Что такое оптоинформатика

1. Что такое оптоинформатика?

ВВЕДЕНИЕ
Что такое оптоинформатика?
«оптоинформатика» -область науки и техники,
связанная с исследованием, разработкой,
созданием и эксплуатацией новых
материалов, технологий, приборов и
устройств, направленных на передачу, запись
обработку и отображение информации на
основе оптических технологий.

2. учебный курс ОСНОВЫ ОПТОИНФОРМАТИКИ

пути развития информационных технологий: пределы электронной
техники и их преодоление на основе оптических альтернатив;
оптическая обработка информации: аналоговые оптические
вычисления, Фурье-голография, голографическая коммутация,
мультиплексирование и демультиплексирование сигналов,
оптическая би- и мультистабильность, цифровая оптическая
обработка сигналов; оптический компьютер: технологии создания и
перспективы применения;
основные источники излучения в оптоинформатике: принципы работы
полупроводниковых лазеров, лазеры на гетероструктурах, лазеры и
усилители на основе квантоворазмерных эффектов, вертикальноизлучающие полупроводниковые лазеры, волоконные лазеры и
усилители, планарные лазеры и усилители;

3. учебный курс ОСНОВЫ ОПТОИНФОРМАТИКИ

передача информации в оптических линиях связи: формирование,
распространение, поглощение и дисперсия световых импульсов в
волоконно-оптических линиях, спектральное и временное
уплотнение информационных потоков, элементная база
оптических линий связи, передача оптических сигналов в
атмосфере и космосе;
фотонные кристаллы: 1-2-3 D, применения, методы изготовления
квантовая криптография и квантовые вычисления: перспективы
использования и ограничения;

4.

№
раздела
Наименование раздела дисциплины
Содержание
Физические и технические пределы
1
Оптические устройства обработки
информации
информационных технологий. Оптические
аналоговые и цифровые информационные
устройства.
Общий обзор и основные параметры
2
Источники излучения для
оптоинформатики
источников излучения для
оптоинформатики. Неполупроводниковые
лазерные источники в оптоинформатике
Основные свойства полупроводников и
Полупроводниковые устройства
оптоинформатики
принципы генерации светового излучения
полупроводниковыми структурами.
Квантоворазмерные полупроводниковые
структуры для оптоинформатики
3
Новые волоконно-оптические системы
Перспективы развития оптических
информационных технологий
и устройства оптоинформатики. Фотонные
кристаллы, квантовые вычисления в
оптоинформатике.

5.

Основы оптоинформатики
Трудоемкость
Лекций,
час.
Семестр
П
Лаборат. рактич.
занятий,
занятий,
час.
ча
с.
Форма
СРС, промежуточного
контроля
час.
(экз./диф.зач./зач.)
зач.
час.
7
4
144
18
18
0
108
Курс. раб., Экз
8
6
216
28
36
0
152
Экз
10
360
46
54
0
260
ед.
Итого:

6.

Лекция 1.
Перспективы развития компьютерных и
информационных технологий
История информационных технологий.
«Вишь ты, – сказал один
другому, – вон какое колесо!
Что ты думаешь: доедет то колесо,
если б случилось, в Москву или
не доедет?»…..
Гоголь Н.В. «Мертвые души»

7.

Информационные технологии (ИТ) - совокупность методов,
производственных и программно-технологических средств,
объединенных в технологическую цепочку, обеспечивающую сбор,
хранение, обработку, вывод и распространение информации.
[www.glossary.ru]
ИТ - этo кoмплeкc взaимocвязaнныx, нayчныx, тexнoлoгичecкиx,
инжeнepныx диcциплин, изyчaющиx мeтoды эффeктивнoй
opгaнизaции тpyдa людeй, зaнятыx oбpaбoткoй и xpaнeниeм
инфopмaции, вычиcлитeльнyю тexникy и мeтoды opгaнизaции и
взaимoдeйcтвия c людьми и пpoизвoдcтвeнным oбopyдoвaниeм, иx
пpaктичecкиe пpилoжeния, a тaкжe cвязaнныe co вceм этим
coциaльныe, экoнoмичecкиe и кyльтypныe пpoблeмы.
[определение ЮНЕСКО]

8.

