由光信號進(jìn)行運算 比超級計算機快一萬(wàn)倍
2018-6-3 21:26:15??????點(diǎn)擊：
面向未來(lái)的光子計算機
出品：科普中國
制作：幻彩寶寶科普創(chuàng )新公社
監制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò )信息中心
導言：隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類(lèi)社會(huì )已經(jīng)邁入了計算機時(shí)代，計算機和互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)與人們的日常工作、學(xué)習和生活息息相關(guān)。我們享受計算機帶來(lái)的開(kāi)放與互動(dòng)的同時(shí)，也忍受著(zhù)電腦處理速度慢、經(jīng)?？ㄗ∩踔了罊C的煩惱；散熱不良、定時(shí)清理電腦的煩惱；將笨重的筆記本電腦背來(lái)背去、勞累異常的煩惱。
有沒(méi)有一種計算機是超常的？能夠讓人甩掉這些煩惱？普通人夢(mèng)寐以求的設備會(huì )成為現實(shí)嗎？將來(lái)的移動(dòng)設備能否超越目前最快的超級計算機？“光腦”給出了答案。
何謂“光腦”？
所謂“光腦”，其實(shí)是對應于電腦而言，是光子計算機的簡(jiǎn)稱(chēng)。光子計算機是一種由光信號進(jìn)行數字運算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計算機。不同于電子計算機對電子的控制，光子計算機的運行依靠激光器、光學(xué)反射鏡、透鏡、濾波器等光學(xué)元件和設備對光子的控制完成光運算。
性能：比超級計算機快一萬(wàn)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)越性體現在：
1. 并行傳輸
由于目前電子計算機的CPU（中央處理器，相當于人的大腦）采用串行的處理方式，直接導致其工作時(shí)間實(shí)際只占了總時(shí)間的三分之一，那么它的大部分時(shí)間用來(lái)做什么了呢？
傳輸數據，也就是我們所說(shuō)的緩存。
試想一下，本來(lái)性能就一般的家用電腦大部分時(shí)間用來(lái)休息，這不是要氣死本寶寶嗎？幸好，“光腦”是通過(guò)光子進(jìn)行數據傳播。光子彼此之間沒(méi)有干擾，齊頭并進(jìn)。當電子排著(zhù)長(cháng)隊一個(gè)一個(gè)的緩慢通過(guò)處理器到達緩存時(shí)，光子已經(jīng)肩并肩的開(kāi)著(zhù)光速飛機飛馳而過(guò)了。
光子傳輸的并行高速性
2. 超高速運算
光子計算機并行處理能力強，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。對于電子計算機來(lái)說(shuō)，電子是信息的載體，它只能通過(guò)一些相互絕緣的導線(xiàn)來(lái)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，盡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(wèn)世，將會(huì )比現在的超級計算機快1000~10000倍。
此外，電子計算機隨著(zhù)裝配密度的不斷提高，會(huì )使導體之間的電磁作用不斷增強，散發(fā)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(méi)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——激光器，光子的傳導是可以不需要導線(xiàn)的，而且即使在相交的情況下，它們之間也不會(huì )產(chǎn)生絲毫的相互影響。光子計算機無(wú)導線(xiàn)傳遞信息的平行通道，其密度實(shí)際上是無(wú)限的，一枚五分硬幣大小的枚鏡，它的信息通過(guò)能力竟是全世界現有電話(huà)電纜通道的許多倍。
4. 能量消耗小，散發(fā)熱量低
光子計算機是一種節能型產(chǎn)品。光子計算機的驅動(dòng)，只需要同類(lèi)規格的電子計算機驅動(dòng)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，而且為光子計算機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(lái)自蝴蝶
正如牛頓從樹(shù)上掉下的 蘋(píng)果 最終悟出著(zhù)名的萬(wàn)有引力定律，瓦特從沸騰的水中得到靈感發(fā)明蒸汽機，科學(xué)家開(kāi)發(fā)“光腦”的靈感也是來(lái)自于大自然。
科學(xué)家發(fā)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(huán)境友好且永不褪色。蝴蝶翅膀中特定的周期性結構（如上圖）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(lái)。人們將這種具有特定周期性結構的物質(zhì)稱(chēng)為光子晶體。
類(lèi)似于電子計算機中半導體元件可以對電子選擇性通過(guò)，光子計算機中的光子晶體也可以作為光的開(kāi)關(guān)，實(shí)現“0和1”的邏輯運算。光子計算機中的關(guān)鍵部件激光器（如下圖）就是通過(guò)這一原理實(shí)現的。
何時(shí)“飛入尋常百姓家”？
光子計算機由光學(xué)反射鏡、透鏡、濾波器等光學(xué)元件和設備組成。有模擬式與數字式兩類(lèi)光子計算機。
模擬式光子計算機的特點(diǎn)是直接利用光學(xué)圖像的二維性，因而結構比較簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)價(jià)值比較大的有兩種，一種是采用電子計算機中已經(jīng)成熟的結構，只是用光學(xué)邏輯元件取代電子邏輯元件，用光子互連代替導線(xiàn)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 )）為基礎的結構。
光子計算機已經(jīng)成功研制并且取得一系列新的進(jìn)展，例如來(lái)自美國杜克大學(xué)的計算機電子工程師團隊研發(fā)出了能夠實(shí)現超快速開(kāi)關(guān)的LED燈管，每秒鐘能夠開(kāi)關(guān)900億次的性能使得它能夠取代之前的LED技術(shù)，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(lái)說(shuō)，顯然光子計算機比電子計算機大得多，特別是在對圖像處理、目標識別和人工智能等方面，光子計算機將來(lái)發(fā)揮的作用遠比電子計算機大。
結語(yǔ)：具有并行傳輸、超高速運算、超大規模的信息存儲容量、能量消耗小以及散發(fā)熱量低等優(yōu)點(diǎn)的“光腦”是未來(lái)最有潛力替代電腦的選手。相信在不久的將來(lái)，“光腦”會(huì )從軍用走向民用，成為人們日常生活的伴侶。
來(lái)源：科普中國
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