KR102264515B1 - 멀티비트 광학 컴퓨팅 시스템 - Google Patents

멀티비트 광학 컴퓨팅 시스템 Download PDF

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Abstract

멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템은 멀티 주파수 광학 신호들을 생성하는 광원 모듈을 포함한다. 광학 정보 저장 모듈은 광학 경로 모듈을 통해 멀티 주파수 광학 신호들의 각각 수신하여, 이들을 복수의 광학 정보로 저장한다. 광학 처리 모듈은 외부 명령에 따라 광학 정보 저장 모듈 내의 광학 정보를 광학 경로 모듈을 통해 수신하여, 복수의 출력 정보를 생성하고, 이 출력 정보들을 광학 경로 모듈을 통해 광학 정보 저장 모듈에 저장한다.

Description

멀티비트 광학 컴퓨팅 시스템{MULTI-BIT OPTICAL COMPUTING SYSTEM}
본 발명은 컴퓨팅 시스템에 관한 것으로, 더 구체적으로는 광학 컴퓨팅 시스템에 관한 것이다.
기존의 전자 컴퓨터는 “0”을 나타내는 저압 신호와 “1”을 나타내는 고압 신호로 구성된 두 디지털 전위 신호들을 사용하여 정보를 전송하는데, 저장 모듈과 처리 모듈을 포함한다. 저장 모듈은 입력 디지털 신호를 고체(solid-state) 정보 스토리지(storage)를 위해 변환한다. 처리 모듈은 저장 모듈로부터 고체 정보를 독출하여, 산술 연산(arithmetic operation)들과 비교 연산(comparison operation)들로 구성된 복잡한 명령들을 수행한다.
현재의 전자 컴퓨터는 신호 전송 및 연산에 전압 신호를 사용하므로, 전위 신호들의 단일한 시퀀스(sequence)만이 한 번에 단일한 회로 채널로 전송될 수 있다. 처리 모듈 역시 연산을 위한 전위 신호들의 한 세트만을 수신하여 단일한 전산 결과를 얻을 수 있다. 이에 따라 그 전산 속도가 제한된다.
또한 고속 전산을 위해 양자 컴퓨터(quantum computer)가 현재 개발되고 있지만 이는 양자 중첩(quantum superposition)과 양자 얽힘(quantum entanglement)이라는 두 전제조건들의 어려움을 직면하고 있다. 이와 동시에, 이는 절대영도에 가까운 극저온에서 작동되어야 한다. 이 조건들은 양자 컴퓨터의 과도히 높은 원가로 귀결되어 상용화를 더욱 어렵게 하고 있다.
이상을 고려하여, 본 발명은 광원 모듈(optical source module)과, 광학 경로 모듈(optical path module)과, 광학 정보 저장 모듈(optical information storage module)과, 및 광학 처리 모듈(optical processing module)을 구비하는 광학 컴퓨팅 시스템(optical computing system)을 제공한다.
광원 모듈은 다른 주파수들의 광학 신호(optical signal)들을 포함하는 광 신호(light signal)를 생성한다. 광학 경로 모듈은 광원 모듈에 연결되어 광학 신호를 수신하는 입력 단자(input terminal)를 포함한다. 광학 정보 저장 모듈은 광학 경로 모듈을 통해 광학 신호를 수신한다. 광학 정보 저장 모듈은 각각 멀티 주파수(multi-frequency) 광학 신호들 중의 하나를 수신하여 이 신호를 광학 정보(optical information)로 저장하는 복수의 저장 유닛(storage unit)들을 포함한다. 광학 처리 모듈은 광학 경로 모듈을 통해 광학 정보 저장 모듈에 연결되고 외부 명령(external command)을 수신한다. 광학 처리 모듈은 또한 외부 명령에 따라 광학 정보 저장 모듈의 저장 유닛들의 각각에 저장된 광학 정보에 액세스한다. 각(each piece of) 광학 정보가 명령 연산(command operation)을 받아(subject to) 복수의 출력 정보를 출력한다. 이어서 출력 정보는 광학 경로 모듈을 통해 광학 정보 저장 모듈의 저장 유닛들의 각각에 전송된다.
