МОСКВА, 25 янв – Москва.Ру. Физики из России и Франции создали прорывный алгоритм просчета движения света через различные материалы, который заметно ускорит создание сверхбыстрых систем связи и «принтеров» для сверхмалых транзисторов и микросхем, говорится в статье, опубликованной в Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer.
«Допустим, мы кидаем камешки в центр пруда круглой формы. Волны от камешков будут иметь кольцевую форму и распространяться от центра пруда к его краям. Какую форму будут иметь волны, если в каком-то месте пруда плавает лодка? Оказывается, что если лодку убрать, и в месте её расположения в воду бросать множество мелких камушков, то эти камушки можно подобрать таким образом, что сумма всех волн от всех камней будет такой же, как если бы в пруду плавала лодка», — рассказывает Алексей Щербаков из Московского Физтеха в Долгопрудном.
Речь идет о моделировании так называемых дифракционных решеток – особых оптических приборов, разбивающих падающий на них свет на отдельные компоненты и отражающих часть из них обратно. Как правило, дифракционные решетки представляют собой «лес» из структур, отражающих или пропускающих свет, комбинация которых заставляет частицы света на разных длинах волн двигаться в определенных направлениях.
Простейшим примером такой структуры является обычный компакт-диск – ямки и выступы на его поверхности заставляют свет отражаться от него, подчиняясь простым периодическим законам. Если посветить на него лазером, то в результате этого от него отразится набор темных и светлых линий, а луч обычного света превратится в спектральную «радугу». Подобные решетки сегодня являются основой фактически всех научных приборов, изучающих свойства света и материи, а также являются основой многих типов военных лазеров, систем связи и голопроекторов.
Как рассказывает Щербаков, расстояния между темными и светлыми линиями может вычислить даже школьник, однако определение яркости каждого «ряда» в таком световом «частоколе» – крайне сложная и трудоемкая задача, требующая массы вычислений на базе уравнений Максвелла, описывающих фундаментальный характер поведения света.
Такие расчеты крайне необходимы для дальнейшего ускорения глобальной сети и уменьшения размеров компьютерных чипов, так как ученым становится все сложнее управлять свойствами света и подавлять помехи, возникающие в работе оптоволокна или литографов, «печатающих» микросхемы.
Компьютерная модель дифракционной решетки.
Российские и французские физики нашли способ ускорения и упрощения этих расчетов, разработав новый алгоритм вычисления уравнений Максвелла при помощи технологий GPGPU – методики использования видеоускорителей в качестве отдельных вычислительных модулей.
Как объясняют ученые, современные компьютерные процессоры способны исполнять параллельно лишь небольшое число операций, чье число обычно ограничено число ядер, чье количество не превышает 20-30 для самых дорогих ЦПУ. Видеопроцессоры и видеокарты, с другой стороны, содержат в себе тысячи параллельно работающих вычислительных модулей, способных исполнять примитивные вычислительные операции.
Для реализации этой задачи Щербаков и его коллеги пошли на хитрость, разбив крупные дифракционные структуры на совокупности более простых объектов, чьи оптические свойства можно просчитать гораздо быстрее, чем всей суммы подобных элементов, не теряя при этом в точности расчетов. Это позволяет распределить расчеты на тысячи отдельных процессоров, что в сотни и тысячи раз ускоряет просчет свойств решетки.
К примеру, достаточно старая видеокарта Nvidia GTX Titan просчитывала свойства таких решеток в 10-45 раз быстрее, чем это делало одно ядро процессора Intel Xeon E5640, созданного примерно в то же время. Современные модели вычислительных ускорителей, как отмечают ученые, добьются еще большего превосходства, и приблизят нас к созданию новых, более «чистых» и быстрых систем оптической связи и позволят полупроводниковой промышленности «догнать» закон Мура, от которого она начала отставать в последнее время.