Развитие речи, языка - объективный процесс в развитии
общества и является первой информационной
революцией на заре формирования человека разумного
(40 тыс. лет до н.э.)
Три тысячи лет до н. э. в Вавилоне возникла клинописная запись
счета (60-ричная). От счёта — к письму
Изобретение и освоение письменности стало
второй информационной революцией
Появление носителя информации — книга (IV в. до
н.э.).
Весь объем информации, заключавшийся в свитках
Александрийской библиотеки можно оценить в 106 – 108
слов или в 0.1…1 Гб и это можно назвать одним из
первых ИТ хранения.

9.

Первая ИТ система обработки информации
Древнеримский абак.

10.

1617 год. Джон Непер (1550 - 1617) создал деревянную
машину для выполнения простейших вычислений –
счетные палочки.
В 1622 году, используя принцип действия этого устройства, Вильям
Оугтред (William Oughtred) разработал логарифмическую линейку,
которая в 19-20 веках стала основным инструментом инженеров.

11. Автопортрет и модель счетного устройства Леонардо да Винчи.

12.

1642 год. Блез Паскаль (1623 – 1662) описал машину для
суммирования чисел.
В 1673 г. немецкий ученый Вильгельм Готфрид Лейбниц (16461716), создает счетную машину. К зубчатым колесам он добавил
ступенчатый валик, позволяющий осуществлять умножение и
деление двенадцатиразрядных десятичных чисел.

13. В дальнейшем петербургским ученым был создан и организован массовый выпуск арифмометров, которые распространились по всему

миру.
Арифмометр Однера
выпуска 1876 г.
Вильгодт Теофил Однер
10 августа 1845
15 сентября 1905

14.

Вычислительная машина Быстрица-2 . Электромеханический
арифмометр. Выпускался в 60-70 г.г.

15.

Первый компьютер
1834 г.
Машина Баббиджа
25 тыс. деталей
17470 ф.с.
Чарлз Баббидж (1791-1871)

16.

Достижения: стоял у истоков
информатики, один из основателей
теории искусственного интеллекта,
стоял у истоков программирования,
первый в мире хакер.
«On Computable Numbers, with an
Application to the Entscheidungsproblem»
1936 (Машина Тьюринга)
“Bombe” 1942 г. Мех. Реле.
“Colossus” 1500 электронных
ламп (2500 в Colossus Mark II)
«Вычислительные машины и
разум» (Computing Machinery and
Intelligence) 1950 г. (Тест Тьюринга)
Полученная модель вычислений, в которой
каждый алгоритм разбивался на
последовательность простых, элементарных
шагов, и была логической конструкцией,
названной впоследствии «машиной
Тьюринга».
23.06.1912 – 7.06.1954
Алан Тьюринг

17.

Полная функционирующая копия машины «Bombe» в Блэтчли-парке

18. Конрад Цузе (1910-1985)

Основные характеристики Z1
Конрад Цузе (19101985)
Реализация
Тонкие металлические пластины
Частота
1 Гц
Вычислительный
блок
Обработка чисел с плавающей запятой,
длина машинного слова — 22 бита
Средняя скорость
вычислений
Умножение — 5 секунд
Ввод данных
Клавиатура, устройство считывания с
перфоленты
Вывод данных
Ламповая панель (десятичное
представление)
Память
64 слова по 22 бита
Вес
Около 500 кг

19.

В 1948 году в США и Европе вышла
книга американского математика
Н. Винера «Кибернетика или
Управление и связь в животном и
машине»
Норберт Винер(1894-1964)

20.

