光子計(jì)算機(jī)

簡(jiǎn)要介紹

現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)是由電流來(lái)傳遞和處理信息。電場(chǎng)在導(dǎo)線中傳播的速度雖然比我們看到的任何運(yùn)載工具運(yùn)動(dòng)的速度都快，但是，從發(fā)展高速率計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，采用電流做輸運(yùn)信息載體還不能滿足快的要求，提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度也明顯表現(xiàn)出能力有限了。而光子計(jì)算機(jī)以光子作為傳遞信息的載體，光互連代替導(dǎo)線互連，以光硬件代替電子硬件，以光運(yùn)算代替電運(yùn)算，利用激光來(lái)傳送信號(hào)，并由光導(dǎo)纖維與各種光學(xué)元件等構(gòu)成集成光路，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長(zhǎng)、頻率、偏振態(tài)及相位的光代表不同的數(shù)據(jù)，這遠(yuǎn)勝于電子計(jì)算機(jī)中通過(guò)電子“0”、“1”狀態(tài)變化進(jìn)行的二進(jìn)制運(yùn)算，可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速的并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。

1990年初，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室制成世界上第一臺(tái)光子計(jì)算機(jī)。光子計(jì)算機(jī)是一種由光信號(hào)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計(jì)算機(jī)。光子計(jì)算機(jī)的基本組成部件是集成光路，要有激光器、透鏡和核鏡。

由于光子比電子速度快，光子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度可高達(dá)一萬(wàn)億次。它的存貯量是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的幾萬(wàn)倍，還可以對(duì)語(yǔ)言、圖形和手勢(shì)進(jìn)行識(shí)別與合成。

許多國(guó)家都投入巨資進(jìn)行光子計(jì)算機(jī)的研究。隨著現(xiàn)代光學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)相結(jié)合，在不久的將來(lái)，光子計(jì)算機(jī)將成為人類(lèi)普遍的工具。

優(yōu)勢(shì)

不用電子，用光子做傳遞信息的載體，就有可能克服前面談到的那些限制，制造出性能更優(yōu)異的計(jì)算機(jī)。用光子做傳遞信息的載體有以下幾方面的好處：

光子****不帶電荷

它們之間不存在電磁場(chǎng)相互作用在自由空間中幾束光平行傳播、相互交叉?zhèn)鞑?，彼此之間不發(fā)生干擾，千萬(wàn)條光束可以同時(shí)穿越一只光學(xué)元件而不會(huì)相互影響。一只20×20c㎡的光學(xué)系統(tǒng)，能夠提供5×10^5條并行傳輸信息通道；一只質(zhì)量好的透鏡能夠提供10^8條信息通道。如果用光波導(dǎo)傳輸，光波導(dǎo)也可以相互穿越，只要它們的交叉角大于10°左右就不會(huì)有明顯的交叉耦合。上述的性質(zhì)又稱光信號(hào)傳輸?shù)牟⑿行浴?/p>

光子沒(méi)有靜止質(zhì)量

它既可以在半真空中傳播，也可以在介質(zhì)中傳播，傳播速度比電子在導(dǎo)線中的傳播速度快得多（約1000倍），也就是說(shuō)，光子攜帶信息傳遞的速度比電子快計(jì)算機(jī)內(nèi)的芯片之間用光子互連不受電磁干擾影響，互連的密度可以很高。在自由空間進(jìn)行互連，每平方毫米面積上的連接線數(shù)目可以達(dá)到5萬(wàn)條，如果用光波導(dǎo)方式互連，可以有萬(wàn)條。所以，用光子做信息處理載體，會(huì)制造出運(yùn)算速度極高的計(jì)算機(jī)，理論上可以達(dá)到每秒1000億次，信息存儲(chǔ)量達(dá)到10^18位。這種計(jì)算機(jī)稱為光子計(jì)算機(jī)。

超高速的運(yùn)算速度

光子計(jì)算機(jī)并行處理能力強(qiáng)，因而具有更高的運(yùn)算速度。電子的傳播速度是593km/s，而光子的傳播速度卻達(dá)3×10^5km/s，對(duì)于電子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，電子是信息的載體，它只能通過(guò)一些相互絕緣的導(dǎo)線來(lái)傳導(dǎo)，即使在最佳的情況下，電子在固體中的運(yùn)行速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如光速，盡管目前電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度不斷提高，但它的能力極限還是有限的；此外，隨著裝配密度的不斷提高，會(huì)使導(dǎo)體之間的電磁作用不斷增強(qiáng)，散發(fā)的熱量也在逐漸增加，從而制約了電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度；而光子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度要比電子計(jì)算機(jī)快得多，對(duì)使用環(huán)境條件的要求也比電子計(jì)算機(jī)低得多。

