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光子計算機

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中文名: 光子計算機 外文名: photoncomputer 性 質: 高速，高性能，高精度 特 點: 用光做載體，計算速度極高 簡 稱: PHC 研究機構: 美國貝爾實驗室等

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。它由激光器、光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件和設備構成，靠激光束進入反射鏡和透鏡組成的陣列進行信息處理，以光子代替電子，光運算代替電運算。光的並行、高速，天然地決定了光子計算機的並行處理能力很強，具有超高運算速度。光子計算機還具有與人腦相似的容錯性，系統中某一元件損壞或出錯時，並不影響最終的計算結果。光子在光介質中傳輸所造成的信息畸變和失真極小，光傳輸、轉換時能量消耗和散發熱量極低，對環境條件的要求比電子計算機低得多。隨着現代光學與計算機技術、微電子技術相結合，在不久的將來，光子計算機將成為人類普遍的工具。

簡要介紹

現有的計算機是由電流來傳遞和處理信息。電場在導線中傳播的速度雖然比我們看到的任何運載工具運動的速度都快，但是，從發展高速率計算機來說，採用電流做輸運信息載體還不能滿足快的要求，提高計算機運算速度也明顯表現出能力有限了。而光子計算機以光子作為傳遞信息的載體，光互連代替導線互連，以光硬件代替電子硬件，以光運算代替電運算，利用激光來傳送信號，並由光導纖維與各種光學元件等構成集成光路，從而進行數據運算、傳輸和存儲。在光子計算機中，不同波長、頻率、偏振態及相位的光代表不同的數據，這遠勝於電子計算機中通過電子「0」、「1」狀態變化進行的二進制運算，可以對複雜度高、計算量大的任務實現快速的並行處理。光子計算機將使運算速度在基礎上呈指數上升。

1990年初，美國貝爾實驗室製成世界上第一台光子計算機。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。光子計算機的基本組成部件是集成光路，要有激光器、透鏡和核鏡。

由於光子比電子速度快，光子計算機的運行速度可高達一萬億次。它的存貯量是現代計算機的幾萬倍，還可以對語言、圖形和手勢進行識別與合成。

許多國家都投入巨資進行光子計算機的研究。隨着現代光學與計算機技術、微電子技術相結合，在不久的將來，光子計算機將成為人類普遍的工具。

優勢

不用電子，用光子做傳遞信息的載體，就有可能克服前面談到的那些限制，製造出性能更優異的計算機。用光子做傳遞信息的載體有以下幾方面的好處：

光子不帶電荷

它們之間不存在電磁場相互作用在自由空間中幾束光平行傳播、相互交叉傳播，彼此之間不發生干擾，千萬條光束可以同時穿越一隻光學元件而不會相互影響。一隻20×20c㎡的光學系統，能夠提供5×10^5條並行傳輸信息通道；一隻質量好的透鏡能夠提供10^8條信息通道。如果用光波導傳輸，光波導也可以相互穿越，只要它們的交叉角大於10°左右就不會有明顯的交叉耦合。上述的性質又稱光信號傳輸的並行性。

光子沒有靜止質量

它既可以在半真空中傳播，也可以在介質中傳播，傳播速度比電子在導線中的傳播速度快得多（約1000倍），也就是說，光子攜帶信息傳遞的速度比電子快計算機內的芯片之間用光子互連不受電磁干擾影響，互連的密度可以很高。在自由空間進行互連，每平方毫米麵積上的連接線數目可以達到5萬條，如果用光波導方式互連，可以有萬條。所以，用光子做信息處理載體，會製造出運算速 度極高的計算機，理論上可以達到每秒1000億次，信息存儲量達到10^18位。這種計算機稱為光子計算機。

超高速的運算速度

光子計算機並行處理能力強，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，對於電子計算機來說，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，儘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；此外，隨着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，從而制約了電子計算機的運行速度；而光子計算機的運行速度要比電子計算機快得多，對使用環境條件的要求也比電子計算機低得多。

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。

能量消耗小，散發熱量低

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製，提供了便利的條件。科學家們正試驗將傳統的電子轉換器和光子結合起來，製造一種「雜交」的計算機，這種計算機既能更快地處理信息，又能克服巨型電子計算機運行時內部過熱的難題。

主要組成

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於衛星圖片處理和模式識別工作。美國以前提出的星球大戰計劃，就打算發展這種計算機來識別高速飛行的導彈圖像。數字式光子計算機的結構方案有許多種，其中認為開發價值比較大的有兩種，一種是採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，以並行處理（光學神經網絡）為基礎的結構在本世紀80年代製成了光學信息處理機年數字光處理機也獲得成功，它由激光器、透鏡和稜鏡等組成。雖然光子計算機已經成功，但在目前來說，光子計算機在功能以及運算速度等方面，還趕不上電子計算機，我們使用的主要還是電子計算機，今後也發展電子計算機。但是，從發展的潛力大小來說，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。

發展現狀

美國貝爾實驗室宣布研製出世界上第一台光學計算機。它採用砷化鎵光學開關，運算速度達每秒10億次。儘管這台光學計算機與理論上的光學計算機還有一定距離，但已顯示出強大的生命力。人類利用光纜傳輸數據已經有20多年的歷史了，用光信號來存儲信息的光盤技術也已廣泛應用。然而要想製造真正的光子計算機，需要開發出可以用一條光束來控制另一條光束變化的光學晶體管這一基礎元件，一般說來，科學家們雖然可以實現這樣的裝置，但是所需的條件如溫度等仍較為苛刻，尚難以進入實用階段。