«1) Центральные суммирующие и множительные устройства должны быть
цифровыми, как в обычном арифмометре, а не основываться на измерении, как в
дифференциальном анализаторе Буша.
2) Эти устройства, являющиеся по существу переключателями, должны
состоять из электронных ламп, а не из зубчатых передач или
электромеханических реле. Это необходимо, чтобы обеспечить достаточное
быстродействие.
3) В соответствии с принципами, принятыми для ряда существующих машин
Белловских телефонных лабораторий, должна использоваться более
экономичная двоичная, а не десятичная система счисления.
4) Последовательность действий должна планироваться самой машиной так,
чтобы человек не вмешивался в процесс решения задачи с момента введения
исходных данных до снятия окончательных результатов. Все логические
операции, необходимые для этого, должна выполнять сама машина.
5) Машина должна содержать устройство для запасания данных. Это устройство
должно быстро их записывать, надежно хранить до стирания, быстро
считывать, быстро стирать их и немедленно подготавливаться к запасанию нового
материала.» Норберт Винер, лето 1940 г.

21.

ENIAC – первый цифровой ламповый компьютер
Electronic Numerical Integrator and Computer 1944
18000 электронных ламп
70000 резисторов
160 кВт потребляемая
мощность
John Presper Eckert
John Presper Eckert
(1919-1995)
John W. Mauchly
(1907-1980),

22.

Основатели цифровой компьютерной техники
1906 год. Ли Ди Форест (Lee DeForest) запатентовал вакуумный триод
Джон Фон Нейман (1903-1957)
Electronic Discrete Variable
Automatic Computer (EDVAC) 1945 г.

23.

Первый германиевый транзистор
William Shockley, John Bardeen and Walter Brattain at Bell
Laboratories 1947

24.

Первая планарная интегральная схема 1961 г.
25 мкм
ЭМ изображение 48 нм
компланарной пары
транзисторов
~10 нм между структурами и
~15 нм металл. контакт.
Intel’s 10 nm technology
2017 г.

25.

Прогноз Гордона Мура в 1965 г.
N = exp(X – 1959)-1
N – число компонентов на интегральной схеме
X – года
Удвоение числа компонентов каждый год

26.

Прогноз Гордона Мура в 1975 г.
Число транзисторов
Данные 1965 г.
Данные 1975 г.
Прогноз

27.

2010
2017
8 00 000 000
10 нм

28.

29.

Single-chip Cloud Computer
48 ядер 4 DDR3

30.

31.

Цифровой оптический компьютер лаб. Белла 1989 г.
Laser Focus World, 1990, V. 26, P. 53-54.

32.

SPIE Vol. 3003 • 0277-786X
http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=918667

33.

Внешний вид оптического процессора DOC II
Guilfoyle P.S., McCallum D.S.
High-speed low-energy digital optical processors.
// Optical Engineering, 1996, V. 35, P. A3-A9.

34.

Оптический процессор EnLight256
Производительность – 8 Тфлопс; способен в реальном времени обрабатывать
до 15 видеоканалов стандарта HDTV, используется для распознавания голоса,
человеческих лиц, обработки изображений в реальном времени.

35.

Голографическое устройство записи и считывания информации
Akonia Holographics
Голографическая технология
хранения данных в настоящее
время удерживает мировой рекорд
плотности записи 2,2 Тбайт/дюйм2

36.

Использование фемтосекундных импульсов
для систем спектрального уплотнения
Фемтосекундный п/п
лазер на квантовой точке
400 фс, 50 мВт

37.

Фемтосекундные оптические
переключатели

38.

Оптическая нейронная сеть
Yichen Shen et al. Deep learning with coherent nanophotonic circuits.
Nature Photonics (2017) doi:10.1038/nphoton.2017.93

39.

Korner Th., Priebe S. Towards THz Communications –
Status in Research, Standardization and Regulation. –
Journal Infrared MilliTerahz Waves, 2013.

40.

Оптические компьютеры будущего может работать в 100 000 раз
быстрее электронных
F. Langer, M. Hohenleutner,
U. Huttner, S. W. Koch, M.
Kira, R. Huber. Symmetrycontrolled temporal structure
of high-harmonic carrier fields
from a bulk crystal. Nature
Photonics, 2017; DOI:
10.1038/nphoton.2017.29
ТГц импульс в кристалле
GaSe

41.

Прогресс вычислительной
техники
Электронные лампы
Интегральные
Механические
схемы
Транзисторы
Электромеханические
Source: Kurzweil, The Age of Spiritual Machines, pp. 22-25

42.