超大規(guī)模的信息存儲(chǔ)容量

與電子計(jì)算機(jī)相比，光子計(jì)算機(jī)具有超大規(guī)模的信息存儲(chǔ)容量。光子計(jì)算機(jī)具有極為理想的光輻射源——激光器，光子的傳導(dǎo)是可以不需要導(dǎo)線的，而且即使在相交的情況下，它們之間也不會(huì)產(chǎn)生絲毫的相互影響。光子計(jì)算機(jī)無(wú)導(dǎo)線傳遞信息的平行通道，其密度實(shí)際上是無(wú)限的，一枚五分硬幣大小的枚鏡，它的信息通過(guò)能力竟是全世界現(xiàn)有電話電纜通道的許多倍。

能量消耗小，散發(fā)熱量低

是一種節(jié)能型產(chǎn)品。光子計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)，只需要同類(lèi)規(guī)格的電子計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)能量的一小部分，這不僅降低了電能消耗，大大減少了機(jī)器散發(fā)的熱量，而且為光子計(jì)算機(jī)的微型化和便攜化研制，提供了便利的條件?？茖W(xué)家們正試驗(yàn)將傳統(tǒng)的電子轉(zhuǎn)換器和光子結(jié)合起來(lái)，制造一種“雜交”的計(jì)算機(jī)，這種計(jì)算機(jī)既能更快地處理信息，又能克服巨型電子計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部過(guò)熱的難題。

主要組成

光子計(jì)算機(jī)由光學(xué)反射鏡、透鏡、濾波器等光學(xué)元件和設(shè)備組成。有模擬式與數(shù)字式兩類(lèi)光子計(jì)算機(jī)。模擬式光子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是直接利用光學(xué)圖像的二維性，因而結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。這種光子計(jì)算機(jī)已用于衛(wèi)星圖片處理和模式識(shí)別工作。美國(guó)以前提出的星球大戰(zhàn)計(jì)劃，就打算發(fā)展這種計(jì)算機(jī)來(lái)識(shí)別高速飛行的導(dǎo)彈圖像。數(shù)字式光子計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)方案有許多種，其中認(rèn)為開(kāi)發(fā)價(jià)值比較大的有兩種，一種是采用電子計(jì)算機(jī)中已經(jīng)成熟的結(jié)構(gòu)，只是用光學(xué)邏輯元件取代電子邏輯元件，用光子互連代替導(dǎo)線互連。另外一種是全新的，以并行處理（光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)在本世紀(jì)80年代制成了光學(xué)信息處理機(jī)年數(shù)字光處理機(jī)也獲得成功，它由激光器、透鏡和棱鏡等組成。雖然光子計(jì)算機(jī)已經(jīng)成功，但在目前來(lái)說(shuō)，光子計(jì)算機(jī)在功能以及運(yùn)算速度等方面，還趕不上電子計(jì)算機(jī)，我們使用的主要還是電子計(jì)算機(jī)，今后也發(fā)展電子計(jì)算機(jī)。但是，從發(fā)展的潛力大小來(lái)說(shuō)，顯然光子計(jì)算機(jī)比電子計(jì)算機(jī)大得多，特別是在對(duì)圖像處理、目標(biāo)識(shí)別和人工智能等方面，光子計(jì)算機(jī)將來(lái)發(fā)揮的作用遠(yuǎn)比電子計(jì)算機(jī)大。

發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室宣布研制出世界上第一臺(tái)光學(xué)計(jì)算機(jī)。它采用砷化鎵光學(xué)開(kāi)關(guān)，運(yùn)算速度達(dá)每秒10億次。盡管這臺(tái)光學(xué)計(jì)算機(jī)與理論上的光學(xué)計(jì)算機(jī)還有一定距離，但已顯示出強(qiáng)大的生命力。人類(lèi)利用光纜傳輸數(shù)據(jù)已經(jīng)有20多年的歷史了，用光信號(hào)來(lái)存儲(chǔ)信息的光盤(pán)技術(shù)也已廣泛應(yīng)用。然而要想制造真正的光子計(jì)算機(jī)，需要開(kāi)發(fā)出可以用一條光束來(lái)控制另一條光束變化的光學(xué)晶體管這一基礎(chǔ)元件，一般說(shuō)來(lái)，科學(xué)家們雖然可以實(shí)現(xiàn)這樣的裝置，但是所需的條件如溫度等仍較為苛刻，尚難以進(jìn)入實(shí)用階段。

