OPTİK İŞLEM ETKİNLİKLERİ

G EÇTİĞİMİZ yıllarda, optik ola nakları kullanarak işlem yap ma alanının hızla, optik ana log ve/veya sayısal veri işle me ve optik ve optoelektronik aygıt lar konularını kapsayacak biçimde genişlediğini gördük. Optik bilgisaya rı, içinde bir yerde ışığın kullanıldığı bilgisayar olarak kabul ettiğimiz için, çeşitli yapıları inceleyebiliriz. Bazı yapılarda elektronik elemanlar ara sında fiber optik veya boşlukta bağ lantılar, bazılarında veri saklama, mantık veya aritmetik işlemler için ışık kullanımı, görülebilir.

Optik işlem yapma alanında yapılan birçok yeni çalışma, büyük miktarlar da veriyi, yüksek hızda işleme olana ğı olan yeni bir paralel işlem dizgesi ni geliştirmeye artan ilgiyi göster mektedir. Benim kişisel ilgim de, po tansiyel uygulamalara sahip olan bu alandadır.

Benim temsil ettiğim sayısal işlem yapma çevresine, optik işlem yap manın ne kadar yararlı olabileceğini öğrenmek ve optik işlem yapma ile sinirsel işlem yapmanın hangi nokta larda çakıştığı konusunda fikir edin mek istedim. Bence, bilim alanında matematik işlem yapan birçok bilim adamı sinirsel işlem yapma konu sunda çok az, optik işlem yapma ko nusunda daha da az bilgiye sahip. Bununla beraber, bu temelleri iyi ku rulmuş bilim alanları profesyonel top luluklar, dergiler, uluslararası toplan tılar gibi etkinlikler gösteren binlerce araştırmacıyı içermektedir, örneğin; 1990 baharında Kobe'de (Japonya) yaklaşık 500 kişinin katıldığı, bu ko nuları içeren, bir konferans, Optical Computing 90, düzenlendi (bir özet ve değerlendirme yazısı ilerde yapı lacak).

Birçok Japon, optik işlem yapmayı, işlem yapma araştırmaları için temel alan olarak görmektedir. Bazı yo rumlar şöyle;

Davld K. KAHANER" Çeviri: Şimşek DEMİR

'IEEE MİCRO, Şubat 1991 "ABD Deniz Kuvvetleri Araştırma Birimi, Uzak Doğu

Elektronik yirminci, optik yirmibirinci yüzyılın bilimidir. MİTİ (uluslararası ticaret ve endüstri bakanlığı)

Fotonların ve elektronların birlikte kullanımı, sadece bugünkü teknoloji nin bir uzantısı olarak düşünemeye ceğimiz, yepyeni dizgeler yaratacak tır, örneğin; katlar arasında, dikey olarak ışıkla iletişim sağlanan 3 boyutlu tümleştirmeyi düşünün. Op

Gelecekteki Optik If ton» Nedir?

uygulamaları

Işığı, işlem yapmak için mercekler den geçirmek yeni değildir: ben

farklılaşsa da,

1960"larda bu konuda ders almıştım. Temel fikir, sayısal işlemle araların

özel amaçlı

daki farkı açıklayarak anlatılabilir. Basit bir mercek, temelde, oldukça

donanımlar ilk

karmaşık olabilecek bir görüntünün, gerçek zamanda girdi olarak iki bo

yutlu Fourier dönüşümünü alır. Sayı olarak, elektronik •al işlemede veri noktalarının veya

pbcellerin sayısı He beraber, harca kullanarak nan çaba da hızla artar. Bir merceği

böyle kullanmak tamamen analog bir erişilemeyecek süreçtir ve işlemlerin analog yapıldı ğı zamanlardaki ilk araştırmaların ço

veri oranlarında ğu benzer şekildeki analog yapılarla işlem yapmayı içeriyordu.

