22

OPTIKAI ANALOGIKAI SZÁMÍTÓGÉP Gábor Dénes analóg információ-elméletének és Nobel-díjas holográfiai felfedezéseinek alkalmazása a hazai fejlesztésű POAC számítógép kidolgozásában.: 

OPTIKAI ANALOGIKAI SZÁMÍTÓGÉP Gábor Dénes analóg információ-elméletének és Nobel-díjas holográfiai felfedezéseinek alkalmazása a hazai fejlesztésű POAC számítógép kidolgozásában. Tőkés Szabolcs, Orzó László, Ayoub Ahmed, Roska Tamás MTA SZTAKI Analogikai és Neurális Számítások Laboratóriuma A POAC angol betűszó a következő kifejezések szavainak rövidítéséből keletkezett: Programmable Optoelectonic Analogic Computer (programozható opto-elektronikus analogikai számítógép) vagy másképpen: Programmable Optical Array Computer (programozható optikai tömbprocesszor).

Áttekintés: 

Az MTA SZTAKI Analogikai Számítások Laboratóriumának Optikai Számítógép csoportjában jelentős eredményeket értek el egy új elvű optikai számítógép kidolgozásában, melyek Gábor Dénes sokrétű munkásságának eredményein alapulnak és azok gyakorlati továbbfejlesztését jelentik. Gábor Dénes nemcsak a holográfia területén ért el maradandó eredményeket, hanem többek között az információelmélet és a jelfeldolgozás analóg változatának kidolgozásában (lásd: Dennis Gabor: Theory of communication, Journal of the Institution of Electrical Engineers, Vol. 93, Part III, 1946, pp. 429-457). Információ-elméleti eredményeit két évvel korábban publikálta, mint Claude Shannon (Shannon, C. E.: A Mathematical Theory of Communication, Bell System Technical Journal, Vol. 27 (1948), 379-423, 623-656). Gábor Dénes elmélete nem a híres Shannon féle digitális alapú elmélet egyszerű megelőlegezése, mert ő teljesen más nézőpontból vizsgálta a kommunikációt. Nem digitálisan, azaz bitekre bontva kezeli az átviendő információt, hanem analóg jelekként. Gábor Dénesnek az optikai hullámfront információ tartalmának leírásában elért eredményei fontos hozzájárulást adtak az optikai információ feldolgozás és átvitel elméletéhez és gyakorlatához. Áttekintés

Áttekintés: 

Gábor megfogalmazta a határozatlansági reláció róla elnevezett változatát (a Gábor határozatlansági elvet), mely kimondja, hogy valamely jelnek a helye (ideje, lokalizációja) és frekvencia tartalma egyidejűleg nem határozható meg pontosabban mint 1 logon, azaz f .t  1, ahol t a jel helyének, f pedig frekvenciájának bizonytalansága. Kidolgozta az un. Gábor függvényt, mely optimálisan bontja fel és kódolja a jel-függvényt. Ebből fejlődött ki a wavelet matematikai diszciplína, mely ma a jel- és képfeldolgozás (beleértve a vizuális cortex modelleket is) sikeres eszköze. Gábor Dénesnek az optikai hullámfront információ tartalmának leírásában elért eredményei fontos hozzájárulást adtak az optikai információ feldolgozás és átvitel elméletéhez és gyakorlatához. Áttekintés

Miért is van szükség optikai analóg processzorokra a mikroelektronikai technológián alapuló digitális számítógépek minden előzetes várakozást felülmúló sikerei ellenére? : 

Az elektronikus digitális számítógépek valójában csak soros, időben egymást követő elemi bináris műveleteket képesek elvégezni, és ezekből építik fel a legbonyolultabb műveleteket és programokat is. Ezeknek a soros műveleteknek a párhuzamossága – a párhuzamos csatornák száma - a szó hosszával egyezik meg (ez lehet pl. 8 vagy 16, 32, 48 vagy 64 bit). Ezzel szemben optikailag egyidejűleg akár 107 csatornán (pixelen) végezhetünk műveleteket, ahol minden egyes csatorna 1-1 byte-ot kezelhet. A műveletek elvégzésének elvi korlátját a fény terjedési sebessége szabja meg. Miért is van szükség optikai analóg processzorokra a mikroelektronikai technológián alapuló digitális számítógépek minden előzetes várakozást felülmúló sikerei ellenére?

