עיבוד מידע אופטי: עבר הווה ועתיד

עיבוד נתונים אופטי הוא שיטה יעילה מאד בגלל היכולת להעביר כמות מידע הרבה יותר גדולה כאשר אפנון המידע מתבצע על גל-נושא אופטי (כוון שהתדר של פוטון גבוה בכ- 5 סדרי גודל לעומת תדר של גלי רדיו ומיקרוגל) וכן ביכולת לפתח יחידת עיבוד הפחות רגישה לרעשי השראות אלקטרו-מגנטיים (Electromagnetic and radio frequency interference) כמו גם מבחינת צריכת ההספק המוקטנת (הקטנה ניכרת בכמות ההספק המומר לחום אותו יש לפזר).

התחום קיבל תנופה משמעותית עם ההמצאה של הלייזר בתחילת שנות ה- 60. הלייזר מהווה מקור אור המייצר חזית גל קוהרנטית כלומר כיוונית ואחידה לאורך זמן ובצבע אור מוגדר וחד (מונוכרומטי). התנופה הגיעה בעיקבות זה שתאורת לייזר איפשרה לממש התמרת פוריה (Fourier  Transform) מרחבית תוך שימוש בעדשות ובקידום או במרחב חופשי. כוון שהתמרת פוריה מהווה פעולה מתמטית היושבת בבסיס החישוב של הרבה מאוד מערכי עיבוד אות, העתיד ניראה מאוד מבטיח. הכיוון הכי פופלרי היה המימוש של קורלטור אופטי בשם VanderLugt שהיה בנוי משתי עדשות המרוחקות זו מזו מרחק של סכום אורכי המוקד שלהן ושהוצע לראשונה ב- 1963. קורלציה הינה פעולה המשמשת בהשוואה ובזיהוי של אותות ועל כן התיקווה הייתה להשתמש בקורלטור זה לזיהוי פרצופים וצורות. בהמשך, בשנות ה-70 וה-80 הקורלטור וטרנספורמטור הפוריה האופטי השתכללו ומגוון רחב של מערכים מרחביים של עיבוד אות אופטי הוצעו כשכולם מבוססי אופטיקה לינארית של עדשות [1,2]. מערכים אלו יכלו לתת חישוביות אופטית המממשת כל טרנספורמציית תמונה לינארית (מבוססת על מכפלה של וקטורים ומטריצות). היתרון העיקרי של החישוב האופטי היה כמות החישוב הניתנת לעשיה בבת אחת. בגלל שהחישוב היה באופטיקה מרחבית, החישוב היה מקבילי ולא טורי כמו המעבדים האלקטרוניים של היום. לפיכך, חישוב הכולל ביצוע התמרת פוריה של מיליוני נקודות (פיקסלים) במקביל היה ניתן לעשות בזמן שלוקח לאור לעבור דרך מערכי העדשות של המעבד האופטי (בפחות ממיליארדית השנייה גם עבור מערכים בגודל של סנטימטרים רבים).

הבעיה המרכזית של מחשבים אופטיים אלו הייתה כפולה. ראשית, הם כאמור יכלו לממש רק פעולות חישוב המבוססות על כפל מטריצות ווקטורים ולכן לא היו מעבד גנרי (כלומר יכול לפתור כל סוג בעית חישוב שהוא) כמו שה CPU של המחשב הנייד שלנו כיום יכול להיות. ושנית, הבעיה היותר משמעותית הייתה הממשק של המעבד האופטי לעולם החיצוני והאלקטרוני. כדי להזין תמונות משתנות למעבד וכדי להחליף את המטריצה שבה תמונת הכניסה מוכפלת היה צורך במאפנני אור מרחביים. מאפננים אלו הקיימים במקרנים של היום עובדים בקצב וידאו לערך ולכן קצב הזנת המידע לתוך המעבד היה יחסית איטי אל מול קצב העיבוד של המעבדים הטוריים האלקטרוניים הקיימים כיום ואשר עובדים בקצבים של מיליארדי פעולות בשניה. כמו כן, המעבדים האופטיים המרחביים היו יחסית גדולים ומגושמים.

קפיצת מדרגה נוספת בעיבוד האופטי חלה בשנות ה-90 עם ההתפתחות של טכנולוגיות הייצור והזיווד של האופטיקה שאיפשרו לייצר את המעבד מבוסס העדשות של שבב אופטי קטן ומשולב (integrated), שהקטין משמעותית את גודלו והפך אותו דומה יותר בצורתו למעבד החשמלי. ההתפתחות של תחום ה Silicon Photonics איפשרה בשנות ה-2000 לשלב את המעבד האופטי בשבבי הסיליקון מה שפתר שתי בעיות בו זמנית. ראשית, המעבד האופטי כבר לא נידרש להיות גנרי כי הוא עבד באותו השבב בו מומש גם המעבד האלקטרוני ולכן מטרתו של המעבד האופטי היתה מעתה רק לפתור צווארי בקבוק בפעולות עיבוד מסוימות וקשות במיוחד. שנית, פיתוח המאפננים האופטיים בסיליקון איפשר הזרקת מידע מאוד מהירה ושיפור הממשק הקיים בין האופטיקה לאלקטרוניקה.

