Компьютерра, 2005 № 25-26 (597-598) - [16]

Информационная инженерия?..

- Если хотите. Зная, что физические процессы обрабатывают информацию, можно поставить вопрос о «конструировании» процессов, специально организованных для осуществления необходимых нам вычислений. Уже из самой постановки задачи ясно, что строить мы будем не обычный вычислитель с локально хранимыми «ноликами» и «единицами». Более того, мы вообще можем не привязываться к двоичной форме кодирования информации.

Не может быть, чтобы эти мысли не приходили в голову инженерам. Все-таки они очень изобретательный народ… Неужели никто не пытался конструировать вычислительные машины «из процессов»?

- Такие работы проводились. Вероятно, первыми процессами, позволившими построить пригодные для практического использования вычислители, явились процессы интерференции оптических и акустических волн. На их базе в нашей стране и за рубежом в 80-е годы были изготовлены и испытаны многочисленные устройства, реализующие довольно сложные алгоритмы фильтрации изображений, обработки радиолокационных сигналов, распознавания образов и даже операций линейной алгебры. Эти устройства уже тогда демонстрировали чрезвычайно высокие показатели, зачастую и сегодня еще не достигнутые цифровыми вычислителями сопоставимых габаритов и массы.

Например, в акустооптических анализаторах спектра удалось реализовать алгоритм быстрого вычисления преобразования Фурье, что позволило создать беспоисковые спектроанализаторы и перехватчики моноимпульсных излучений систем скрытой связи[Гусев О.Б., Кулаков С.В. и др., «Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени». - М.: Радио и связь, 1989]. При этом вычислители работали с частотами входного сигнала до 10 ГГц. А специализированные акустооптические процессоры для перемножения матриц, вектора и матрицы, тройного перемножения матриц[Так называемые оптические матричные систолические процессоры] еще двадцать лет назад имели производительность порядка 5х1010 парных операций умножения и сложения в секунду[Кейсесент Д., «Акустооптические процессоры для операций линейной алгебры: архитектура, алгоритмы, применение»//ТИИЭР, Т. 72, 1984].

Почему же они не стали массовым инструментом вычислений?

- Потому что на основе только интерференционных процессов и классической линейной оптики (в том числе и акустооптики) не удалось создать устройства, способные запоминать и использовать результаты предыдущих вычислений. Анализ причин неудачи позволил понять чрезвычайно важное обстоятельство: оптический тракт вычислителя, будучи линейной системой без диссипации энергии, принципиально не способен реализовать функции динамического запоминания. Для реализации этих функций необходимы нелинейные оптические среды с подводом энергии[Пастушенко В.Ф., Маркин В.С., Чизмаджаев Ю.А., «Теория возбудимых сред». - М.: Наука, 1981].

Вот так «в жизнь» конструкторов вычислительной техники вошла нелинейная динамика…

- Я бы не сказал, что конструкторы сильно этому обрадовались и сразу ухватились за эту возможность. Они же не физики, а инженеры…

А вот физики за сравнительно короткое время нашли множество разнообразных физических сред, которые при определенных условиях порождают и поддерживают существование устойчивых неоднородностей - своего рода «объектов», способных перемещаться в пределах среды, взаимодействовать друг с другом и структурно эволюционировать.

Разновидностями этих динамических неоднородностей, в частности, являются устойчивые образования, напоминающие стоячие волны, но имеющие другую физику, - солитоны и автосолитоны. Так, например, в оптических резонаторах Фабри-Перо, построенных на основе ряда нелинейных сред, при условии их возбуждения внешним источником энергии, удалось получить так называемые дифракционные автосолитоны - устойчивые пространственные области высокой плотности электромагнитного поля[См. например: Розанов Н.Н., Ходова Г.В., Письмо в журнал «Оптика и спектроскопия», 1988, Т. 65]. Нелинейность среды «отвечает» за изменение коэффициента поглощения или показателя преломления в местах дифракционных максимумов поля, после чего возникающие периодически расположенные области с измененными оптическими свойствами начинают выполнять роль распределенного резонатора, выделяя и усиливая те пространственные компоненты поля, которые порождают автосолитон.

Успех этих экспериментов открыл принципиальную возможность строить оптические вычислители на основе динамических дифракционных структур (тех же автосолитонов!), обладающих способностью хранить в своей структуре как информацию о входных воздействиях, так и о своих предыдущих состояниях. Еще раз подчеркну: такой вычислитель «конструктивно» представляет собой не устройство, а процесс - динамически поддерживаемую суперпозицию явлений возбуждения и затухания в нелинейной оптической среде. Физики знают обо всех этих вещах еще с середины прошлого века, но они же физики, а не инженеры…

Много ли сегодня мы знаем физических процессов, на основе которых можно пытаться сконструировать принципиально новые устройства обработки данных?

- Очень много: это плазма высокочастотного газового разряда[Кадомцев Б.Б., «Коллективные явления в плазме». - М.:, Наука, 1976] (порождает статические или подвижные области ионизации и излучения - страты); в сверхпроводниках[Гуревич А.В., Минц Р.Г., «Тепловые автоволны в нормальных металлах и сверхпроводниках». - М.: изд. ИВТ АН СССР, 1987] наблюдаются автосолитоны, представляющие собой области с активным сопротивлением, окруженные сверхпроводящими «оболочками»; в магнитных материалах обнаружены бегущие магнитные домены и вихревые структуры (линии Блоха и ряд других).