光計(jì)算可觀的未來(lái)無(wú)邏輯之光

光學(xué)設(shè)備終于還是走進(jìn)了計(jì)算機(jī)，雖然只是一部分而已。

圣經(jīng)說(shuō)，“神是光”。光也能夠作為計(jì)算機(jī)運(yùn)作的驅(qū)動(dòng)源。至從第一個(gè)光電傳感器在20世紀(jì)八十年代末期面世后，研究者們就一直夢(mèng)想建造一個(gè)展現(xiàn)高科技的光能計(jì)算機(jī)。這種理念卻被證明難以被研發(fā)。然而，當(dāng)代的科技的發(fā)展讓光學(xué)科技開始走進(jìn)計(jì)算機(jī)。雖然全光計(jì)算機(jī)依舊是個(gè)夢(mèng)想，但從此對(duì)選擇光驅(qū)動(dòng)元件在計(jì)算機(jī)中應(yīng)用的研究變得更加深入。

電子更新?lián)Q代的吸引力是顯而易見的，比如從銅線到如今的光纖。光粒子是宇宙中速度最快的東西，所以一臺(tái)光學(xué)計(jì)算機(jī)在理論上可以在計(jì)算機(jī)啟動(dòng)前就能處理完信息。然而迄今為止，光學(xué)科技的發(fā)展幾乎一直被電信網(wǎng)絡(luò)與一些數(shù)據(jù)中心的電纜所限制。光子是用于長(zhǎng)距離傳輸信息。它們通過(guò)光纖飛速傳輸，幾乎不丟失數(shù)據(jù)也不被其他東西干擾(這就是為什么不同的信號(hào)可以在同一根光纖中傳輸以倍乘它的容量)。

但是在傳輸結(jié)束時(shí)，光信號(hào)都必須要轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)以供計(jì)算機(jī)處理信息。而轉(zhuǎn)換元件卻非常昂貴。雖然這種花銷對(duì)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)不算什么，因?yàn)榭梢云綌偟奖姸嗟挠脩糁腥ァ５珜?duì)于個(gè)人計(jì)算機(jī)與服務(wù)器來(lái)說(shuō)，這種光數(shù)據(jù)鏈接就顯得相當(dāng)昂貴。如今，因?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)脫離了電線，這種狀況正在發(fā)生改變。像打印機(jī)，硬盤和屏幕這些外部設(shè)備的要求越來(lái)越高;網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行速度更快，最為重要的是計(jì)算機(jī)的處理能力繼續(xù)成指數(shù)的增長(zhǎng)。這些導(dǎo)致所有的這些器件間所謂的“互聯(lián)”也要盡量跟上它們發(fā)展的速度。這就是光學(xué)替代領(lǐng)域的市場(chǎng)正在那些最大的公司中崛起的原因。

閃存中的數(shù)據(jù)

因特爾公司研發(fā)出來(lái)一種新型互聯(lián)技術(shù)，我們叫它“Light Peak”。這種用于計(jì)算機(jī)與外部其他設(shè)備間高速傳輸?shù)乃俾士蛇_(dá)10GB/s，是普通USB線速率的20倍。這意味著它可以驅(qū)動(dòng)高清顯示或者在幾秒鐘的時(shí)間內(nèi)傳輸一部電影。因特爾光子實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Mario Paniccia預(yù)測(cè)，Light Peak會(huì)讓光學(xué)鏈接掀起一場(chǎng)無(wú)線的普及風(fēng)暴——并且促進(jìn)更強(qiáng)大的處理器的研發(fā)。這就是因特爾公司的利益所在。

因特爾不需要發(fā)明任何新的產(chǎn)品，他們要做的是如何讓這種將光信號(hào)與電信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備變得更小、更便宜。以往的經(jīng)驗(yàn)中可以知道，低成本芯片能起到簡(jiǎn)化的作用，因特爾還研究出如何更快的組裝和測(cè)試元件，并與一個(gè)供應(yīng)集團(tuán)簽署了一個(gè)從明年開始的百萬(wàn)生產(chǎn)量的合同。

而惠普關(guān)心的是保持它服務(wù)器的競(jìng)爭(zhēng)力:它們的電纜越來(lái)越龐大，數(shù)據(jù)中心難以降溫并急需能源。所以其正在研究一種光互連以替代服務(wù)器“機(jī)架”。惠普用波導(dǎo)代替了光纜，一種內(nèi)附高反射性金屬內(nèi)壁的小型塑料管。雖然應(yīng)用這種技術(shù)來(lái)傳輸光已經(jīng)不新鮮了，但惠普的研究者們更為成功的通過(guò)運(yùn)用注塑模具系統(tǒng)來(lái)降低制造波導(dǎo)的成本，該系統(tǒng)曾用于大規(guī)模批量生產(chǎn)光盤。

再看看IBM公司，研究者們正在通過(guò)光學(xué)鏈接讓超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行更快。IBM研究院的Bert Offrein解釋道:“要想提高數(shù)據(jù)流，就需要在信號(hào)被處理的前一瞬間將電子轉(zhuǎn)換成光子”。因此，越來(lái)越多的光纖電纜直接應(yīng)用到芯片上以建立超級(jí)計(jì)算機(jī)多處理器間的直接通信。

基于現(xiàn)有科技，在計(jì)算機(jī)不同元件間使用同種光學(xué)鏈接的想法并不是要在近期內(nèi)出現(xiàn)于貧困家庭或辦公電腦。雖然如今還很難制造出足夠微型及便宜的元件去與銅線競(jìng)爭(zhēng)。但此時(shí)“硅光子技術(shù)”給了我們建立這種通信的信心。一些公司也在用類似的方法制造處理器和不同型號(hào)的集成電路。

并且硅還是一種制造光學(xué)設(shè)備不錯(cuò)的材料。惠普實(shí)驗(yàn)室的Raymond Beausoleil稱，其研究院最近成功的將晶格蝕刻在一片平坦的硅片上以至于能像匙狀物般聚焦光。這樣的話就能用來(lái)增強(qiáng)激光和替換DVD播放器與其他消費(fèi)品上昂貴的鏡頭。

就其本身來(lái)說(shuō)，IBM已經(jīng)使用硅來(lái)研發(fā)一種超薄快速型光電探測(cè)器來(lái)講光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。因特爾公司也希望有一天能將一整套硅制微型光學(xué)設(shè)備像波導(dǎo)和激光器一樣在光學(xué)芯片上結(jié)合。但因特爾的工具包里還欠缺一個(gè)重要的部分:一個(gè)等效于晶體管的光學(xué)器件，能在計(jì)算機(jī)內(nèi)核執(zhí)行邏輯運(yùn)算。

斯坦福大學(xué)光電研究中心的David Miller認(rèn)為這種缺失一點(diǎn)都不稀奇。光電晶體管難以與電子晶體管競(jìng)爭(zhēng)，這不僅僅是因?yàn)闆](méi)有一項(xiàng)協(xié)議提供最好的制造方式。各種制造光電晶體管的技術(shù)陸續(xù)在實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)。但用光學(xué)處理信息是非常復(fù)雜的，它需要進(jìn)口材料與比傳統(tǒng)晶體管更高的功耗。此外，小型化的困難尤其體現(xiàn)于激光器無(wú)法做得像晶體管一樣小。所以，雖然大規(guī)模生產(chǎn)光處理器還任重道遠(yuǎn)，但至少它已經(jīng)啟程了。