比超級計算機快一萬倍的“光腦”來了？

導言：隨著科學技術的飛速發展，人類社會已經邁入了計算機時代，計算機和互聯網已經與人們的日常工作、學習和生活息息相關。我們享受計算機帶來的開放與互動的同時，也忍受著電腦處理速度慢、經常卡住甚至死機的煩惱；散熱不良、定時清理電腦的煩惱；將笨重的筆記本電腦背來背去、勞累異常的煩惱。

有沒有一種計算機是超常的？能夠讓人甩掉這些煩惱？普通人夢寐以求的設備會成為現實嗎？將來的移動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”，其實是對應于電腦而言，是光子計算機的簡稱。光子計算機是一種由光信號進行數字運算、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、光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學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倍

用光子做傳遞信息的載體，可以制造出性能更優異的“光腦”。它的性能優越性體現在：

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？

傳輸數據，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”是通過光子進行數據傳播。光子彼此之間沒有干擾，齊頭并進。當電子排著長隊一個一個的緩慢通過處理器到達緩存時，光子已經肩并肩的開著光速飛機飛馳而過了。

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世，將會比現在的超級計算機快1000~10000倍。

此外，電子計算機隨著裝配密度的不斷提高，會使導體之間的電磁作用不斷增強，散發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，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有電話電纜通道的許多倍。

4. 能量消耗小，散發熱量低

光子計算機是一種節能型產品。光子計算機的驅動，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，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明蒸汽機，科學家開發“光腦”的靈感也是來自于大自然。

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、環境友好且永不褪色。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。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元件可以對電子選擇性通過，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（如下圖）就是通過這一原理實現的。

何時“飛入尋常百姓家”？

光子計算機由光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件和設備組成。有模擬式與數字式兩類光子計算機。

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。

光子計算機已經成功研制并且取得一系列新的進展，例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夠實現超快速開關的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，光子計算機將來發揮的作用遠比電子計算機大。

結語：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熱量低等優點的“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”會從軍用走向民用，成為人們日常生活的伴侶。

（出品：科普中國；制作：幻彩寶寶科普創新公社；監制：中國科學院計算機網絡信息中心；“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。轉載請注明“來源：科普中國”。）

發表于 2015-11-25 00:00
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