikal ja ka digitaalsel arvutil valgust juhtida.[9]
1980. aastatetel uuriti võimalusi luua esimesi optilisi loogikavärateid ja närvivõrke, sest optilist arvutust nähti hea analoogina inimese aju tööpõhimõttele, pakkudes ka laialdast paralleelsust.[11][9]
1990.-2000. aastatel toimusid optilises arvutuses suured arengud. Vedelkristall tehnoloogia areng võimaldas moduleerida valgust matemaatilisteks operatsioonideks ja loogikaväratiteks. RVM-idega toimunud arengud võimaldasid rakendada optilises arvutuses vektoriaalset maatrikskorrutust (VMK), tänu millele ei pidanud enam toetuma Fourier' pöördele. Ettevõtted ja idufirmad proovisid luua esimesi VMK tehnoloogial põhinevaid optilisi protsessoreid, ent nende digitaalsete arvutitega integreerimise keerulisus takistas laia levikut.[9]
2010. aastatel leidsid aset arengud ränil põhinevate integreeritud optiliste komponentidega, võimaldades varasemast palju kompaktsemaid lainejuhte, interferomeetreid, modulaatoreid ja neist koostatatud närvivõrke. Arendati ka optoelektroonilisi hübriidsüsteeme, näiteks objekttuvastuse jaoks, kus enne digitaalset tuvastust töödeldi sisendit optilise arvutuse läbi.[12]
2020. aastatel on rakendatud metamaterjale ja -pindu andmesalvestuseks ning spetsiifiliste optiliste efektide saavutamiseks.[12]
Väljakutsed
[muuda | muuda lähteteksti]Arvutisüsteemid on oma olemuselt mittelineaarsed süsteemid, aga mittelineaarne optika vajab suuri intensiivsuseid ja kasutatavate materjalide mittelineaarne vastuvõtlikkus ei ole alati piisavalt tugev. Väljakutsed esinevad ka mittelineaarsete komponentide piisavalt väikeseks saamises, et need oleksid võimelised konkureerima klassikaliste transistoritega. [13]
Ehkki valguskiirusel toimuv andmevahetus võimaldaks teoorias saavutada optilist arvutust kasutavas protsessoris terahertsidesse ulatuvaid taktsagedusi, peavad kasutatavad materjalid, lainejuhid ja muud komponendid kõik pakkuma piisavalt laia sagedusspektri ribalaiust, et dispersioon ei moonutaks edastatud pulsse.
Täisoptilist mälu on keeruline realiseerida, sest valgust ei saa samamoodi talletada nagu elektrone. See on üks suurimaid takistusi täisoptilise binaararvuti realiseerimisel. Täisoptilise mälu väljatöötamises on küll toimunud arenguid, ent hetkel on see tehnoloogia veel füüsiliselt liiga suur ja vähetõestatud.[14]
Selleks, et optilised binaararvuti komponendid suudaksid ületada moodsaid elektroonilisi arvutussüsteeme, peab optilises arvutis kasutusel olev transistor täitma järgnevaid kriteeriumeid: [15]
- Üks optiline transistor peab olema võimeline juhtima vähemalt kahe optilise transistori sisendit. Seega peavad sisendisse tulev valgus ja väljundis olev valgus oma omadustelt olema universaalselt ja jätkusuutlikult rakendatavad igale teise optilise transistori viigule.
- Iga transistor peab nii-öelda signaali puhastama mürast ja ebakorrapärasustest. Vastasel juhul pikkade loogikaahelate käigus signaal degradeerub ning ei ole enam usaldusväärne
- Tuleb arvestada sellega, et valguse levimise käigus, läbi erinevate optiliste komponentide ja lainejuhtide, signaali intensiivsus kaob. Seega ei ole võimalik kehtestada ühtset loogikataset, mille põhjal määratakse kahendsüsteemis esitatud arvule väärtuseks kas 1 või 0, kui ei suudeta signaali intensiivsust taastada või pikemalt ühtsena hoida.
- Lülituskiirus peab olema piisav, et mitte kaotada valguse kiiruse poolt võimaldatud ajavõitu.