美國馬薩諸塞州的一家光學技術公司——光導發光元件系統公司正與美國航空航天局馬歇爾航天中心合作開發用來製造光學計算機的「光」路板，實現對光子移動的控制，並有望在今取得突破。1999年5月，在美國西北大學工作的新加坡科學家何盛中領導的一個有20多人的研究小組利用納米級的半導體激光器研製出世界上最小的光子定向耦合器，可以在寬度僅0.2至0.4微米的半導體層中對光進行分解和控制。

研發製造

巴斯大學（University of Bath）的物理學家正在進行一個項目，想研製出一種計算機，可以用光子代替傳統的電子來運作。

這個項目由工程及物理科學研究理事會（Engineering and Physical Sciences Research Council）發起，總投資82萬英鎊。這項研究將推動光子物理的發展，同時也給了物理學家從原子級別觀察世界的一次機會。

在過去四十來年裡，摩爾定律一直在發揮它的威力，芯片廠商們將產品越做越小，以至於晶體管之間的相互作用會造成嚴重影響。於是工程師們開始將目光投注在光子方面，想利用光子來傳輸信息。

他們採用新型光子晶體光纖作為傳輸器材，比其傳統光線來，新材料的損耗要小得多。「如果成功，這將是近五十年來計算機技術的一次革命」項目領導者Benabid博士說。

光子計算機 - 計算機展望

相信在看這篇文章的人對PC已經有一定的認識，對PC的過去我也就不多說了，摩爾定律完全掌握着我們可以遇見的未來，而摩爾定律失效將會出現在0.2nm工藝製作芯片的時候，因為那已經一個原子的直徑了。但在這之前或之後很短的時間內光子計算機將會取 代電子計算機，那時光子計算機就像我們現在使用的電子計算機一樣流行，因此我對未來的PC的預測是建立在光子計算機的基礎上：PC將會分為兩個支線，一個是台式機，台式機不會被淘汰，它繼續以高性能價格比占據着市場的大部分。現在的PDA將會是另一 個分支的雛形，它甚至會將手提電腦淘汰，原因下文我說到。(下文所提到的計算機除特別指出，否則都是指光子計算機)

我先來說說未來的台式機，台式機不會因為PC的極度發展而消失，相反它比任何一種其他機型更能適應市場的發展需求，台式機將會以高性能，低價格作為發展之路，光子台式機的整個架構將會是以光信號取代現在的電信號，光信號經輸入設備觸發，經傳送到CPU處理後，再按輸出。其實原理跟現在的電子計算機一樣，只不過所有通信都是有光信號完成。下面簡單預測每個配件。

CPU：作為光子計算機核心，它仍然會作為一個獨立產品來被開發和研究，至於它的材料應該會是一種存儲量大，當規模生產之後 會變得相當便宜的物質。

主板：或者說是光信號生成或傳送器更加貼切一些，但這個物件可能會消失。在未來主板不再與現在的主板同等重要，因為光信號生成可能會在電源中完成，而光信號傳送途徑可以簡單地透過CPU與其他物件的連接實現。這樣主板就不再有存在的理由了。

硬盤與內存：光子計算機中硬盤會完成現在內存和硬盤的工作，內存將消失。現在計算機的原理被改變，處理器直接可以在高速硬盤中讀取、運行、處理數據。但現有的光存儲器的速度實在不可以實現，因此現在的光儲存器在將來只會作為廉價的備份或複製轉移設備。新的儲存器將會是一種可透光的液態存儲器，數據直接紀錄在每個原子上，以高速運動的原子實現數據的高速讀取，從而取代內存。

顯卡與顯示器：顯卡將會與顯示器集成，或消失，現在的液晶顯示器是未來顯示器的雛形，未來的顯示器將會是無點距液態顯示器，同樣是像現在的顯示器一樣是超薄顯示器，顯示器面板上將會有一種受激會發光的物質，以每一原子為發光單位來顯示圖形，實現無點距顯示。

現在未來的台式光子計算機已經基本成行了，其他配件也像現在的PC一樣，按自己的需要DIY。未來PC的另一個分支就是未來的PDA，現在PDA已經是一個很好的概念了，只是它現在實在是處於發展的起步，難成氣候。在理論上說，只有工藝足夠高的話，所有原 件都可以集成一塊芯片上，於是未來的PDA會從這點出發，也高度集成性和方便攜帶性而成為PC的另一個分支。說它是PC的一個分 支，因為它首先要集成手提電腦的全部功能，它還會集成現在的數碼相機、數碼攝像機、GPS等的功能，另外它還要實現即時通信功能，如同現在的手機一樣。

未來的PDA大小應該比現在的手機小一點點，你可以見到PDA很可能跟現在的手機一樣，只有簡單的幾個按鍵和一個不太大的彩色屏幕。但不要小看它，它將可以實現手提電腦的全部功能，PDA上將會集成一個投射屏幕投射器，投射屏幕能在空氣中、不需要任何 其他物品就可以形成影像。PDA可以完全實現聲控功能，萬一有需要時，它還可以透過投射器顯示出來的一個全尺寸鍵盤，你可以 在這個投射鍵盤上實現鍵盤輸入。