çalışacak görüntü

Geçtiğimiz yıllarda gelişmeler, optik

işlemcilerinde aygıtların aritmetik veya mantık iş lemci veya bellek olarak kullanıldığı

ortaya çıkacaktır. sayısal hesaplamalarda odaklanmış tır. Bu araştırmaları, girdi ile doğrusal

olmayan etkileşim yapabilecek bir

toelektronik tümleştirmeyi başardığı mızda, yeni yapılar hayal etmeye başlayabiliriz. Izvo Hayashi, Optoe lektronik Teknolojisi Araştırma Laba ratuarı yöneticisi, Tsukuba.

optik malzemenin bulunamaması, engellemektedir. Bugüne kadar yete rince doğrusal olmayan bir malzeme bulanamamış veya bulunanlarınki, pratik uygulamalar için, çok zayıf kal mıştır.

Japonya ve ABD araştırma etkinlikle rini içeren yorumlar: ABD\e oranla Çalışmalar geleneksel devrelerin op Japonya'da, optik işlemler için aygıt tik kullanılarak bağlanması üzerinde geliştiren çok daha çeşitli araştırma de devam etmektedir. Optik İletişim, grupları var. ABD'de, sanırım, optik bilgisayarların fiber optik ile iletişimi işlem yapmak için yeni yapılar arayan . üzerinde önemli etkiler yaratmıştır.

araştırma grupları daha fazla.

Optik fiberlerin, iletim sırasında eşeksenh tablolardaki elektrik telle rinden çok daha az zayıflatma yarat tığı bilinmektedir. Aynı zamanda, elektromagnetik ışınıma da daha di rençlidirler. Japonya (Hitachi 1987, Fujitsu 1988 ve NEC 1989) optik kabloları giriş/çıkış kanalları olarak bir süredir kullanıyor. Böyle kanallar 9 Mbit/san'e kadar veri iletim oranı na sahipler ve bu oran iki katında daha fazlaya çıkarılabilir. Çok uzun disk kanalları için yaklaşık 1 km ve elektriksel kanalların yaklaşık 8 katı kadar mesafelerde kullanılabilirler.

Dahası, optik bağlama yöntemleri kullanılarak bir yongayı diğerine bağlayabilirsek (optik çıkış yolları), 10 GigaBit seviyesine ulaşabiliriz.

Lazer demetleri birbirlerine karışma dan ya da birbirleriyle etkileşmeden oldukça karmaşık yollar izleyerek aynı yerden geçebilirler (en azından belirli büyüklükteki boyutlarda). Fou rier dönüşümü tekrar mükemmel bir örnek olarak verilebilir. Dönüşüm so nucunda elde edilecek bir değeri bu labilmek için, kaynak düzlem üzerin de her noktayı kapsayan bir integral alınması gerekir, bir mercek bunu basitçe, temelde paralel işlem yap ma özelliklerini kullanarak, gerçek leştirir. Bazı araştırmacılar, elektro nik aygıtların ulaşabileceği paralel çalışma ve bağlanabilirlik özelliğinin.

Takeshi Kamiya, Elektronik Müh. Bö lümü, Tokyo Üniversitesi

(AT&T Bell labaratuarı araştırmacıla rı) kısa vadeli hedeflere yönelmiş du rumdalar, görünen o ki; çalışmalarını 1995 için yoğunlaştırmışlar.

Fakat NTTnin uzun vadeli hedefi op tik işleme teknolojisini kurmak ve op tik yollarla paralel işlemcilimi tam ola rak kullanılır hale getirmektir. Bu, ya ni optik aygıtlar ve yapılar üretilmesi ni sağlayacaktır. Uzun vadede, yapı lan çalışmaların verimli olacağını bekliyoruz. Bu nedenle, bu çalışmala rı pratik uygulamaları geliştirme değil temel araştırma dönemi olarak kabul ediyoruz.

Fotoelektronik veya optoelektronik bilgisayar geleceğin hedefidir. Kenic hi Kitayama, NTT İletim Dizgeleri La baratuarları.

optik uygulamalarda, 50 katına ulaşı labileceğini söylemektedirler.