Ehkki on loodud lahendusi, mis täidavad neid kriteeriumeid osaliselt, ei ole siiani leitud lõplikku head lahendust, mis täidaks kõik nõuded efektiivse optilise binaarloogikaahela loomiseks.[15]
Kommertstooted ja tööstus
[muuda | muuda lähteteksti]Nvidia on pärast suurte keelemudelite teket hakanud ka rahastama optilist arvutust ning töötama välja enda lahendusi. Nvidia peamine eesmärk on siiani olnud lahendada suurte andmemahtude vahetamist andmekeskustes, et kiirendada keelemudelite treenimist. Selleks on nad loonud Spectrum-X kommutaatorid Ethernet võrkude jaoks ja Quantum-X kommutaatorid InfiniBand võrkudes kasutamiseks. Spectrum-X tehnoloogia lubab kuni 1,6 terabitiseid andmevahetuskiiruseid pordi kohta ja võimaldab palju energiasäästlikumaid ja töökindlamaid lahendusi.[16]
Intel arendas välja ühe esimese täisintegreeritud optilise sisend-väljund kiibi, mille eesmärk on pakkuda 4 terabitist kahesuunalist andmevahetust teiste sarnaste kiipidega. See kiip on pakendatud koos protsessoritega ning on võrdlemisi väike. Intel on investeerinud palju kiiretesse ja väikestesse optilistesse komponentidesse, keskendudes peamiselt ränil põhinevatele optilistele komponentidele.[17]
Lightmatter
[muuda | muuda lähteteksti]Lightmatter on iduettevõte, mis toodab ja arendab optilisi kiipide- ja seadmetevahelisi ühenduslülisid, tooteliini Passage all, ning valgusallikad, tooteliini Guide all. Passage L200 võimaldab väidetavalt näiteks kiiruseid 32-64 terabiti sekundis väikeses kiibipealses pakendis. Varasemalt keskendus Lightmatter ka Envise nime all optilistele maatrikskorrutusteks mõeldud protsessoritele, ent hetkel on nende fookus liikunud andmekeskustele ühenduslülite pakkumisele.[18][19]
Lightelligence
[muuda | muuda lähteteksti]Lightelligence on MIT-st alguse saanud ettevõte, mis keskendub peamiselt integreeritud optilistele arvutuskomponentidele. Nende toodete seas on näiteks PACE 1 ja 2 (Photonic Arithmetic Computation Engine ehk Fotooniline Aritmeetika Arvutusmootor), mis võimaldavad läbi viia optilist arvutust, täpsemini optimiseerimisülesandeid, traditsioonilistest graafikakaartidest palju kiiremini. Lisaks on nad loonud esimese optilise riistvaraliidese PCI Expressi ja Compute Express Linki jaoks, nimega Photowave, ja optilise kiibipõhise võrgu Hummingbird.[20][21]
Optalysys
[muuda | muuda lähteteksti]Optalysys on ettevõte, mis toodab ränil põhinevaid optilise arvutuse komponente krüptograafia ja lainesimulatsioonide jaoks, keskendudes Fourier' teisendust arvutavatele kiipidele.
Viited
[muuda | muuda lähteteksti]- ↑ Kazanskiy, Nikolay L.; Butt, Muhammad A.; Khonina, Svetlana N. (24. juuni 2022). "Optical Computing: Status and Perspectives". Nanomaterials (inglise). 12 (13): 2171. DOI:10.3390/nano12132171. ISSN 2079-4991. PMC 9267976. PMID 35808012.
- ↑ M.Sc, Susha Cheriyedath (24. jaanuar 2025). "Optical Computing: The Basics". AZoOptics (inglise). Vaadatud 3. mail 2026.
- ↑ "OPG". opg.optica.org. DOI:10.1364/OE.420027. Vaadatud 11. aprillil 2026.
- ↑ Witlicki, Edward H.; Johnsen, Carsten; Hansen, Stinne W.; Silverstein, Daniel W.; Bottomley, Vincent J.; Jeppesen, Jan O.; Wong, Eric W.; Jensen, Lasse; Flood, Amar H. (18. mai 2011). "Molecular Logic Gates Using Surface-Enhanced Raman-Scattered Light". Journal of the American Chemical Society. 133 (19): 7288–7291. DOI:10.1021/ja200992x. ISSN 0002-7863.
- ↑ Oltean, Mihai (2006). Calude, Cristian S.; Dinneen, Michael J.; Păun, Gheorghe; Rozenberg, Grzegorz; Stepney, Susan (toim-d). "A Light-Based Device for Solving the Hamiltonian Path Problem". Unconventional Computation (inglise). Berlin, Heidelberg: Springer: 217–227. DOI:10.1007/11839132_18. ISBN 978-3-540-38594-3.