В 1976 году Курцвейл создал устройство, которое сканировало
текст и зачитывало его вслух, прибор был призван облегчить
жизнь слабовидящим людям.

43.

Курцвейл является изобретателем первого сканера планшетного типа
CCD, создателем устройства для оптического распознавания символов,
первой читающей машины для слепых, первого речевого синтезатора;
первого музыкального синтезатора, способного воспроизводить звуки
рояля и других оркестровых инструментов, и создатель первых
устройств распознавания речи. Автор бестселлеров The age of intelligent
machines — 1990, The 10% solution for a healthy life -1993, The age of
spiritual machines – 1998, The singularity is near — 2005, Как создать
разум (“How to create a mind”- 2012, основал (вместе с Google и NASA)
Singularity University

44.

45.

Source: Kurzweil, The Age of Spiritual Machines (1999)

46.

Future Predictions
2019
A $1,000 personal computer has as much raw power as the human brain.
The summed computational powers of all computers is comparable to the
total brainpower of the human race.
2029
A $1,000 personal computer is 1,000 times more powerful than the
human brain.
The vast majority of computation is done by computers.
2099
The human brain has been completely reverse engineered and all aspects
of its functioning are understood.
Natural human thinking possesses no advantages over computer minds.
Thousands of years from now
"Intelligent beings consider the fate of the Universe." Presumably, this
means that the A.I.s created by humans will have the ability to control
the entire Universe, perhaps keeping it from dying.
Source: Kurzweil, The Age of Spiritual Machines (1999)

47.

48.

Фильм и книга 2010 г.

49.

50.

51.

8 Прогнозов От Рэй Курцвейла
29 мая 2017
8. Повсеместный Доступ В Интернет
7. Астероид не убьет нас.
В течение нескольких десятилетий, космические технологии смогут
в полной мере защитить Землю от столкновения с астероидами.
“Мы не видим [... большой астероид] на горизонте, - пишет он в
Цинь и это практически не вызывает сомнений, что такая опасность
возникает, наша цивилизация будет легко уничтожить незваного
гостя прежде, чем он уничтожит нас.”
6. Не волнуйтесь о болезни
Большинство болезней исчезнет к 2020 г. Мы будем в состоянии
перепроектировать мозг исправить неврологические проблемы (экс.
Паркинсона, Альцгеймера, инсульт). Нанороботы будут не только
существовать, но быть достаточно умным для борьбы с болезнями
лучше, чем наши нынешние медицинские технологии.

52.

5. Виртуальная Реальность = Реальность
К концу 2020-х годов, его будет невозможно отличить реальность от
виртуальной реальности. Последствия этого бесконечны, но одна из
вещей, Курцвейл упоминает в Цинь как это повлияет на вашу
сексуальную жизнь.
4. Компьютеры Очень Скоро Превзойдут Людей
К 2029 году компьютер пройдет тест Тьюринга.
3. Люди Станут Машинами
К началу 2030-х годов, технология сможет копировать человеческий
мозг и поставить их на электронные механизмы. «только
сосканируй свой мозг на машину и это позволит людям принимать
любую форму..»
2. Земля будет состоять из компьютеров
К 2045 г., наша планета станет полностью состоять из компьютеров.
За исключением некоторых заповедники для толпы плебеев,
которые хотят жить в “естественном состоянии”. Дураки.
1. Вселенная будет суперкомпьютер
К 2099, машины будут создавать планеты-ЭВМ…

53.

54.

55.

The D-Wave Quantum Computer
Система содержит 1000 кубитов и более
3000 межсоединений. Для достижения такого масштаба процессор содержит
более 128,000 Джозефсоновских контактов - это наиболее сложные
интегрированные сверхпроводниковые микросхемы.

56.

Google и NASA запускают квантовый компьютер Q2000,
который должен превзойти лучшие суперкомпьютеры мира.
1 марта, 2017(Quantum Artificial Intelligence Lab Run by
Google, NASA, and Universities Space Research Association)