קפיצה נוספת ביכולות המעבד הפוטוני קרתה בעשור האחרון עם ההתפתחות של תחום החישוב בעזרת רשתות ניורונליות. רשתות אלו המדמות את מבנה המח האנושי מאפשרות לבנות מעבד הבנוי מסכימה בין מספר ערוצי מידע הממושקלים במשקלים הניתנים לשינוי ואז הסכום מועבר דרך פונקציית החלטה לא לינארית כדוגמת פונקציית סף. מבנה מתמטי כזה של מעבד מאפשרת גמישות חישובית רבה שכן הוא מאפשר את האימון שלו בקביעת המשקולות ולאחר האימון המעבד יכול להיות מופעל לפתרון בעיות שעל בסיסן הוא אומן. היתרון הוא שמבנה כזה של מעבד הוא מצד אחד גנרי מספיק ומצד שני יכול להיות ממומש בארכיטקטורה מזוודת וקומפקטית. לדוגמא תוך שימוש בסיבים מרובי ליבות שיאפשרו את אותה סכימה ממושקלת של ערוצי מידע [3].

דחף משמעותי של הבשלה הנדסית הגיע מתחום התקשורת האופטית שכבר כיום כוללת מאפנני אור מהירים מאוד העובדים בקצבים של עשרות מיליארדי ביטים בשניה והיכולים להתחבר לסיבים אופטיים (כמו בתקשרות אופטית). כלומר ממשק בין מאפנני אור מבוססי סיבים הבאים מתחום התקשורת אופטית לבין סיבים מרובי ליבות יכול לממש רשת חישוב ניורונלית מהירה מאוד. כמובן שהבשלת תחום הייצור של הסיבים האופטיים בשנים האחרונות הכוללת יכולת ייצור של סיבים מרובי ליבות סיב המכונים סיבי גבישים פוטוניים Photonic Crystal Fibers (PCF) , עזרה מאוד לבניית קונפיגורציות עיבוד מסוג זה.

בקונפיגורציה שכזו פונקציות המשקול המשתנות בתהליך הלימוד והאימון של הרשת יכולות להיות ממומשות ע"י ליבות סיב שעברו סימון בחומר כמו ארביום  (Erbium) המאפשר לשלוט בקבוע ההגבר של האור שנושא את המידע ואשר עובר דרך הליבה הנתונה, בעזרת פקודת אור אחרת  הניתנת באורך גל אחר. מימושים מסוג כזה בהם נוצר חישוב אופטי גנרי ומתכוונן בקצבים גבוהים מאוד עם יכולת מימשוק מצוינת לעולם החיצוני והאלקטרוני, תוך שימוש בהבשלה הטכנולוגית שקרתה בתחום התקשורת האופטית, הוא מבטיח מאוד ומצייר עתיד וורוד לדיסיפלינה של עיבוד מידע אופטי.

השימוש באור מאפשר גם הכנסת בטיחות מידע ברמה של הפוטון מה שניקרא Physical Layer Encryption במודל רשת התקשורת [4], מה שמגדיל את האטרקטיביות של כוון זה אף יותר לאור החשיבות הגבוהה לבטיחות מידע בחומרה ובתוכנה. השיפורים העתידיים בתחום זה ימשיכו לקרות תוך פיתוח רכיבי עיבוד היברידיים המשלבים פעולות עיבוד אופטיות יחד עם אלקטרוניות תוך שימוש בפוטוניקת סיליקון יחד עם סיבים אופטיים מיוחדים ותוך מתן מענה לא רק לקצבי עבודה גבוהים אלא להורדה משמעותית של צריכת הספק, מרכיב שהופך מרכזי יותר ויותר בהקשרים של נושא הקיימות וההתחממות הגלובלית. שילוב עתידי של צורות עיבוד המבוססות של חישוב קוונטי אופטי ניבדקות כבר היום באקדמיות השונות בעולם ויכולות להוות קפיצת מדרגה נוספת ביכולות החישוביות שייושם לפחות לסוג בעיות חישוב הדורשות קישוריות גבוהה בין מרכיבי הרשת החישובית.

המאמר נכתב ע"י פרופ' זאב זלבסקי, הפקולטה להנדסה, אוניברסיטת בר-אילן

מקורות:

1. D. Mendlovic, Z. Zalevsky, G. Shabtay and U. Levy, “Fourier Data Processing in Optics,” Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, Ed. J. G. Webster, John Wiley and Sons (Sep. 2003).
2. Z. Zalevsky, D. Mendlovic and G. Shabtay, “Transformations in optics: Novel perspectives, approaches, applications and implementations,” J. of Opt. & Quant. Elect. 34, 1175-1181 (2002).
3. E. Cohen, D. Malka, A. Shemer, A. Shahmoon, Z. Zalevsky and M. London, “Neural networks within multi-core optic fibers,” Sci. Rep. 6, 29080, Nature Publishing Group (2016).
4. E. Wohlgemuth, Y. Yoffe, T. Yeminy, Z. Zalevsky and D. Sadot, “Demonstration of Coherent Stealthy and Encrypted Transmission for Data Center Interconnection,” Opt. Exp. 26, 7638-7645 (2018).