Japonya'nın aygıt teknolojisindeki uzmanlığı, bu konuda, diğer araştır ma kurumlarından daha iyi sonuç el de etmelerini sağlayabilir. Kitayama NTTdeki araştırmaları anlatırken bu nu çok iyi vurgulamıştır:

Gelecekteki uygulamaları farklılaşsa da, özel amaçlı donanımlar ilk ola rak, elektronik kullanarak erişileme yecek veri oranlarında çalışacak gö rüntü işlemcilerinde ortaya çıkacak tır. Olası bir durum, optik aygıtlar ve VLSl'ın birlikte kullanılmasıdır. Optik sinir yongaları ise daha uzun vadeli bir amaçtır... Optik donanımın pratik uygulamalara geçirilmesi hala, çok uzak görünmektedir.

Optik bilgisayarları dört kategoride incelemek mümkün.

* Optik analog : 2 boyutlu Fourier dönüşüm veya optik korelatörler ve optik matris/vektör işlemciler içeren bilgisayarlar.

* Optoelektronlk:

Henüz olmayan; ancak; optik man tık kapıları veya iki boyutlu foto diyot dizileri kullanılarak yapılacak olan bil gisayar (bu tip ay gıtlarda önemli nokta, yongalarda ki ve diğer mantık kapılarındaki dar be gecikmelerini, optik bağlantılar kullanarak, azalt maktır).

* Optik paralel sa

yısal:

Sayısal

elektroniği, esnek

liği artırmak için,

kullanan ve optik

aygıtlardaki paralel

işlem özelliğini öne

çıkaran bilgisayar

lar.

'Optik Sinirsel :

Sinirsel ağ yapıla

rının çok miktarda

ki bağlantılarını

gerçekleştirmek

için özel olarak ta

sarlanmış bilgisa

yarlar.

Genel Bir Bakış

Optik işlem yapma, deneysel optiğin, Fizik bilimlerinde sık karşılaşılan bir sorun olan deney düzeneğinin ve analizinin hassasiyeti ile sınırlı, bir dalıdır. Bu alandaki araştırmalar her hangi bir ülkede toplanmış değildir. Bell ve ABD labaratuarlarında başla yan ilk çalışmalar, diğer biçok ülkede yapılan çalışmalarla devam etmiştir.

Optik aygıtların izin verdiği ölçüde, araştırma sonuçları, heryerde ulaşıl ması olası olmayan teknolojidense, araştırma gruplarının kendi planlama yaratıcılık ve dikkatlerine bağlıdır. Bazı bilim adamları "optik yon galardan bahsetmektedir. Japon araştırmacılar, büyük Japon endüstri yel laboratuarlarının önemli kaynak ve temel teknolojik aygıt altyapısına ulaşma olanağına sahiptir. Benzer olanaklar ABD'de, Bell labaratuarları gibi birkaç yerde vardır. Bu zamana kadarki görünüm sayısal işlem yap ma alanında somut uygulamaların birkaç yıl daha uzakta olduğudur.

Belirli araştırmacılar arasında, gayet sağlıklı bir rekabet ortamı vardır. Ör neği; Bell laboratuarlarından Huarg, Seed (çekirdek) adını verdiği bir prensibe dayanan optik mantık kapı ları üzerinde çalışırken, Takeshi Ka miya, NEC yaklaşımının optik işaret leri yükseltme gibi birtakım üstünlük lere sahip olacağını düşünmektedir.

Sinirsel İşlem Yapma ve Optik İş lem

Bir sinirsel bilgisayar ve ağ yapısı, birçok işlem yapan eleman veya dü ğümleri olan, ileri derecede parelel bir bilgisayardır. Düğümler oldukça basit işlemleri (genellikle, sadece, bir matris vektör çarpımı) tekrar tek rar yapar. Sinirsel bilgisayarların ba zı modelleri (şimdiye kadar hiç uygu lanmamış), birbirine bağlı onbinlerce düğümden oluşmaktadır. Sinirsel bil gisayarlar giriş ve çıkış bitleri akıntı sı biçiminde çalışırlar. Bilinen anlam da bir programlamaya ihtiyaç duy mazlar; eğer programa ih tiyaç varsa bu düğümle rin bağlantı larındaki de recelerin di namik deği şimi ile olu şur.