美國(guó)馬薩諸塞州的一家光學(xué)技術(shù)公司——光導(dǎo)發(fā)光元件系統(tǒng)公司正與美國(guó)航空航天局馬歇爾航天中心合作開(kāi)發(fā)用來(lái)制造光學(xué)計(jì)算機(jī)的“光”路板，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子移動(dòng)的控制，并有望在今取得突破。1999年5月，在美國(guó)西北大學(xué)工作的新加坡科學(xué)家何盛中領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)有20多人的研究小組利用納米級(jí)的半導(dǎo)體激光器研制出世界上最小的光子定向耦合器，可以在寬度僅0.2至0.4微米的半導(dǎo)體層中對(duì)光進(jìn)行分解和控制。

研發(fā)制造

巴斯大學(xué)（University of Bath）的物理學(xué)家正在進(jìn)行一個(gè)項(xiàng)目，想研制出一種計(jì)算機(jī)，可以用光子代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子來(lái)運(yùn)作。

這個(gè)項(xiàng)目由工程及物理科學(xué)研究理事會(huì)（Engineering and Physical Sciences Research Council）發(fā)起，總投資82萬(wàn)英鎊。這項(xiàng)研究將推動(dòng)光子物理的發(fā)展，同時(shí)也給了物理學(xué)家從原子級(jí)別觀察世界的一次機(jī)會(huì)。

在過(guò)去四十來(lái)年里，摩爾定律一直在發(fā)揮它的威力，芯片廠商們將產(chǎn)品越做越小，以至于晶體管之間的相互作用會(huì)造成嚴(yán)重影響。于是工程師們開(kāi)始將目光投注在光子方面，想利用光子來(lái)傳輸信息。

他們采用新型光子晶體光纖作為傳輸器材，比其傳統(tǒng)光線來(lái)，新材料的損耗要小得多。“如果成功，這將是近五十年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的一次革命”項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)者Benabid博士說(shuō)。

光子計(jì)算機(jī) - 計(jì)算機(jī)展望

相信在看這篇文章的人對(duì)PC已經(jīng)有一定的認(rèn)識(shí)，對(duì)PC的過(guò)去我也就不多說(shuō)了，摩爾定律完全掌握著我們可以遇見(jiàn)的未來(lái)，而摩爾定律失效將會(huì)出現(xiàn)在0.2nm工藝制作芯片的時(shí)候，因?yàn)槟且呀?jīng)一個(gè)原子的直徑了。但在這之前或之后很短的時(shí)間內(nèi)光子計(jì)算機(jī)將會(huì)取代電子計(jì)算機(jī)，那時(shí)光子計(jì)算機(jī)就像我們現(xiàn)在使用的電子計(jì)算機(jī)一樣流行，因此我對(duì)未來(lái)的PC的預(yù)測(cè)是建立在光子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上：PC將會(huì)分為兩個(gè)支線，一個(gè)是臺(tái)式機(jī)，臺(tái)式機(jī)不會(huì)被淘汰，它繼續(xù)以高性能價(jià)格比占據(jù)著市場(chǎng)的大部分。現(xiàn)在的PDA將會(huì)是另一個(gè)分支的雛形，它甚至?xí)⑹痔犭娔X淘汰，原因下文我說(shuō)到。(下文所提到的計(jì)算機(jī)除特別指出，否則都是指光子計(jì)算機(jī))

我先來(lái)說(shuō)說(shuō)未來(lái)的臺(tái)式機(jī)，臺(tái)式機(jī)不會(huì)因?yàn)镻C的極度發(fā)展而消失，相反它比任何一種其他機(jī)型更能適應(yīng)市場(chǎng)的發(fā)展需求，臺(tái)式機(jī)將會(huì)以高性能，低價(jià)格作為發(fā)展之路，光子臺(tái)式機(jī)的整個(gè)架構(gòu)將會(huì)是以光信號(hào)取代現(xiàn)在的電信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)輸入設(shè)備觸發(fā)，經(jīng)傳送到CPU處理后，再按輸出。其實(shí)原理跟現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)一樣，只不過(guò)所有通信都是有光信號(hào)完成。下面簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)每個(gè)配件。

