比超級計算機快一萬倍的“光腦”來了

 

面向未來的光子計算機

 

計算機和互聯網已經與人們的日常工作、學習和生活息息相關。我們享受計算機帶來的開放與互動的同時，也忍受著電腦處理速度慢、經常卡住甚至死機的煩惱；散熱不良、定時清理電腦的煩惱；將笨重的筆記本電腦背來背去、勞累異常的煩惱。

 

有沒有一種計算機是超常的？能夠讓人甩掉這些煩惱？普通人夢寐以求的設備會成為現實嗎？將來的移動設備能否超越目前最快的超級計算機？“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。光子計算機是一種由光信號進行數字運算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計算機。不同於電子計算機對電子的控制，光子計算機的運行依靠鐳射器、光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件和設備對光子的控制完成光運算。

 

 

 

光子傳輸的並行高速性

 

用光子做傳遞信息的載體，可以製造出性能更優異的“光腦”。它的性能優越性體現在：

 

1.並行傳輸

 

由於目前電子計算機的CPU（中央處理器，相當於人的大腦）採用串列的處理方式，直接導致其工作時間實際只佔了總時間的三分之一，那麼它的大部分時間用來做什麼了呢？

 

傳輸數據，也就是我們所説的緩存。試想一下，本來性能就一般的家用電腦大部分時間用來休息，這不是要氣死人嗎？幸好，“光腦”是通過光子進行數據傳播。光子彼此之間沒有干擾，齊頭並進。當電子排著長隊一個一個地緩慢通過處理器到達緩存時，光子已經肩並肩地開著光速飛機飛馳而過了。

 

2.超高速運算

 

光子計算機並行處理能力強，因而具有更高的運算速度。

 

電子的傳播速度是593km/s，而光子的傳播速度卻達3×10"5km/s。對於電子計算機來説，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，即使在最佳的情況下，電子在固體中的運行速度也遠遠不如光速，儘管目前電子計算機運算速度不斷提高，但它的能力極限還是有限的。

 

一旦光子計算機成功問世，將會比現在的超級計算機快1000~10000倍。

 

此外，電子計算機隨著裝配密度的不斷提高，會使導體之間的電磁作用不斷增強，散發的熱量也在逐漸增加，從而制約運行速度。而光子計算機就沒有這種煩惱。

 

3.超大規模的信息存儲容量

 

與電子計算機相比，光子計算機具有超大規模的信息存儲容量。光子計算機具有極為理想的光輻射源——鐳射器，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，它們之間也不會産生絲毫的相互影響。光子計算機無導線傳遞信息的平行通道，其密度實際上是無限的，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有電話電纜通道的許多倍。

 

4.能量消耗小，散發熱量低

 

光子計算機是一種節能型産品。光子計算機的驅動，只需要同類規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的熱量，而且為光子計算機的微型化和便攜化研製，提供了便利的條件。

 

有意思的是，“光腦”的靈感竟是來自蝴蝶。

 

正如牛頓從樹上掉下的蘋果最終悟出著名的萬有引力定律，瓦特從沸騰的水中得到靈感發明蒸汽機，科學家開發“光腦”的靈感也是來自於大自然。

 

 

科學家發現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、環境友好且永不褪色。蝴蝶翅膀中特定的週期性結構對光具有調控性能，使某一頻率範圍的波不能在此週期性結構中傳播而被散射回來。人們將這種具有特定週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元件可以對電子選擇性通過，光子計算機中的光子晶體也可以作為光的開關，實現“0和1”的邏輯運算。光子計算機中的關鍵部件鐳射器就是通過這一原理實現的。

 

據了解，光子計算機由光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件和設備組成。有模擬式與數字式兩類光子計算機。

 

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於衛星圖片處理和模式識別工作。

 

數字式光子計算機的結構方案有許多種，其中被認為開發價值比較大的有兩種，一種是採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，以並行處理（光學神經網絡）為基礎的結構。