CC BY
56
WEB-САЙТ ПО НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМУ НАПРАВЛЕНИЮ
«ОПТОИНФОРМАТИКА»
О.В. Андреева, В.Г. Беспалов, В.Н. Васильев, Ю.Н. Денисюк, С.А. Козлов,
С.А. Лобанов, Н.С. Макаров
Введение
В последние годы активно разрабатываются информационно-телекоммуника-ционные системы нового поколения, строящиеся в значительной степени не на электронных, а на оптических технологиях. Это стремительно развивающееся научно-техническое направление стали называть оптической информатикой [1] или оптоинформатикой. Под ней сегодня понимают область науки и техники, связанную с разработкой, исследованием и эксплуатацией новых материалов, устройств, приборов и технологий, направленных на передачу, прием, обработку, хранение и отображение информации на основе фотонных носителей.
В связи с развитием оптоинформатики назрела необходимость появления научно-образовательного Web-сайта, на котором бы размещалась самая подробная и новейшая информация об этом научном и образовательном направлении. В настоящее время на кафедре фотоники и оптоинформатики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики создан Web-сайт
(http://ysa.ifmo.ru/optoinformatics/educational site/index.html), целиком посвященный данной тематике.
Оптика создает новую информатику
Прогресс цивилизации на рубеже XX и XXI вв. во многом обеспечивается стремительным развитием информационных технологий. Быстрое развитие микропроцессорной техники, электронных сетевых технологий, а также магнитных устройств памяти позволяло постоянно увеличивать эффективность информационных технологий. Однако казавшиеся неограниченными возможности развития электронной вычислительной техники исчерпываются. Следующее поколение информационно-телекоммуни-кационных систем разрабатывается на оптических технологиях [2-8], которые направлены на увеличение скорости и объема передаваемой и обрабатываемой оптическими методами информации (от десятков гигабит до сотен терабит в секунду); разработку оптических систем сверхбыстрой оперативной памяти большого объема и долговременной памяти с быстрым поиском; создание нового поколения быстродействующих и эффективных оптических вычислительных систем и искусственного интеллекта; исследование возможностей трехмерного отображения информации в реальном времени (голотелевидение); усовершенствование с помощью оптических методов многих других технологий разнообразного функционального назначения (био-, мед-, гео-, эко-, агро-, оборонных и т.п. технологий).
Продемонстрируем подробнее актуальность и важность развития оптоин-форматики на основе только двух примеров.
Первый пример относится к созданию и развитию новых оптических телекоммуникационных систем. Уже в настоящее время в мире доминирует использование оптических волоконных линий на основе многомодового волокна (на расстояния до 1 км) и одномодового волокна (на расстояния до 200 км без повторителей) для передачи информации со скоростью до 40 Гб/с. Использова-
ние спектрального уплотнения и полностью оптического усиления на основе вынужденного комбинационного рассеяния позволило исследователям из корпорации NEC (Япония) передать по одному волокну поток информации более 10 Тб/с при использовании 273 спектральных каналов на расстояние 117 км и достичь на сегодняшний день рекорда удельной передачи информации 10 000 Тбит/км/с [9].
Возникает вопрос, зачем нужны столь большие плотности передачи информации? Для дальнейшего развития мирового информационного общества необходима система глобального Интернета с предоставлением любому пользователю канала с плотностью не менее 2,5 Мб/с («fiber to home» - волокно в каждый дом) для реализации таких возможностей, как цифровое интерактивное телевидение высокой четкости, видеотелефон, быстрый доступ к информационным банкам данных и т.д. Несложный расчет показывает, что для организации такой связи между Москвой и Санкт-Петербургом при числе потенциальных пользователей 2 млн. чел. необходима линия с пропусканием 10 Гб/с. Для связи между странами необходима плотность на два-три порядка больше, т.е. 1 -10 Тб/с. В настоящее время в мире существует несколько волоконно-оптических систем с пропусканием 10 Гб/с, например между Пертом и Мельбурном через Аделаиду в Австралии на расстояние 3875 км. Разрабатывается также подобная система связи между исследовательскими и образовательными центрами 30 европейских стран, включая бывшие прибалтийские республики СССР.