광원 모듈에서 생성된 광학 정보들을 전송할 때, 광학 경로 모듈은 다른 주파수들의 복수의 주파수 광학 정보들을 전송하고, 각 광학 정보를 광학 정보 저장 모듈의 각 저장 유닛에 저장한다. 다시 말해, 저장 유닛들의 각각은 다른 주파수들의 광학 신호들에 반송된(carried in) 광학 정보를 저장한다. 광학 처리 모듈이 광학 정보 저장 모듈을 통해 광학 정보에 액세스할 때, 저장 유닛들 내의 다른 광학 정보가 동시에 액세스된다. 광학 정보가 다른 주파수들의 광학 신호들에 의해 반송되므로, 그 처리가 서로 간섭되지 않는다. 이에 따라, 광학 처리 모듈은 다른 광학 정보에 동시에 액세스할 수 있다. 또한 광학 처리 모듈은 다른 주파수들의 광학 정보에 동기 연산(synchronous operation)을 수행하여, 다른 주파수들의 광학 신호들로 반송되는 출력 정보를 송출할 수 있다.
기존의 컴퓨팅 시스템에 비해, 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템은 광학 경로 모듈을 통해 다른 주파수들의 복수의 정보들(multiple pieces of information)을 동시에 전송함으로써 광학 처리 모듈이 복수의 정보들을 동시에 수신하여 그 전체적인 전산 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 데이터를 광학 신호로 변환하는 데 광학 경로 모듈을 사용하여 엄격한 조건들 없이 이를 달성한다. 제조 및 운영 원가들이 양자 컴퓨터보다 더 낮다.
도 1은 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템의 개략 블록도:
도 2는 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템의 제2 바람직한 실시예를 보이는 개략 블록도:
도 3은 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템의 제3 바람직한 실시예를 보이는 개략 블록도:
도 4는 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템의 제4 바람직한 실시예를 보이는 개략 블록도: 그리고
도 5는 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템의 제5 바람직한 실시예를 보이는 개략 블록도이다.
이하 본 발명에 따른 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템의 바람직한 실시예를 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템은 광원 모듈(11)과, 광학 경로 모듈(12)과, 광학 정보 저장 모듈(13)과, 및 광학 처리 모듈(14)을 포함한다. 바람직하기로, 광원 모듈(11)은 예를 들어 제1 주파수 광학 신호와 제2 주파수 광학 신호 등의 복수의 주파수들의 광학 신호들을 생성한다. 광학 경로 모듈(12)은 제1 주파수 광학 신호와 제2 주파수 광학 신호를 수신하도록 광원 모듈(11)에 연결되는 입력 단자를 포함한다. 광학 정보 저장 모듈(13)은 광학 경로 모듈(12)을 통해 제1 주파수 광학 신호와 제2 주파수 광학 신호를 수신한다. 광학 정보 저장 모듈(13)은 예를 들어 제1 저장 유닛(131)과 제2 저장 유닛(132) 등의 복수의 저장 유닛들을 포함한다. 제1 저장 유닛(131)은 제1 정보로 제1 주파수 광학 신호를 수신 및 저장하고, 제2 저장 유닛(132)은 제2 정보로 제2 주파수 광학 신호를 수신 및 저장한다. 광학 처리 모듈(14)은 광학 경로 모듈(12)을 통해 광학 정보 저장 모듈에 연결되고 외부 명령을 수신한다. 광학 처리 모듈(14)은 외부 명령에 따라 광학 정보 저장 모듈(13) 내의 제1 정보와 제2 정보에 액세스하고, 제1 정보와 제2 정보 상에 명령 연산을 수행하여 제1 출력정보와 제2 출력 정보를 생성한다. 제1 출력정보와 제2 출력 정보는 광학 정보 저장 모듈(13)의 제1 저장 유닛(131)과 제2 저장 유닛(132)에 저장되도록 광학 경로 모듈(12)을 통해 전송된다.