Célkitűzés: 

A POAC kutatása és fejlesztése a Gábor Dénes-díjas és Bolyai-díjas Roska Tamás celluláris nemlineáris/neurális hálózat univerzális számítógép (CNN-UM) elvének optikai megvalósítása céljából kezdődött. A munka során kiderült, hogy feltétlenül szükség van a holográfia dinamikus változatának és Gábor Dénes analóg információ-elméletének felhasználására. Elvárások: Valós idejű tárgy felismerésre, követésre és képfeldolgozásra van szükségünk. A pillanatnyilag létező optikai számítógépek ugyan rendelkeznek a kellő sebességgel, de nem programozhatóak könnyen, rugalmasan ilyen feladatok végrehajtására. A Celluláris Neurális hálózaton alapuló univerzális gép (CNN-UM) VLSI változata cellánkénti optikai bemenettel kitűnő megoldást nyújt, azonban az optikai változat lényegesen nagyobb felbontású, miközben integráns részeként tartalmazza a vizuális VLSI CNN-UM csipet is. Ezen túlmenően a CNN paradigma egy keretrendszert is nyújt az optikai számítógépek programozásához. Célunk egy keretrendszer meghatározása és egy ezen elveken alapuló nagyteljesítményű programozható elektro-optikai analogikai CNN (POAC) számítógép megépítése. Célkitűzés

Összefoglalás: 

Összefoglalás Új programozható opto-elektronikai analóg CNN (POAC) számítógép architektúrát dolgoztunk ki, amely egyesíti az általunk felfedezett radikálisan új, rugalmasan programozható optikai korrelátort a VLSI CNN chippek előnyeivel. Mind a bevezetett optikai korrelátor architektúra - mellyel nagy szomszédságú lokális műveletek is végrehajthatók - mind ennek a kombinálása egy párhuzamos működésű, programozható szenzor tömbbel (CNN) alapvetően új elképzelések. Rendszerünkben hazai fejlesztésű bakteriorhodopszin filmet használunk dinamikus holografikus anyagként. Az új optikai korrelátor jobb képességekkel rendelkezik (programozhatóság, sebesség, párhuzamosság) mint bármely eddig ismert architektúra. Megépítettük ennek a berendezésnek egy modelljét. A modell segítségével demonstrálni tudtuk a rendszer képességeit egyszerű alakfelismerési, illetve bonyolultabb adaptív céltárgy felismerő és követő algoritmusokban.

Az új optikai korrelátor architektúra: 

2. Template (felismerendő minta) Lencse Lencse Koherens Lézer nyaláb f f f f Kiolvasó nyaláb Hologram P3 1. Template (felismerendő minta)/ egy képpont Bemenő kép Kimenet Rendszerünkben a bemenő kép és a referencia tárgy/vagy egy képpont hologramja dinamikusan van rögzítve, amint az megszokott a csatolt Fourier transzform korrelátoroknál (JTC), de a 2. template által modulált kiolvasó nyaláb további műveletvégzési lehetőséget nyújt. Mivel a kiolvasás során már nincs szükség fény-elektromos átalakításra, így nagyon nagy sebességek érhetőek el. Az új optikai korrelátor architektúra

A megépített félig inkoherens optikai CNN (POAC) architektura: 

A megépített félig inkoherens optikai CNN (POAC) architektura Író lézer Olvasó lézer 2D AO deflektor Nyaláb tágító CNN-UM Detektor Bemenő kép (LCD) BR Dinamikus holographikus rögzítő anyag Tükör Félig áteresztő tükör Leképező lencse Fourier Transzformáló lencse Hologram rögzítő fázis Kép rekonstrukciók: nagy sebességű korrelogram meghatározó fázisok Kísérleti berendezésünk a müveleteket (korrelációt) két egymás utáni lépésben határozza meg. Nyaláb tágító Tükör

A kísérleti POAC rendszer fényképe: 

A kísérleti POAC rendszer fényképe Bár a jelenlegi rendszer mérete még nagy a későbbiekben ez csökkenthető akár 20x30x40cm méretre is.

