淺談光子計算機

楊燕妮　劉鵬　李川江

【摘 要】以計算機為代表的信息產(chǎn)業(yè)突飛猛進，發(fā)展速度驚人，目前已廣泛應用在人類社會的各行各業(yè)。本文淺談當前電子計算機的運算速度受到了多種因素的制約，介紹了光子計算機的概述，研究狀況，光子計算機的光器件與光路，光子計算機的特點。

【關鍵詞】光子學；光子計算機；光子元件；集成光路

Talking about the photonic computer

YANG Yan-ni LIU Peng LI Chuan-jiang

（Xinjiang Institute of Engineering， Urumqi Xinjiang 830091， China）

【Abstract】The speed of the computer industry for more than expected rapid development， at present has been used in all stages of human society. This article discuss the computer operation speed is restricted by various factors， this paper introduces the overview of the photonic computer， research situation and the light of the photonic computer devices and optical path， the characteristics of the photonic computer.

【Key words】Photonic； Photonic computer； Photonic components； Integrated optic

0 引言

目前，世界上技術先進的國家正在大力開發(fā)第五代計算機，其中一個重要的動向是加緊研制光子計算機。科學家認為，第五代計算機要求具有高得多的運算速度和更加豐富的邏輯處理系統(tǒng)，而光子計算機可以較好地滿足這些要求[1-2]。

20世紀40年代，美國賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）第一臺電子計算機產(chǎn)生以后，此后幾十年間，計算機制造工藝在不斷的變革中高速發(fā)展。計算機系統(tǒng)的歷史主要有以下發(fā)展階段電子管時期、晶體管時期、集成電路時期和超大規(guī)模集成電路時期。

1 電子計算機受到的制約

隨著信息技術的不斷發(fā)展，計算機已經(jīng)在人類社會的各行各業(yè)不斷應用著，在計算機技術的不斷前進的進程中，計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度超出了人們預料。在人類社會各行各業(yè)的不斷應用中，對計算機性能提出了越來越高的要求，例如復雜系統(tǒng)模擬、海量數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、精確制導系統(tǒng)等，其對運算速度的要求達到1012次以上，對數(shù)據(jù)量的要求非常大[3-4]。電子計算機的以下這些特點，限制了電子計算機的運算速度：

（1）馮·諾依曼（John von Neumann）的串行“瓶頸”問題，造成數(shù)據(jù)輸入與處理需要耗費大量的時間，使電子計算機的計算處理速度不能進一步提升，就像一個小口瓶里面的水，只能從瓶口慢慢地流出。

（2）帶寬有限問題，對信息傳輸系統(tǒng)來說載波頻率和信號頻率帶寬之比為100：1，微波頻段內(nèi)，電信號的頻率范圍在103兆赫茲-104兆赫茲，因而，傳輸信息時它的頻率帶寬是10兆赫茲-102兆赫茲。為了改善電子計算機的處理速度，我們讓信號脈沖的間隔盡可能小，需要把每個脈沖脈寬變窄，才不致于使信號相互重合而分不開。由于脈寬越窄，頻率帶寬會變寬，電子計算機的頻帶寬度不是無限的，要求信號的脈寬不能過窄，同時在傳輸過程中脈沖將會展寬，使得電子計算機的運算速度提高是困難的。

（3）時鐘歪斜問題，這是由于超大規(guī)模集成電路的元器件數(shù)量大，各部件同步時鐘到各元件的距離差異比較大，到達的信號需要等候未到達的信號，聯(lián)接距離一大，時間就變得很長。

（4）電阻電容電路問題，由于電阻電容電路的響應時間τ-RC，通常為10-9秒，這就阻礙了我們的核心元件—雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換速度，使傳輸速度和處理速度不能提高。