본 발명의 제1 바람직한 실시예에서, 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템은 그 위에 광학 경로 모듈(12)이 형성되는 광학 경로 기판(optical path board)을 포함한다. 광학 경로 모듈(12)은 광학 경로 기판 상에 사진식각법(photolithography)과 레이저 공정 또는 식각(etching) 공정으로 형성된다.
본 발명의 광학 경로 기판은 광학 경로 기판 상에 먼저 감광(photoresist) 물질의 층을 제공함으로써 제조된다. 그 다음 현상(development imaging)이 광학 경로 기판의 감광 물질 상에 패턴을 형성한다. 감광 물질로 덮이지 않은 광학 경로 기판의 부분 상에 레이저 공정이 수행되어 광학 경로를 형성한다. 바람직하기로 광학 경로 기판은 실리콘 기판, 유리 기판, 또는 플라스틱 유리(plastic glass) 기판이다.
광학 경로 기판 상의 광학 경로 모듈(12)이 멀티 주파수의 광학 신호들을 동시에 전송할 수 있으므로, 제1 주파수 광학 정보와 제2 주파수 광학 정보는, 광학 정보 저장 모듈(13) 또는 광학 처리 모듈(14) 등의 다음 목적지로 동시에 전송될 수 있다. 다른 실시예들에서, 광원 모듈(11)은 외부 입력 정보에 따라 더 많은 다른 주파수들의 광학 신호들도 생성할 수 있다. 이 경우, 광학 처리 모듈(14)은 복수의 데이터에 동시에 액세스하여 액세스 타임을 절감시키고, 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템의 전체적 처리 속도를 더욱 향상시킬 수 있다.
예를 들어 가시광(visible light)의 경우, 다른 주파수들의 신호들은 다른 색의 광(light)들로 반송될 수 있어, 다른 색의 광들이 광학 경로 기판 상의 광학 경로 모듈(12)을 동시에 통과할 수 있다. 예를 들어 적색광 신호, 등색광(orange light) 신호, 황색광 신호, 녹색광 신호, 및 청색광 신호가 각각 5개의 다른 주파수들의 광학 신호를 나타낸다. 광학 경로 기판 상의 광학 경로 모듈(12)은 적색광 신호, 등색광 신호, 황색광 신호, 녹색광 신호, 및 청색광 신호들이 동시에 통과하도록 허용한다. 이에 따라 광학 처리 모듈(14)은 5개의 다른 주파수들의 광학 신호들에 동시에 액세스할 수 있다. 5개의 다른 주파수들의 광학 신호들은 각각 5개의 다른 종류의 광학 정보를 가진다. 그러므로 광학 처리 모듈(14)로 동시에 액세스할 수 있는 데이터의 양이 5의 배율(factor)로 증가됨으로써 액세스 타임을 감소시키고 전체적 처리 속도를 가속시킨다.
또한, 신호들은 광학 경로 기판 상의 광학 경로 모듈(12)을 통해 전송된다. 신호 전송의 과정에 전력이 필요 없고, 이에 따라 신호 전송 동안의 전력 손실이 없다. 결과적으로 전체적 전력 소비량이 더욱 경제적이 된다. 정상적 작동들을 유지하는데 작은 양의 전력만이 필요하다. 이에 따라, 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템은 태양광을 사용할 전기 에너지로 변환하는 태양 전지(solar cell)를 전원으로 사용할 수 있다. 전력 소비량이 그리 크지 않으므로, 태양 전지로 공급되는 전력이 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템의 정상적 작동을 유지할 수 있다. 태양 전지는 언제라도 조명 광으로 충전될(replenished) 수 있다. 이에 따라 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템은 장기간 충전(charging) 없이 작동될 수 있다.
