“光腦”來(lái)襲

現(xiàn)在，電腦已成為我們工作、生活中密不可分的親密伙伴，上網(wǎng)沖浪要用它，查詢資料要用它，看電影電視要用它……然而，隨著電腦的使用越來(lái)越普遍，隨之而來(lái)的煩惱也越來(lái)越多：電腦處理速度越來(lái)越慢，經(jīng)?？ㄗ∩踔了罊C(jī)，時(shí)間一長(zhǎng)電腦散熱不良，總是需要定時(shí)清理……

那么，有沒有一種電腦能讓我們甩掉這些煩惱？它的速度能否超越目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)？對(duì)此，“光腦”給出了答案。

何謂“光腦”？

所謂“光腦”，其實(shí)是對(duì)應(yīng)于電腦而言，是光子計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱。

光子計(jì)算機(jī)的基本組成部件是集成光路，它用不同波長(zhǎng)的光代表不同的數(shù)據(jù)，以大量透鏡、棱鏡和反射鏡將數(shù)據(jù)從一個(gè)芯片傳送到另一個(gè)芯片。由于光子比電子速度快，光子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度高達(dá)1萬(wàn)億次，存貯量是電子計(jì)算機(jī)的上萬(wàn)倍，還可對(duì)語(yǔ)言、圖形、手勢(shì)等進(jìn)行識(shí)別與合成。

研制光子計(jì)算機(jī)的設(shè)想早在20世紀(jì)50年代后期就已提出。1986年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的戴維·米勒研制出小型光開關(guān)，為同實(shí)驗(yàn)室的艾倫·黃研制光處理器提供了必要元件。1990年1月，艾倫·黃的實(shí)驗(yàn)室宣布研制出世界上第一臺(tái)光子計(jì)算機(jī)。

但光子計(jì)算機(jī)需要開發(fā)出可用一條光束控制另一條光束變化的光學(xué)“晶體管”。而現(xiàn)有的光學(xué)“晶體管”龐大而笨拙，若用它們?cè)斐膳_(tái)式計(jì)算機(jī)，將有汽車那么大。因此，短期內(nèi)光子計(jì)算機(jī)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

比超級(jí)計(jì)算機(jī)快一萬(wàn)倍

與普通的計(jì)算機(jī)相比，“光腦”性能更優(yōu)異，運(yùn)算速度更快，存儲(chǔ)量更大，能耗更小，散熱更低。那么，它是怎么做到的呢？

并行傳輸——讓電腦不再“休息”。由于目前電子計(jì)算機(jī)的CPU（中央處理器，相當(dāng)于人的大腦）采用串行的處理方式，直接導(dǎo)致其工作時(shí)間實(shí)際只占了總時(shí)間的三分之一，那么它的大部分時(shí)間用來(lái)做什么了呢——用在了傳輸數(shù)據(jù)上，也就是我們所說(shuō)的緩存。

試想一下，本來(lái)性能就一般的家用電腦還把大部分時(shí)間用來(lái)“休息”，這不是要?dú)馑缹殞殕?？幸好，“光腦”通過光子進(jìn)行數(shù)據(jù)傳播，光子彼此之間沒有干擾，齊頭并進(jìn)。因此，當(dāng)電子排著長(zhǎng)隊(duì)一個(gè)個(gè)緩慢通過處理器到達(dá)緩存時(shí)，光子已經(jīng)肩并肩開著光速飛機(jī)飛馳而過了。

超高速運(yùn)算——比超級(jí)計(jì)算機(jī)快一萬(wàn)倍。電子的傳播速度是593km/ s，而光子的傳播速度卻達(dá)300000km/ s。對(duì)于電子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，電子是信息的載體，它只能通過一些相互絕緣的導(dǎo)線來(lái)傳導(dǎo)，即使在最佳情況下，電子在固體中的運(yùn)行速度也遠(yuǎn)低于光速，盡管目前電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度不斷提高，但它的最高速度仍是有限的。而光子計(jì)算機(jī)并行處理能力強(qiáng)，因而具有更高的運(yùn)算速度。它一旦成功問世，將比現(xiàn)在的超級(jí)計(jì)算機(jī)快1000～10000倍。

海量存儲(chǔ)——超強(qiáng)的信息通過能力。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，它的信息通過能力竟是全世界現(xiàn)有電話電纜通道的許多倍。

更低能耗——能量消耗小，散發(fā)熱量低。電子計(jì)算機(jī)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，從而制約運(yùn)行速度。而光子計(jì)算機(jī)就沒有這種煩惱，光子計(jì)算機(jī)是一種節(jié)能型產(chǎn)品，它的驅(qū)動(dòng)只需要同類規(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，還為光子計(jì)算機(jī)的微型化和便攜化研制提供了便利的條件。

“光腦”的靈感來(lái)自蝴蝶

正如牛頓從樹上掉下的蘋果上最終悟出著名的萬(wàn)有引力定律，瓦特從沸騰的水中得到靈感發(fā)明蒸汽機(jī)，科學(xué)家開發(fā)“光腦”的靈感也來(lái)自大自然。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蝴蝶翅膀漂亮的顏色既不是染料色也不是顏料色，而是一種新奇的色彩——結(jié)構(gòu)色彩。這種結(jié)構(gòu)色彩飽和度高、光澤絢麗、環(huán)境友好且永不褪色。

蝴蝶翅膀中特定的周期性結(jié)構(gòu)對(duì)光具有調(diào)控性能，使某一頻率范圍的波不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播而被散射回來(lái)，人們將這種具有特定周期性結(jié)構(gòu)的物質(zhì)稱為光子晶體。

類似于電子計(jì)算機(jī)中半導(dǎo)體元件可以對(duì)電子選擇性通過，光子計(jì)算機(jī)中的光子晶體也可以作為光的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)“0和1”的邏輯運(yùn)算。光子計(jì)算機(jī)中的關(guān)鍵部件激光器就是通過這一原理實(shí)現(xiàn)的。

何時(shí)“飛入尋常百姓家”

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。光子計(jì)算機(jī)有模擬式與數(shù)字式兩類。

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。

數(shù)字式光子計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)方案有許多種，其中被認(rèn)為開發(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)。

目前，光子計(jì)算機(jī)已經(jīng)成功研制并且取得一系列新的進(jìn)展。比如，來(lái)自美國(guó)杜克大學(xué)的計(jì)算機(jī)電子工程師團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了能實(shí)現(xiàn)超快速開關(guān)的LED燈管，每秒鐘能夠開關(guān)900億次的性能，使得它能夠取代之前的LED技術(shù)，構(gòu)成光子計(jì)算機(jī)的硬件基礎(chǔ)。

雖然目前我們使用的是電子計(jì)算機(jī)，但是從發(fā)展的潛力來(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，將成為替代電腦的最有潛力選手。相信在不久的將來(lái)，“光腦”必將從軍用走向民用，成為人們?nèi)粘Ｉ畹陌閭H。（編輯/余風(fēng)）