由于電子計算機以上這些阻礙運算速度的缺點，這些年，研究新的結(jié)構的計算機——光子計算機的專家不斷涌現(xiàn)。

2 光子計算機

2.1 光子計算機概述

光子計算機是靠光而不是靠電來運行的，而光子運動的速度要比電子快得多。光子計算機速度非?？?，要比已制造的高速電子計算機（每秒13億次）快上千倍。從理論上說，電子運動的速度可以接近光子，即每秒30萬公里，但在硅芯片上電子的實際速度還不到光速的1%。光子計算機是一種通過光信號來進行信息存儲、處理、運算、操作的新型計算機。1969年，研究光子計算機這一偉大征程由美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）的研究者拉開了序幕，第一臺光子計算機在1984年6月制造出來，這是由國際商用機器公司研發(fā)的，是一臺能夠正常工作的光子計算機，只是它必須工作在接近絕對零度的環(huán)境下。貝爾實驗室在1990年制造了一臺光子計算機，它由棱鏡、透鏡和激光器等元器件完成，貝爾實驗室走出了光子計算機的關鍵步伐。由歐盟的幾個高校合作，已開發(fā)完成的光子計算機，處理速度是電子計算機的1000倍。光子計算機主要有三大類：光模擬信號計算機（也叫光模擬機）、全光數(shù)字信號計算機（也叫光數(shù)字機）、光智能形式計算機，光子計算機起始于模擬機，模擬機具有并行快速計算和大信息容量的特點，在光學信息領域（如光編碼測距）獲得應用[6]。1990年至今，我們設計的全光子計算機，結(jié)構基本都是按照電子的傳統(tǒng)的計算機來設計的，它用光控制器、光存儲器和光運算器組合而成，相互之間和各自內(nèi)部以光互連這種方式來通信。現(xiàn)在全光數(shù)字計算機處在研究過程中，要用到的相關技術難題已經(jīng)有了答案，主要問題是如何開發(fā)更高利用率的光學元器件。光神經(jīng)網(wǎng)絡計算機處理研究中，它具有人工智能的系列優(yōu)點，帶給研究人員極大興趣，光神經(jīng)網(wǎng)絡計算機的研究同時取得了非常好的進展[7]。但是理論模型還需要進一步細化，要研制出利用率更高的空間調(diào)制器和性能更好的光開關列陣，其實真正實用的光子計算機還有很多路要走。當前全光數(shù)字計算機與光電混合計算機正在不斷發(fā)展，數(shù)字光計算的研究將成為所需要的光電器件的重要支撐。

2.2 光子計算機的研究狀況

光學器件是通過光子的運動進行工作的器件，通過調(diào)整光的參數(shù)，比如，相位、偏振、振幅、強度或波長，來制造出光子晶體管、光邏輯元件、光子存儲器件、光子探測器件、光空間調(diào)制器件等功能元器件，如光存儲器件—光學雙穩(wěn)器件發(fā)展也很迅速，有一種半導體量子阱制成的雙穩(wěn)器件，這是很有可能成為光邏輯和光存儲器件的，已經(jīng)制造了光邏輯運算和存儲陣列，它在將有望實現(xiàn)光高速運算。1970年以后，使用非線性闊值特性器件來作邏輯門，使用光雙穩(wěn)器件作存儲器，美國南加州大學（University of Southern California）研制的液晶光閥構建了具有組合邏輯結(jié)構功能的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種邏輯運算。通過多國的研究者們的努力，一種能夠?qū)⒐夥糯蠛途哂泄忾_關功能的光晶體管，先后在赫羅特-瓦特大學（Heriot-Watt University）、京都大學（Kyoto University）還有貝爾實驗室制造出來。