CPU：作為光子計(jì)算機(jī)核心，它仍然會(huì)作為一個(gè)獨(dú)立產(chǎn)品來(lái)被開(kāi)發(fā)和研究，至于它的材料應(yīng)該會(huì)是一種存儲(chǔ)量大，當(dāng)規(guī)模生產(chǎn)之后會(huì)變得相當(dāng)便宜的物質(zhì)。

主板：或者說(shuō)是光信號(hào)生成或傳送器更加貼切一些，但這個(gè)物件可能會(huì)消失。在未來(lái)主板不再與現(xiàn)在的主板同等重要，因?yàn)楣庑盘?hào)生成可能會(huì)在電源中完成，而光信號(hào)傳送途徑可以簡(jiǎn)單地透過(guò)CPU與其他物件的連接實(shí)現(xiàn)。這樣主板就不再有存在的理由了。

硬盤(pán)與內(nèi)存：光子計(jì)算機(jī)中硬盤(pán)會(huì)完成現(xiàn)在內(nèi)存和硬盤(pán)的工作，內(nèi)存將消失?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)的原理被改變，處理器直接可以在高速硬盤(pán)中讀取、運(yùn)行、處理數(shù)據(jù)。但現(xiàn)有的光存儲(chǔ)器的速度實(shí)在不可以實(shí)現(xiàn)，因此現(xiàn)在的光儲(chǔ)存器在將來(lái)只會(huì)作為廉價(jià)的備份或復(fù)制轉(zhuǎn)移設(shè)備。新的儲(chǔ)存器將會(huì)是一種可透光的液態(tài)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)直接紀(jì)錄在每個(gè)原子上，以高速運(yùn)動(dòng)的原子實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速讀取，從而取代內(nèi)存。

顯卡與顯示器：顯卡將會(huì)與顯示器集成，或消失，現(xiàn)在的液晶顯示器是未來(lái)顯示器的雛形，未來(lái)的顯示器將會(huì)是無(wú)點(diǎn)距液態(tài)顯示器，同樣是像現(xiàn)在的顯示器一樣是超薄顯示器，顯示器面板上將會(huì)有一種受激會(huì)發(fā)光的物質(zhì)，以每一原子為發(fā)光單位來(lái)顯示圖形，實(shí)現(xiàn)無(wú)點(diǎn)距顯示。

現(xiàn)在未來(lái)的臺(tái)式光子計(jì)算機(jī)已經(jīng)基本成型了，其他配件也像現(xiàn)在的PC一樣，按自己的需要DIY。未來(lái)PC的另一個(gè)分支就是未來(lái)的PDA，現(xiàn)在PDA已經(jīng)是一個(gè)很好的概念了，只是它現(xiàn)在實(shí)在是處于發(fā)展的起步，難成氣候。在理論上說(shuō)，只有工藝足夠高的話，所有原件都可以集成一塊芯片上，于是未來(lái)的PDA會(huì)從這點(diǎn)出發(fā)，也高度集成性和方便攜帶性而成為PC的另一個(gè)分支。說(shuō)它是PC的一個(gè)分支，因?yàn)樗紫纫墒痔犭娔X的全部功能，它還會(huì)集成現(xiàn)在的數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、GPS等的功能，另外它還要實(shí)現(xiàn)即時(shí)通信功能，如同現(xiàn)在的手機(jī)一樣。

未來(lái)的PDA大小應(yīng)該比現(xiàn)在的手機(jī)小一點(diǎn)點(diǎn)，你可以見(jiàn)到PDA很可能跟現(xiàn)在的手機(jī)一樣，只有簡(jiǎn)單的幾個(gè)按鍵和一個(gè)不太大的彩色屏幕。但不要小看它，它將可以實(shí)現(xiàn)手提電腦的全部功能，PDA上將會(huì)集成一個(gè)投射屏幕投射器，投射屏幕能在空氣中、不需要任何其他物品就可以形成影像。PDA可以完全實(shí)現(xiàn)聲控功能，萬(wàn)一有需要時(shí)，它還可以透過(guò)投射器顯示出來(lái)的一個(gè)全尺寸鍵盤(pán)，你可以在這個(gè)投射鍵盤(pán)上實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)輸入。