ВВЕДЕНИЕ Что такое оптоинформатика оптоинформатика -область науки и

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.

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;

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;

№ раздела Наименование раздела дисциплины Содержание Физические и технические пределы 1 Оптические устройства обработки 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 3 принципы генерации светового излучения полупроводниковыми структурами. Квантоворазмерные полупроводниковые структуры для оптоинформатики Новые волоконно-оптические системы Перспективы развития оптических информационных технологий и устройства оптоинформатики. Фотонные кристаллы, квантовые вычисления в оптоинформатике.

Основы оптоинформатики Трудоемкость Лекций, час. Семестр П Лаборат. рактич. 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:

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»

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]

Развитие речи, языка - объективный процесс в развитии общества и является первой информационной революцией заре формирования человека разумного на (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.

Первая ИТ система обработки информации Древнеримский абак.

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.

Автопортрет и модель счетного устройства Леонардо да Винчи.

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.

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

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

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

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

Полная функционирующая копия машины «Bombe» в Блэтчли-парке

Основные характеристики Z 1 Реализация Частота Умножение — 5 секунд Ввод данных Клавиатура, устройство считывания с перфоленты Вывод данных Ламповая панель (десятичное представление) Память 64 слова по 22 бита Вес Обработка чисел с плавающей запятой, длина машинного слова — 22 бита Средняя скорость вычислений 1985) 1 Гц Вычислительный блок Конрад Цузе (1910 - Тонкие металлические пластины Около 500 кг

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)

« 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.

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

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

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

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.

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

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

2010 8 00 000 2017 10 нм

Single-chip Cloud Computer 48 ядер 4 DDR 3

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

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

Внешний вид оптического процессора DOC II Guilfoyle P. S. , Mc. Callum D. S. High-speed low-energy digital optical processors. // Optical Engineering, 1996, V. 35, P. A 3 -A 9.

Оптический процессор En. Light 256 Производительность – 8 Тфлопс; способен в реальном времени обрабатывать до 15 видеоканалов стандарта HDTV, используется для распознавания голоса, человеческих лиц, обработки изображений в реальном времени.

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

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

Фемтосекундные оптические переключатели

Оптическая нейронная сеть Yichen Shen et al. Deep learning with coherent nanophotonic circuits. Nature Photonics (2017) doi: 10. 1038/nphoton. 2017. 93

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

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 Ga. Se

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

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

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

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

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)

Фильм и книга 2010 г.

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.

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…

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.

Google и NASA запускают квантовый компьютер Q 2000, который должен превзойти лучшие суперкомпьютеры мира. 1 марта, 2017(Quantum Artificial Intelligence Lab Run by Google, NASA, and Universities Space Research Association)