2.3 光子計算機中的光器件與光路

電子是電子計算機中信息的傳輸?shù)拿浇?，計算機的部件相互通信利用內(nèi)部或外部連線作為信號傳輸媒介，快信息流在傳輸時就會產(chǎn)生瓶頸阻塞效應。改用光子來傳輸信息，就不用考慮瓶頸阻塞效應。光子計算機有可能改變目前電子計算機的兩進位制的計算和處理方式，創(chuàng)造出更加豐富的邏輯系統(tǒng)。在光子計算機中，通過光子元件的激光亮度不斷增加而又有間隔，形成光脈沖串，在此基礎上可以創(chuàng)造出更加豐富的邏輯處理系統(tǒng)?？茖W家預言，將從光學中產(chǎn)生全能的計算方式，光子互連具有高速度、大的時間帶寬和空間帶寬等眾多優(yōu)勢，光路能夠相互交叉通過但互相不受干擾，光互連的方式有自由空間的光互連、光纖和波導互連。根據(jù)集成電路的思想，科學家設想將多種光電元器件集中做到在一塊芯片上，制造集成光路[7]。隨著集成光路的發(fā)展，從1970年開始，在光學范疇產(chǎn)生了一個叫做集成光學的新興學科[8]。這幾年通過光通信、光交換、光信息處理技術的發(fā)展，已經(jīng)成功開發(fā)了各種各樣的光子集成器件。實現(xiàn)了把光存儲器、光開關、光源、光波導制做在一塊芯片上的整體系統(tǒng)。研究者把偏振器、濾光片、光放大器、光調(diào)制器、透鏡、棱鏡、光柵、光衰減器等這些光學元件組成薄膜造在一塊母板上，大大縮小了光路所占據(jù)的空間，制成了微集成光路，用來進行光信號高速傳輸與處理，實現(xiàn)了低功耗、高性能、便捷化、高效率[9]。

2.4 光子計算機的特點

把光子作為媒介的光子計算機有這些優(yōu)勢[12]：

（1）非?？斓倪\算處理速度，因為光子的速度是3×108米/秒，電子的速度遠遠低于光子速度，光子計算機的運算處理速度將會比電子計算機快1000倍。

（2）光子器件具有非常寬的時間域帶，光波頻率大約是電信號頻率的104-105倍，以光波為載波，信號帶寬就會展寬，可以達到106兆赫茲-107兆赫茲，將擁有非常多的通道數(shù)量，而且光脈沖極窄，這樣就通過增大數(shù)據(jù)傳輸率實現(xiàn)了大量的高速傳輸。

（3）光子計算機在空間上的域帶寬是非常寬的，信息傳輸與處理能力非常強；一個光波導中并行傳輸許多波長各異或偏振態(tài)有差的光波，彼此可以不受干擾，功能不同的元器件能夠在一個光波導中完成，同時傳輸多種信息。

（4）光子計算機的抗干擾效果非常好，因為光路可以交叉互連。

（5）直接使用光信號進行運算處理，避免了電子計算機將光信號轉(zhuǎn)換成電信號處理然后轉(zhuǎn)換為光信號可能的錯誤，能夠智能識別文字、圖像、手勢和聲音。

（6）信息容量大，沒有時鐘歪斜現(xiàn)象，處理精度高，由于光子速度是3×108米/秒，多種互連長度帶來的延時差極小，不會引起時鐘歪斜。

（7）具有較強的容錯性，光子計算機中單個元件失零，不會影響最后的運算處理。

（8）能夠采用不同進制，運算速度成倍提高。利用光學雙穩(wěn)態(tài)元件進行二進制的光計算，利用多穩(wěn)態(tài)光學元件可以進行四進制計算和三進制計算。

3 光子計算機的未來

毫無疑問，光子計算機一旦研制成功，將對當前的新技術革命產(chǎn)生不可低估的影響[13]。美國科學家認為光子計算機是未來的總趨勢，他們預言五年之內(nèi)就可以制造出光子計算機。光子計算機的很多工作現(xiàn)在還處于實驗室之中，但是我們相信通過研究者們的不斷進取，這個偉大夢想必然能夠?qū)崿F(xiàn)[14-15]。伴隨著電子計算機的瓶頸，光子時代即將到來，科學家已經(jīng)斷言了的。由于光學相關理論的研究和光子元器件制造等重點技術的進展，光子計算機一定會走向世界的舞臺，就像美國著名的科學家比爾·沃爾什（Walsh Bill）所說：“光子計算機必將逐步替代電子計算機。”

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[責任編輯：王楠]