“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據，以大量透鏡、棱鏡和反射鏡將數據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出可用一條光束控制另一條光束變化的光學“晶體管”?，F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商業化生產。

與普通的計算機相比，“光腦”性能更優異，運算速度更快，存儲量更大，能耗更小，散發熱量更少。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？用在了傳輸數據上，也就是我們所說的緩存。

“光腦”通過光子進行數據傳播，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。信息通過能力是現有電話電纜通道的許多倍。

更低能耗——能量消耗小，散發熱量少。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能型產品，它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，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“光腦”的靈感也來自大自然?？茖W家研發“光腦”的靈感來自蝴蝶翅膀中的光子晶體。

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，對環境友好且永不褪色。

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“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出了能實現超快速開關的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）