바람직하기로, 광학 처리 모듈(14)은, 각각 두 연결 단자들과 한 제어 단자를 가지는 복수의 광 제어 스위치(light control switch)들로 구성될 수 있다. 광 제어 단자가 제어 광학 신호를 수신하면, 광학 신호들이 광 제어 스위치의 두 연결 단자들 사이를 통과하도록 허용된다. 바람직하기로 광 제어 스위치들의 각각은 광저항(photoresist) 유닛과 감광(photosensitive) 유닛을 구비한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 바람직한 실시예에서, 광원 모듈(11)은 각각 제어 신호를 수신하여 이에 따라 주파수 광학 신호를 생성하는 복수의 발광다이오드(LED)들을 포함한다. 예를 들어, 광원 모듈(11)은 제1 LED(D1)와 제2 LED(D2)를 포함한다. 제1 LED(D1)는 제1 신호 입력 단자(I/P1)로부터 제1 제어 신호를 수신하고 이에 따라 제1 주파수 광학 신호를 생성한다. 제2 LED(D2)는 제2 신호 입력 단자(I/P2)로부터 제2 제어 신호를 수신하고 이에 따라 제2 주파수 광학 신호를 생성한다. 제1 주파수 광학 신호와 제2 주파수 광학 신호는 각각 2진(binary) 디지털 신호들이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 바람직한 실시예에서, 광학 정보 저장 모듈(13)의 각 저장 유닛은 각각 저장 상태(absorb state)와 통과 상태(pass state)를 가져 한 비트(bit)의 데이터를 저장하는 복수의 버퍼(buffer)들을 포함한다. 예를 들어, 광학 정보 저장 모듈(13)의 제1 저장 유닛(131)은 각각 저장 상태와 통과 상태를 가지는 복수의 제1 버퍼(1311)들을 포함한다. 제2 저장 유닛(132)은 각각 저장 상태와 통과 상태를 가지는 복수의 제2 버퍼(1321)들을 포함한다. 제1 저장 유닛(131)이 제1 주파수 광학 신호를 수신하고 각 제1 버퍼(1311) 또는 각 제2 버퍼(1321)가 저장 상태일 때, 제1 저장 유닛(131)들로 진입한 광학 신호들은 저장된다(absorb). 각 제1 버퍼(1311) 또는 각 제2 버퍼(1321)가 통과 상태일 때, 제1 저장 유닛(131)들로 진입한 광학 신호들은 통과가 허용된다. 각 제1 버퍼(1311)는 제1 주파수 광학 신호의 비트들을 순차적으로 수신하고, 이에 따라 저장 상태 또는 통과 상태로 전환된다. 각 제2 버퍼(1321)는 제2 주파수 광학 신호의 비트들을 순차적으로 수신하고, 이에 따라 저장 상태 또는 통과 상태로 전환된다. 이러한 방법으로, 제1 저장 유닛(131)과 제2 저장 유닛(132)은 각각 제1 주파수 광학 신호와 제2 주파수 광학 신호를 제1 정보와 제2 정보로 저장한다. 명령 신호에 따라, 광학 처리 모듈(14)이 제1 버퍼(1311)와 제2 버퍼(1321)로부터 그 상태들을 독출하여, 제1 정보와 제2 정보를 수신한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 바람직한 실시예에서, 광학 정보 저장 모듈(13)의 각 저장 유닛은 복수의 버퍼들과, 광전 변환 유닛(photoelectric conversion unit)과 전광 변환 유닛(electro-optical conversion unit)을 포함한다. 저장 유닛들의 각 버퍼들은 광전 변환 유닛과 광학 경로 모듈을 통해 광원 모듈에 연결된다. 광전 변환 유닛은 한 주파수의 광학 신호를 각 버퍼에 저장될 전기 신호로 변환한다. 또한 각 저장 유닛의 버퍼들은 전광 변환 유닛과 광학 경로 모듈을 통해 광학 처리 모듈로 연결된다. 전광 변환 유닛은 각 버퍼에 저장된 전기 신호들을 광학 처리 모듈(14)이 액세스할 광학 신호들로 변환한다. 예를 들어 광학 정보 저장 모듈(13)의 제1 저장 유닛(131)이 제1 광전 변환 유닛(1312)과 제1 전광 변환 유닛(1313)을 더 포함하고, 제2 저장 유닛(132)이 제2 광전 변환 유닛(1322)과 제2 전광 변환 유닛(1323)을 더 포함한다. 바람직한 실시예에서, 각 제1 버퍼(1311)와 제2 버퍼(1321)는 캐시 메모리(cache memory)이다.
