比超級電腦快一萬倍的“光腦”來了

所謂“光腦”，其實是對應(yīng)于電腦而言的，是光子計算機(jī)的簡稱。光子計算機(jī)是一種由光信號進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計算機(jī)。不同于電子計算機(jī)對電子的控制，光子計算機(jī)的運(yùn)行依靠激光器、光學(xué)反射鏡、透鏡、濾波器等光學(xué)元件和設(shè)備對光子的控制完成光運(yùn)算。

性能：比超級計算機(jī)快一萬倍

用光子做傳遞信息的載體，可以制造出性能更優(yōu)異的“光腦”，它的性能優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.并行傳輸

由于目前電子計算機(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了呢？傳輸數(shù)據(jù)，也就是我們所說的緩存。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，這不是要氣死本寶寶嗎？幸好，“光腦”是通過光子進(jìn)行數(shù)據(jù)傳播。光子彼此之間沒有干擾，齊頭并進(jìn)。當(dāng)電子排著長隊一個一個的緩慢通過處理器到達(dá)緩存時，光子已經(jīng)肩并肩的開著光速飛機(jī)飛馳而過了。

2.超高速運(yùn)算

光子計算機(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。對于電子計算機(jī)來說，電子是信息的載體，它只能通過一些相互絕緣的導(dǎo)線來傳導(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，盡管目前電子計算機(jī)運(yùn)算速度不斷提高，但它的能力還是有限的。一旦光子計算機(jī)成功問世，將會比現(xiàn)在的超級計算機(jī)快1000-10000倍。

此外，電子計算機(jī)隨著裝配密度的不斷提高，會使導(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。而光子計算機(jī)就沒有這種煩惱。

3.超大規(guī)模的信息存儲容量

與電子計算機(jī)相比，光子計算機(jī)具有超大規(guī)模的信息存儲容量。光子計算機(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，它們之間也不會產(chǎn)生絲毫的相互影響。光子計算機(jī)無導(dǎo)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(xiàn)有電話電纜通道的許多倍。

4.能量消耗小，散發(fā)熱量低

光子計算機(jī)是一種節(jié)能型產(chǎn)品。光子計算機(jī)的驅(qū)動，只需要同類規(guī)格的電子計算機(jī)驅(qū)動能量的一小部分，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(fā)明蒸汽機(jī)，科學(xué)家開發(fā)“光腦”的靈感也是來自于大自然。

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。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。

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

何時“飛入尋常百姓家”？

光子計算機(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)字式兩類光子計算機(jī)。

模擬式光子計算機(jī)的特點是直接利用光學(xué)圖像的二維性，因而結(jié)構(gòu)比較簡單。這種光子計算機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)方案有許多種，其中被認(rèn)為開發(fā)價值比較大的有兩種，一種是采用電子計算機(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)。

光子計算機(jī)已經(jīng)成功研制并且取得一系列新的進(jìn)展，例如來自美國杜克大學(xué)的計算機(jī)電子工程師團(tuán)隊研發(fā)出了能夠?qū)崿F(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)成光子計算機(jī)的硬件基礎(chǔ)。

雖然目前我們使用的是電子計算機(jī)，但是從發(fā)展的潛力來說，顯然光子計算機(jī)比電子計算機(jī)大得多，特別是在對圖像處理、目標(biāo)識別和人工智能等方面，光子計算機(jī)將來發(fā)揮的作用遠(yuǎn)比電子計算機(jī)大。