Sinirsel ağ yapısının önemli özelliği kendi içinde barındırdığı ileri derecede paralellik tir. Bu nedenle, yeni, paralel bilgisa yarların sinirsel ağ yapılarını bir uy gulama olarak (ama tek uygulama değil) oluşturması doğaldır. Optik iş lem araştırmacıları bu parallelliğin, en iyi, tel kullanılan geleneksel dev relerdense, optik aygıtlar kullanıla rak oluşturulacağına inanmaktadır lar. Bu nedenle, optik işlem ve sinir sel işlem alanları, birbirlerinden ba ğımsız gelişmiş olsalar da, kendi ya rarları için, bazen, biraraya gelmek tedirler.

Bugün, sinirsel işlemlerin, özellikle optiğin katkısı olan, birçok uygula maları görüntü işleme, ses, harf ve ya hedef tanıma veya benzer alan lardadır. Ancak, birkaç araştırmacı matris çarpımı yapabilen, düşük de receli doğrusal eşitlikleri çözebilen optik aygıtları göstermiştir. Diğerleri, sinirsel modelleri daha genel durum lara uygulamaya çalışan makaleler

Sunulan en ilginç makalelerden birisi

Mitsubishi'nin Optik

Sinirsel Bilgisayarıydı.

Hem endüstriyel hem akademik birçok araştırmacının optik yonga geliştirme çabası yanında Mitsubishi'nin çalışması çok etkileyiciydi.

Araştırmanın başındaki

Kazua Kyuma ve J. Ohta seri üretimi yapılabileceğini iddia ettikleri bir aygıt üretmişler.

yazmışlardır. 1990 sonbaharına ka dar, sayısal modelleme problemlerine uygulanmış, veya uygulanması düşü nülmüş, bir sinirsel ağ yapısı görme dim.

Yukarıda belirtildiği gibi, sinirsel bilgi sayarın temel işlemi, bir giriş vektörü nü (dizisini), elemanları, ağ yapısı "ağırlıkları" olarak adlandırılan bir matrisle çarpmaktır. Hem giriş vektö ründe, hem de matriste yer alan sayı ların negatif olmadığı kabul edilmek tedir.

Matris elemanları olan W (i,j) değerle rinin 2 boyutlu bir ışık maskesi ve giri şin de LED dizisi ile yapıldığını kabul edelim, v'nin vektör bilgisinin laser di yotun veya LED'in ışık şiddeti ile be lirlendiğini ve bu v(j) ışığının W matri sinin j. kolununa düzgün dağıldığını varsayalım. W (i.j). v(j) arkadaki veya maskenin çıkış yüzündeki i,j nokta sındaki ışık şiddeti olacak şekilde ya yınım olacaktır. Wnin i. sırasındaki ışık şiddeti, ışık alıcı bir aygıt dizisinin i. elemanı üzerinde toplanacaktır. Ek lenme yolu ile, çıkış dizisinin i. elema nı Wnin i. sırası ile v'nin iç çarpımı

olacaktır. Böylelikle, matris vektör çarpımı oluşturulur.

Üzerinde durulan konulardan birkaçı ışık yayan demetlere bağlanabilecek giriş sayısını artırma, W (i,j) matrisi nin elemanlarının değerlerini değiştir meye izin verecek bir mekanizma bulmaktır. Anlatılan matris vektör çarpıcısı çıkış yeterince büyükse 1, değilse 0 veren bir nöronun parçası dır. Bunu yapmak için de optik eşikle meye gereksinim vardır.

"Optical Computing 80"

1990 uluslararası Optik İşlem Başlıklı Toplantı ve ilgili bir konuda fotenik anahtarlama birçok ülkeden katılım cıyı çekti, llkgün, özellikle, J. Good men (Stenford), D. Miller (AT & T Bell) ve H. Szu (NRL) tarafından veri len üç öğretici konuşmaya ayrılmıştı.

OC 90'da sunulan birçok makale ve ya ekleri "Optoelectronics" veya "Applied Optics" gibi dergilerde ya yınlandı.

