“光腦”來襲

《大眾科學》編輯部

電腦的使用越來越普遍，人們的煩惱也越來越多：電腦處理速度越來越慢，經?？C甚至死機；電腦散熱不良，總是需要定時清理電腦的緩存垃圾……。那么，有沒有一種電腦能讓我們甩掉這些煩惱？對此，“光腦”給出了答案。

所謂“光腦”，其實是對應于電腦而言，是光子計算機的簡稱。光子計算機的基本組成部件是集成光路，它用不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，以大量透鏡、棱鏡和反射鏡將數(shù)據(jù)從一個芯片傳送到另一個芯片。由于光子比電子速度快，光子計算機的運行速度高達每秒1萬億次，存貯量是電子計算機的上萬倍，還可對語言、圖形、手勢等進行識別與合成。

1986年，貝爾實驗室的戴維·米勒研制出小型光開關，為同實驗室的艾倫·黃研制光處理器提供了必要元件。研制光子計算機需要開發(fā)出可用一條光束控制另一條光束變化的光學“晶體管”?，F(xiàn)有的光學“晶體管”龐大而笨拙，若用它們造成臺式計算機，將有汽車那么大。因此，短期內光子計算機還無法實現(xiàn)商業(yè)化生產。

與普通的計算機相比，“光腦”性能更優(yōu)異，運算速度更快，存儲量更大，能耗更小，散發(fā)熱量更少。那么，它是怎么做到的呢？

并行傳輸——讓計算機不再“休息”。由于目前電子計算機的CPU采用串行的處理方式，直接導致其工作時間實際只占了總時間的三分之一。那么它的大部分時間用來做什么呢？用在了傳輸數(shù)據(jù)上，也就是我們所說的緩存。

“光腦”通過光子進行數(shù)據(jù)傳播，光子彼此之間沒有干擾，齊頭并進。因此，當電子排著長隊一個個通過處理器到達緩存時，光子已經肩并肩飛馳而過了。

超高速運算——比超級計算機快一萬倍。電子的傳播速度是593km/s，光子的傳播速度卻達300000kngs。對于電子計算機來說，電子是信息的載體，它只能通過一些相互絕緣的導線來傳導。即使在最佳情況下，電子在固體中的運行速度也遠低于光速。盡管目前電子計算機運算速度不斷提高，但它的最高速度仍是有限的。光子計算機并行處理能力強，因而具有更高的運算速度。

海量存儲——超強的信息通過能力。與電子計算機相比，光子計算機具有超大規(guī)模的信息存儲容量。光子計算機具有極為理想的光輻射源——激光器。光子的傳導是可以不需要導線的，而且即使在相交的情況下，它們之間也不會產生絲毫的相互影響。光子計算機無導線傳遞信息的平行通道。信息通過能力是現(xiàn)有電話電纜通道的許多倍。

更低能耗——能量消耗小，散發(fā)熱量少。隨著裝配密度的不斷提高，電子計算機導體之間的電磁作用會不斷增強，散發(fā)的熱量也會逐漸增加，從而制約電子計算機的運行速度。而光子計算機就沒有這種問題。光子計算機是一種節(jié)能型產品，它的驅動只需要同類規(guī)格的電子計算機驅動能量的一小部分，這不僅降低了電能消耗，大大減少了機器散發(fā)的熱量，還為光子計算機的微型化和便攜化研制提供了便利的條件。

正如牛頓從樹上掉下的蘋果上最終悟出著名的萬有引力定律，科學家開發(fā)“光腦”的靈感也來自大自然?？茖W家研發(fā)“光腦”的靈感來自蝴蝶翅膀中的光子晶體。

科學家發(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——結構色彩。這種結構色彩飽和度高、光澤絢麗，對環(huán)境友好且永不褪色。

蝴蝶翅膀中特定的周期性結構對光具有調控性能，使某一頻率范圍的波，不能在此周期性結構中傳播而被散射回來，人們將這種具有特定周期性結構的物質稱為光子晶體。

類似于電子計算機中半導體的元件可以有選擇性地讓電子通過，光子計算機中的光子晶體也可以作為光的開關，實現(xiàn)“0和1”的邏輯運算。光子計算機中的關鍵部件激光器就是利用這一原理工作的。

光子計算機有模擬式與數(shù)字式兩類。模擬式光子計算機的特點是直接利用光學圖像的二維性，因而結構比較簡單。這種光子計算機已用于衛(wèi)星圖片處理和模式識別工作。

數(shù)字式光子計算機的結構方案有許多種，其中被認為開發(fā)價值比較大的有兩種：一種是采用電子計算機中已經成熟的結構，只是用光學邏輯元件取代電子邏輯元件，用光子互連代替導線互連；另外一種是全新的，以并行處理（光學神經網(wǎng)絡）為基礎的結構。

目前，科學家已經成功研制出光子計算機，并且取得一系列新的進展。比如，來自美國杜克大學的計算機電子工程師團隊研發(fā)出了能實現(xiàn)超快速開關的LED燈管，每秒鐘能夠開關900億次的性能，使得它能夠取代之前的LED技術，構成光子計算機的硬件基礎。

雖然目前我們使用的是電子計算機，但是從發(fā)展的潛力來說，顯然光子計算機比電子計算機功能強大得多，特別是在圖像處理、目標識別和人工智能等方面。光子計算機將來發(fā)揮的作用遠比電子計算機大，將成為替代后者的最有潛力的選手。

（選自《大眾科學》2016年第5期，有刪改）