Второй пример касается перспектив развития вычислительных систем. Начиная с 70-х годов, число электронных компонентов, расположенных на микрочипе, удваивалось каждые 18 месяцев, позволяя электронным компьютерам развивать вдвое большие скорости счета. Хотя эта тенденция, которая была предсказана в 60-х годах Гордоном Муром из фирмы «Intel» [10], может продолжаться в течение следующих нескольких лет, предел скорости, с которой интегральные схемы смогут работать, скоро будет достигнут. Сейчас можно купить персональный компьютер с процессором, работающим на тактовой частоте 3 ГГц, но появление настольного компьютера с электронным чипом на 100 ГГц через 10 лет с точки зрения современной науки кажется проблематичным. Даже если размер отдельного элемента будет значительно уменьшен путем использования ренгенолитографии, то частота интегральной схемы будет ограничена временем переключения в транзисторах, которое практически не уменьшается с его габаритами.
Чтобы использовать уникальные возможности оптики для обработки информации, необходимо разработать подходящие технологии создания устройств генерации, детектирования оптических сигналов, а также оптических логических элементов, управляемых светом. Элементарная оптическая ячейка должна потреблять энергии меньше, чем элемент микрочипа, быть интегрируемой в большие массивы и иметь возможность связи с большим числом подобных элементов. Именно это явится, на наш взгляд, основной задачей оптоин-форматики в ближайшие десятилетия.
Начиная с середины 80-х годов, исследователи интенсивно работали над созданием полностью оптических компьютеров нового поколения [2, 11, 12]. Сердцем такого компьютера должен был стать оптический процессор, использующий элементы, в которых свет управляет светом, а логические операции осуществляются в процессе взаимодействия световых волн с веществом. Значительные усилия, направленные на создание оптического компьютера, привели к определенным успехам.
В конце 2003 г. появилось сообщение о первом коммерчески реализуемом оптическом процессоре, выпускаемом израильской фирмой «Lenslet» [13]. Следует отметить, что размеры и вес системы, построенной на оптических принципах, в настоящее время превышают размеры используемых сейчас микрочипов.
Анализ состояния современных разработок оптоинформатики показывает, что полностью оптический процессор, возможно, будет построен из так называемых фотонных кристаллов и квазикристаллов - материалов с периодической структурой, которые могут управлять и манипулировать потоками фотонов. В 1986 г. Э. Яблонович из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе высказал идею создания трехмерной диэлектрической структуры, подобной обычным кристаллам, в которой не могли бы распространяться электромагнитные волны определенной полосы спектра [14]. Такие среды получили название фотонных структур с запрещенной зоной (photonic bandgap) или фотонных кристаллов (photonic crystals). Изучением фотонных кристаллов занимаются во многих странах мира (в том числе и в России), и количество публикаций в зависимости от времени растет по экспоненциальному закону, что свидетельствует о расцвете данного направления [15]. Оценки показывают, что при существующем темпе развития первые фотонно-кристаллические микрочипы могут появиться приблизительно через 10 лет. Рассматривая развитие электронных микрочипов - от момента создания первого процессора фирмой «Intel» в 1970 г. до их повсеместного использования прошло 25-30 лет - можно предположить аналогичную тенденцию и для оптического компьютера.
Структура сайта «Оптоинформатика»
При разработке сайта использовались статический HTML и скриптовой язык Java-script, в качестве Web-сервера - Microsoft IIS. Выбор такого решения объясняется необходимостью размещения на сайте только «статической» информации. При разработке сайта соблюдается баланс между удобством пользования и объемом фактического материала, который размещен на сайте.
В структуру сайта входит целый ряд разделов. На «Стартовой странице» представлена общая информация об оптоинформатике (рис. 1а). Страница «Научные руководители» содержит данные о руководителях проекта (рис. 1б).
Рис. 1. Стартовая страница сайта (а) и его научные руководители (б).
Раздел «Образовательный стандарты» включает проекты требований, предъявляемых к подготовке бакалавров и магистров по направлению «Фотоника и оптоинформатика». В разделе «Лекционные курсы» представлены материалы лекционных курсов, которые читаются ведущими сотрудниками СПбГУ ИТМО и ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова» по проблемам оптоинформатики (рис. 2).
Рис. 2. Лекционные курсы, посвященные оптоинфоматике (а). Внешний вид оптического процессора DOC II, о котором идет речь в одной из лекций (б).
На странице «Экспериментальные практикумы» можно найти данные об экспериментальных практикумах по курсу «Оптоинформатика», проводимых в СПбГУ ИТМО (рис. 3). Публикации ученых СПбГУ ИТМО, ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова» и других образовательных и научных учреждений, которые имеют отношение к оптоинформатике, представлены в разделе «Публикации».
