МОСКВА, 25 янв – РИА Новости. 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 сканеров-литографов, "печатающих" микросхемы.
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 разработали новый математический подход к вычислению свойств дифракционных решеток, представив их как оптически неоднородное пространство. Он позволяет распределить вычислительный процесс на большое число вычислительных модулей, используя предыдущие наработки ученых из МФТИ по быстрым расчетам дифракционных решеток.
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. Как пояснил Щербаков РИА "Новости", разработанный подход позволяет строго рассчитывать даже очень большие по площади дифракционные элементы, свойства которых раньше изучались лишь при помощи методов приближения.
Современные модели вычислительных ускорителей, как отмечают авторы статьи, 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.