각 제1 버퍼(1311)는 제1 광전 변환 유닛(1312)과 광학 경로 모듈(12)을 통해 광원 모듈(11)에 연결되어, 제1 주파수 광학 신호를 각 제1 버퍼(1311)에 저장될 제1 전기 신호로 변환한다. 각 제1 버퍼(1311)는 제1 전광 변환 유닛(1313)과 광학 경로 모듈(12)을 통해 광학 처리 모듈(14)에 연결되어, 각 제1 버퍼(1311)에 저장된 제1 전기 신호를 광학 처리 모듈(14)이 액세스할 제1 정보로 변환한다.
마찬가지로, 각 제2 버퍼(1321)는 제2 광전 변환 유닛(1322)과 광학 경로 모듈(12)을 통해 광원 모듈(11)에 연결되어, 제2 주파수 광학 신호를 각 제2 버퍼(1321)에 저장될 제2 전기 신호로 변환한다. 각 제2 버퍼(1321)는 제2 전광 변환 유닛(1323)과 광학 경로 모듈(12)을 통해 광학 처리 모듈(14)에 연결되어, 각 제2 버퍼(1321)에 저장된 제2 전기 신호를 광학 처리 모듈(14)이 액세스할 제2 정보로 변환한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에서, 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템은 광학 경로 기판 상에 위치하여 광학 경로 모듈(12)에 연결되는 광전 변환 모듈(photoelectric conversion module; 15)을 더 구비한다. 이 광전 변환 모듈(15)은 각각 광학 경로 모듈(12)에 연결되는 복수의 광검출기(photodetector)들을 가진다. 각 광검출기는 각각 주파수 광학 신호들 중의 하나를 수신하고 이에 따라 디지털 정보를 생성한다. 예를 들어, 광전 변환 모듈(15)은 제1 광검출기(151)와 제2 광검출기(152)를 포함한다. 제1 광검출기(151)는 광학 경로 모듈(12)로부터 광학 신호들을 수신하여 제1 주파수 광학 정보에 따른 제1 디지털 정보를 생성하고, 이 제1 디지털 정보를 제1 출력 단자(O/P1)를 통해 출력한다. 제2 광검출기(152)는 광학 경로 모듈(12)로부터 광학 신호들을 수신하여 제2 주파수 광학 정보에 따른 제2 디지털 정보를 생성하고, 이 제2 디지털 정보를 제2 출력 단자(O/P2)를 통해 출력한다. 광전 변환 모듈(15)은 광학 컴퓨팅 시스템을 종래의 전자 컴퓨팅 시스템과 통합하도록 구성된다. 이는 광학 컴퓨팅 시스템의 제1 주파수 광학 신호와 제2 주파수 광학 신호를 전압 변화들에 기반하는 디지털 정보로 변환하고, 더 우수한 응용들을 위해 이 디지털 정보를 후속되는 전기 신호 처리 모듈로 출력한다.
