性能比超級計(jì)算機(jī)快一萬倍的“光腦”來了
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類社會(huì)已經(jīng)邁入了計(jì)算機(jī)時(shí)代，計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)與人們的日常工作、學(xué)習(xí)和生活息息相關(guān)。我們享受計(jì)算機(jī)帶來的開放與互動(dòng)的同時(shí)，也忍受著電腦處理速度慢、經(jīng)?？ㄗ∩踔了罊C(jī)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背去、勞累異常的煩惱。有沒有一種計(jì)算機(jī)是超常的？能夠讓人甩掉這些煩惱？普通人夢寐以求的設(shè)備會(huì)成為現(xiàn)實(shí)嗎？將來的移動(dòng)設(shè)備能否超越目前最快的超級計(jì)算機(jī)？“光腦”給出了答案。 何謂“光腦”？ 所謂“光腦”，其實(shí)是對應(yīng)于電腦而言，是光子計(jì)算機(jī)的簡稱。光子計(jì)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(jì)算機(jī)。不同于電子計(jì)算機(jī)對電子的控制，光子計(jì)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。
用光線代替電線的光子計(jì)算機(jī)
性能：比超級計(jì)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：
1. 并行傳輸
由于目前電子計(jì)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(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(shí)間用來休息，這不是要?dú)馑辣緦殞殕?？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(duì)一個(gè)一個(gè)的緩慢通過處理器到達(dá)緩存時(shí)，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(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)運(yùn)算速度不斷提高，但它的能力極限還是有限的。
一旦光子計(jì)算機(jī)成功問世，將會(huì)比現(xiàn)在的超級計(jì)算機(jī)快1000~10000倍。此外，電子計(jì)算機(jī)隨著裝配密度的不斷提高，會(huì)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(jì)算機(jī)就沒有這種煩惱。
3. 超大規(guī)模的信息存儲(chǔ)容量
與電子計(jì)算機(jī)相比，光子計(jì)算機(jī)具有超大規(guī)模的信息存儲(chǔ)容量。光子計(jì)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(huì)產(chǎn)生絲毫的相互影響。光子計(jì)算機(jī)無導(dǎo)線傳遞信息的平行通道，其密度實(shí)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(jì)算機(jī)是一種節(jié)能型產(chǎn)品。光子計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)，只需要同類規(guī)格的電子計(jì)算機(jī)驅(qū)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(jī)器散發(fā)的熱量，而且為光子計(jì)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)(如上圖)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(jì)算機(jī)中半導(dǎo)體元件可以對電子選擇性通過，光子計(jì)算機(jī)中的光子晶體也可以作為光的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)“0和1”的邏輯運(yùn)算。光子計(jì)算機(jī)中的關(guān)鍵部件激光器(如下圖)就是通過這一原理實(shí)現(xiàn)的。
何時(shí)“飛入尋常百姓家”？
光子計(jì)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(jì)算機(jī)。模擬式光子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)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(jì)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(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)方案有許多種，其中被認(rèn)為開發(fā)價(jià)值比較大的有兩種，一種是采用電子計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)電子工程師團(tuán)隊(duì)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(jì)算機(jī)的硬件基礎(chǔ)。雖然目前我們使用的是電子計(jì)算機(jī)，但是從發(fā)展的潛力來說，顯然光子計(jì)算機(jī)比電子計(jì)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(jì)算機(jī)將來發(fā)揮的作用遠(yuǎn)比電子計(jì)算機(jī)大。
具有并行傳輸、超高速運(yùn)算、超大規(guī)模的信息存儲(chǔ)容量、能量消耗小以及散發(fā)熱量低等優(yōu)點(diǎn)的“光腦”是未來最有潛力替代電腦的選手。相信在不久的將來，“光腦”會(huì)從軍用走向民用，成為人們?nèi)粘Ｉ畹陌閭H。