Az optikai CNN implementáció előnyei: 

Az optikai CNN implementáció előnyei Nincs szükség a használt templatek bonyolult előfeldolgozására, szemben a Fourier szűrőkön alapuló VanderLugt korrelátorokkal, de egyszerű előfeldolgozással javítható a korrelációs csúcsok szétválaszthatósága. Mivel a korrelátor félig inkoherens módon működik, így a megjelenő koherens (szemcse) zaj csökken. Minden hologram rögzítési lépés után nagy számú rekonstrukciós lépés következhet és így sok templattel való korreláció határozható meg nagyon nagy sebességgel. A korrelátor kevésbé érzékeny a megjelenő fázis hibákra és az optikai elemek pontos pozizionálására, mint más korrelátorok. A korrelátor koherens optikai változatában a korrelogram optikai utófeldolgozásával (térfrekvencia szűréssel), ami a párhuzamosság teljes mértékű fenntartásával történik, jelentősen növelhető a korreláció diszkriminációs képessége.

Bakteriorhodopszin : 

Bakteriorhodopszin A bakteriorhodopszin (BR) a halobacterium (Halobacterium Halobium) stabil membrán fehérjéje. A Szegedi Biológiai Központban készült. Ez proton pumpaként szolgál, mely a fény energiáját hasznosítja. A fény elnyelése (irás) után lokálisan megváltozik a fényelnyelő képesség (szín) és a törésmutató is egy előre beállítható időtartamig (0.5sec- 1sec). Ezt a tulajdonságát kihasználva dinamikus holografikus memóriaként lehet alkalmazni. Felbontóképessége nagyon nagy: >5000 vonal/mm). A POAC rendszerben bakteriorhodopszin filmet használunk dinamikus holografikus rögzítő anyagként.

A kísérleti berendezéssel mért kisérleti korrelációs csúcsok. : 

A kísérleti berendezéssel mért kisérleti korrelációs csúcsok. A bemenő 500x500-os (A) teszt képnek a 30x30-os (B) templatetel alkotott (C) korrelogramja. Az eredeti és a küszöbölt 3D-s ábrázolások jól mutatják a a csúcsok helyét (D és E). A B C D E

Adaptív céltárgy felismerés és követő algoritmus (szimuláció): 

Adaptív céltárgy felismerés és követő algoritmus (szimuláció) ... ... 125 126 100 150

Adaptív céltárgy felismerés (mért eredmények): 

Adaptív céltárgy felismerés (mért eredmények) Bemenő kép (500x500) Templatek (~32x32) Mért korrelációk Küszöbölt korrlációs csúcsok

A jelenleg és a közeljövőben elérhető számítási teljesítmények, paraméterek. : 

A jelenleg és a közeljövőben elérhető számítási teljesítmények, paraméterek. A templatek mérete az alkalmazott akuszto-optikai deflektor idő-sávszélesség megkötöttségei miatt korlátozott. (jelenleg 32x32, a későbbiekben akár 128x128 template méret is elérhető) Sebesség: Az akuszto-optikai deflektor fizikai korlátja ~1sec/template-pixel. A szenzorok érzékenysége, sebessége és az alkalmazható lézerek teljesítménye korlátozzák még az elérhető sebességet. Kis méretű templatekre (32x32-8x8), mindazonáltal, 1000-16000 frame/sec sebesség érhető el. Párhuzamosság: Jelenleg a bemenő kép felbontása 500x500, de megvalósítható a Megapixel nagyságrendű felbontás is. Hologram rögzítési idő: 500 µsec (de akár 50 µs is lehet). A jelenleg olcsón beszerezhető LCD megjelenítők megkötöttségei miatt, 60-180 Hz lesz megépítve. Ezekkel a paraméterekkel a számítási kapacitás eléri az ~1 Tera operációt másodpercenként (Teraflops).