- ↑ Zhang, Yufeng; Liu, Xiaobing; Yang, Chenguang; Xiang, Jinlong; Yan, Hao; Fu, Tianjiao; Wang, Kaizhi; Su, Yikai; Sun, Zhipei; Guo, Xuhan (jaanuar 2026). "Direct tensor processing with coherent light". Nature Photonics (inglise). 20 (1): 102–108. DOI:10.1038/s41566-025-01799-7. ISSN 1749-4893. Vaadatud 5. mai 2026.
- ↑ Shastri, Bhavin J.; Tait, Alexander N.; Ferreira de Lima, T.; Pernice, Wolfram H. P.; Bhaskaran, Harish; Wright, C. D.; Prucnal, Paul R. (veebruar 2021). "Photonics for artificial intelligence and neuromorphic computing". Nature Photonics (inglise). 15 (2): 102–114. DOI:10.1038/s41566-020-00754-y. ISSN 1749-4893.
- ↑ Goliaei, Sama; Jalili, Saeed (2009). Dolev, Shlomi; Oltean, Mihai (toim-d). "An Optical Wavelength-Based Solution to the 3-SAT Problem". Optical SuperComputing (inglise). Berlin, Heidelberg: Springer: 77–85. DOI:10.1007/978-3-642-10442-8_10. ISBN 978-3-642-10442-8.
- 1 2 3 4 5 Tradonsky, Chene (4. jaanuar 2025). "The Evolution of Optical Computing: Part 1". EE Times. Vaadatud 27. aprill 2026.
- ↑ Cartlidge, Edwin (31. oktoober 2016). "New Ising-machine computers are taken for a spin". Physics World (Briti inglise). Vaadatud 27. aprillil 2026.
- ↑ Kazanskiy, Nikolay L.; Butt, Muhammad A.; Khonina, Svetlana N. (24. juuni 2022). "Optical Computing: Status and Perspectives". Nanomaterials (Basel, Switzerland). 12 (13): 2171. DOI:10.3390/nano12132171. ISSN 2079-4991. PMC 9267976. PMID 35808012.
- 1 2 Kazanskiy, Nikolay L.; Golovastikov, Nikita V.; Khonina, Svetlana N. (1. oktoober 2025). "The Optic Brain: foundations, frontiers, and the future of photonic artificial intelligence". Materials Today Physics. 58: 101856. DOI:10.1016/j.mtphys.2025.101856. ISSN 2542-5293.
- ↑ Zarei, Sanaz; Khavasi, Amin (21. september 2022). "Realization of optical logic gates using on-chip diffractive optical neural networks". Scientific Reports. 12 (1): 15747. DOI:10.1038/s41598-022-19973-0. ISSN 2045-2322. PMC 9492711. PMID 36130987.
- ↑ Daley, Jason. "Built with today's tech, new type of memory is key in the future of optical computing". College of Engineering - University of Wisconsin-Madison (Ameerika inglise). Vaadatud 27. aprillil 2026.
- 1 2 Miller, David A. B. (jaanuar 2010). "Are optical transistors the logical next step?". Nature Photonics (inglise). 4 (1): 3–5. DOI:10.1038/nphoton.2009.240. ISSN 1749-4893.
- ↑ "NVIDIA Announces Spectrum-X Photonics, Co-Packaged Optics Networking Switches to Scale AI Factories to Millions of GPUs". NVIDIA Newsroom (Ameerika inglise). Vaadatud 27. aprillil 2026.
- ↑ "Intel® Silicon Photonics". Intel (inglise). Vaadatud 27. aprillil 2026.
- ↑ "Passage L200 - 3D Co-Package Optics". Lightmatter® (Ameerika inglise). Vaadatud 27. aprillil 2026.
- ↑ "Startup accelerates progress toward light-speed computing". MIT News | Massachusetts Institute of Technology (inglise). 1. märts 2024. Vaadatud 27. aprillil 2026.
- ↑ Magazine, P. I. C. "Lightelligence Introduces Optical Interconnect for Composable Data Center Architectures - PIC Magazine News". PIC (Photonics Integrated Circuits) (inglise). Vaadatud 3. mail 2026.
- ↑ Johnston, Hamish (7. aprill 2022). "Optical chipmaker focuses on high-performance computing". Physics World (Briti inglise). Vaadatud 3. mail 2026.