Yashiki Ichioka ve beraber çalışanlar (Osaka Üniversitesi) ve, veya gibi te mel mantık işlemlerini gerçekleştire cek optik aygıtlar üzerinde yoğunlaş mışlar. Grup, mantık aygıtlarını ger çekleştirmek için birkaç yeni yol bul muş. Onların "Opals" bilgisayar tasa rımı bunları kullanıyor. Bu çalışmalar en azından 1983'e dayanıyor ve Opals Japonya dışında da iyi bilini yor. Uygulama birkaç yeni çeşit aygı tın geliştirilmesini gerekli kıldığı için, pratik alana ulaşması birkaç yıl daha alacaktır.

Goodman ve çalışanları (stanford) optik bağlantılara sahip, 64 düğümlü ortak bellek kullanımlı çoklu işlem dizgesi, IBM RP3, simülasyonunu sunmuşlardır. Benzer şekilde NTT iletim Dizgeleri Labaratuarı çalışanla rı (Matsumoto, Sakano, Noguchi, Swabe) 36 T800 kullanan bir dizge sunmuşlardır. Bu dizge, bir paralel iş lem dizgesini boşluktaki optik bağlan tılarla, yani bir yongadansa bir kutu içindeki gibi bağlantılarla, çalıştır maktadır. Bu teknik gelişmeye elve rişli görünmekle beraber henüz ilk aşamaları gerçekleştirilmiştir.

Sunulan en ilginç makalelerden birisi Mitsubishi'nin Optik sinirsel Bilgisaya rıydı. Hem endüstriyel hem akademik birçok araştırmacının optik yonga ge liştirme çabası yanında Mitsubishi'nin

çalışması çok etkileyiciydi. Araştır manın başındaki Kazua Kyuma ve J. Ohta seri üretimi yapılabileceğini iddia ettikleri bir aygıt üretmişler.

Bu yonganın önemli bir özelliği iki kattan oluşması diğer tasarımlar üç kat kullanıyor. Araştırmacılar duyar lığı değişebilir bir fotodiyot kullanı yor. Dahası, yonga, giriş ve çıkış arasındaki bağlantıların ağırlıklarının dinamik olarak değişmesine olanak tanıyor.

Bu son özellik, verilen bir giriş için belirli bir çıkışı elde etmek üzere bağlantı ağırlıklarının ayarlanması, sinirsel ağ yapılarında, "öğrenme" için, temel özelliktir. Diğer birçok proje, ağırlıkları ayarlama yeteneği ne sahip değildir.

Mitsubishi grubu, kabul edilebilir güç kullanım (1 watt'dan daha az) geniş bir (20dB) dinamik ağırlık aralığı, dü şük optik karışma ile 1 cm kare'de yaklaşık 1000 nöron içerebilecek se viyede bu yongalardan üretebilecek lerini söylemektedir. Işık demetler büyük ölçeklerde belirgin ölçüde ka rışması da yonga boyutlarında karış ma önemli olabilir. Araştırmacılar, böyle bir yonganın bir saniyede 1 te ra (10'2)bağlantı yapabileceğini dü şünmektedir.

SONUÇ

Optik işlem alanı henüz birkaç tane pratik uygulama üretmiş bir araştır ma alanı olarak görülmektedir. İşlem yapmak için gerçek potansiyeli bir kaç yıl daha uzaktadır. 'Ve' kapıları nın tartışılmasından, 'Fortran' derle yicilerine kadar geçilmesi gereken basamak var. Buna rağmen, geri ödemesi yüksek, riski (bedeli) orta seviyeli bir araştırma olanıdır. Ja ponya Hükümeti Tsukba'da bir opto elektronik labaratuarı kurdu. Burada ki araştırmaların, optik işlem yapma, veya endüstriyel labaratuarlardaki mevcut araştırma alanlarına kayma sı şaşırtıcı olmayacaktır.

Anahtar Kelimeler:

Optik işlem: Optical computing

Sinirsel İşlem: Neural computing

Nöron: Neuron

Sinirsel Ağ Y apısı: Neural network.