이상과 같이 본 발명을 설명하였는데, 이는 여러 가지 방식들로 변형될 수 있음이 자명하다. 이러한 변형들은 본 발명의 개념과 범위를 벗어나는 것으로 간주되지 않으며, 당업계에 통상의 기술을 가진 자에게 자명할 모든 이런 변경들은 다음 청구범위들에 포함될 것으로 의도된 것이다.

Claims (8)

  1. 다른 주파수들의 광학 신호들을 포함하는 광 신호를 생성하는 광원 모듈;
    상기 광원 모듈에 연결되어 상기 광학 신호들을 수신하는 입력 단자를 가지는 광학 경로 모듈;
    상기 광학 경로 모듈을 통해 상기 광학 신호들을 수신하고, 복수의 저장 유닛들을 포함하며, 상기 각 저장 유닛들이 광학 정보로 저장될 상기 광학 신호들 중의 하나를 수신하는 광학 정보 저장 모듈; 및
    상기 광학 경로 모듈을 통해 상기 광학 정보 저장 모듈에 연결되고 외부 명령을 수신하는 광학 처리 모듈을 포함하고,
    상기 광학 처리 모듈이 상기 외부 명령에 따라 상기 광학 정보 저장 모듈로부터 상기 각 저장 유닛의 상기 광학 정보에 액세스하고, 상기 광학 정보 상에 명령 연산을 수행하여, 복수의 출력 정보들을 출력하며; 그리고
    각 상기 출력 정보가 광학 경로 모듈에 의해 상기 광학 정보 저장 모듈의 각 저장 유닛에 저장되도록 전송되고,
    광학 경로 기판을 더 구비하고, 상기 광학 경로 모듈이 상기 광학 경로 기판 상에 사진식각법과 레이저 공정 또는 식각 공정으로 형성되는 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광학 경로 기판이 실리콘 기판, 유리 기판 또는 플라스틱 유리 기판인 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 광학 경로 기판 상에 위치한 광전 변환 모듈을 더 구비하고, 상기 광전 변환 모듈이 상기 광학 경로 모듈에 연결되는 복수의 광검출기들을 포함하며, 상기 각 광검출기가 각각 상기 광학 신호를 수신하고 이에 따라 디지털 정보를 생성하는 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 광학 처리 모듈이, 각각 두 연결 단자들과 한 제어 단자를 가지는 복수의 광 제어 스위치들을 구비하고;
    상기 광 제어 스위치들 중의 하나의 제어 단자가 제어 광학 신호를 수신하면, 상기 광 제어 스위치의 상기 두 연결 단자들 사이가 통과 상태이며; 그리고
    상기 광 제어 스위치들의 각각이 광저항 유닛과 감광 유닛을 구비하는 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 광원 모듈이, 각각 제어 신호를 수신하여 이에 따른 주파수의 상기 광학 신호를 생성하는 복수의 발광다이오드들을 포함하고; 상기 광학 신호들의 각각이 2진 디지털 신호인 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 광학 정보 저장 모듈의 각 저장 유닛이 복수의 버퍼들을 포함하고, 상기 각 버퍼가 저장 상태와 통과 상태를 가지는 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 광학 정보 저장 모듈의 각 저장 유닛이:
    복수의 버퍼들;
    광전 변환 유닛으로, 상기 각 버퍼가 상기 광전 변환 유닛과 상기 광학 경로 모듈을 통해 상기 광원 모듈에 연결되고, 상기 광학 신호를 상기 버퍼들에 저장될 전기 신호로 변환하는 상기 광전 변환 유닛; 및
    전광 변환 유닛으로, 상기 각 버퍼가 상기 전광 변환 유닛과 상기 광학 경로 모듈을 통해 상기 광학 처리 모듈에 연결되고, 상기 각 버퍼에 저장된 상기 전기 신호를 상기 광학 정보로 변환하는 상기 전광 변환 유닛을
    포함하는 멀티 비트 광학 컴퓨팅 시스템.

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