Рис. 3. Экспериментальные практикумы, посвященные оптоинформатике.
Рисунок, поясняющий выполнение лабораторной работы «Увеличение информационной емкости элементов оптической памяти за счет использования объемных голограмм
с наложенной записью»
Страница «Конференции» содержит сведения о конференциях по тематике оптоинформатики. В разделе «Новости» размещаются новости сайта, а также различные новости, связанные с оптоинформатикой. На страницах «Авторы» и «Работа со школьниками» содержится информация об авторах сайта и данные для школьников, увлекающихся оптикой и информатикой.
В дальнейшем планируется расширение позиций сайта, превращение его в научно-образовательный портал, тематика которого бы охватывала смежные научно-образовательные программы, связанные с фотоникой, голографией, оптикой сверхкоротких импульсов, квантовой оптикой и другими направлениями современной оптики, перспективными для применений в информатике. При эволюции сайта в развитый портал планируется использование одной из современных Web-технологий, обеспечивающих динамическую генерацию HTML-страниц.
Сайт «Оптоинформатика» включен в каталог образовательных ресурсов портала «Российское образование» [16].
Заключение
Ввиду актуальности и важности развития научного и образовательного направления «Оптоинформатика» был создан Web-сайт (http://ysa.ifmo.ru/optoinformatics/educational_site/index.html), целиком посвященный этому направлению. На сайте представлены материалы лекционных курсов, читаемых ведущими сотрудниками Университета ИТМО и ВНЦ «ГОИ им. С. И. Вавилова», в том числе по оптическим системам передачи информации, оптическим способам ее хранения и обработки, оптическим технологиям искусственного интеллекта и т.д. На сайте можно найти данные об экспериментальных практикумах по курсам «Оптоинформатика» и «Оптические технологии искусственного интеллекта», которые проводятся в Университете ИТМО. На сайте размещены последние публикации ученых Университета ИТМО и ВНЦ «ГОИ им. С. И. Вавилова», сведения о конференциях по
данной тематике, представлены проекты образовательных стандартов подготовки специалистов, а также последние новости.
Литература
1. Постановление президиума РАН «Об утверждении основных направлений фундаментальных исследований» - приложение к постановлению Президиума РАН от 1 июля 2003 г. №233 // «Поиск» №35(745), 29 августа 2003 г.
2. McAulay A.D. Optical Computer Architectures: the Application of Optical Concepts to Next Generation Computers. N. Y.: John Wiley & Sons, 1991.
3. Беспалов В.Г., Васильев В.Н. Информационные технологии, оптический компьютер и фотонные кристаллы // Проблемы когерентной и нелинейной оптики. СПб, 2000. С. 88-110.
4. Sajeev J., Marian Florescu. Photonic bandgap materials: towards an all-optical microtransistor // J. Opt. A. 2001. V. 3. P. S103-S120.
5. Guilfoyle P.S., McCallum D.S. High-speed low-energy digital optical processors // Opt. Engin. 1996. V. 35. P. A3-A9.
6. Gnauck A. All-Raman-amplified spans transmit at 10 petabit-km/s // Laser Focus World. 2002.V. 38. № 5. P. 11.
7. Mabon M. Soliton solution for longest overland, repeaterless link // Lightwave Europe. 2002. V. 1. №. 3. P. 30-31.
8. Research network goes live // Lightwave Europe. 2002. V. 1. № 5. P. 33 (www.dante.net).
9. Кобаяши К. Тенденции развития волоконно-оптической связи: от высокой емкости к гибкости оптических сетей // Lightwave. Russian edition. 2003. № 1. С. 5.
10. Moore G.E. Progress in digital integrated electronics // IEEE IEDM Tech. Dig. 1975. P. 11-13.
11. Arrathoon R. Optical Computing: Digital and Symbolic. N. Y.: Marcel Dekker, 1989.
12. Feitelson D. G., Optical Computing: A Survey for Computer Scientists. Cambridge: MIT Press, 1988.
13. www.lenslet.com.
14. Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics // Phys. Rev. Lett. 1987. V. 58. P. 2059-2061.
15. Photonic & Sonic Band-Gap Bibliography // http://home.earthlink.net/~jpdowling/pbgbib.html#Y.
16. http://www.edu.ru/index.php7page id=7&q=%EE%EF%F2%EE%E8%ED%F4%EE%F 0%EC%E0%F2%E8%EA%E0.
