淺談光子計(jì)算機(jī)

楊燕妮　劉鵬　李川江

【摘 要】以計(jì)算機(jī)為代表的信息產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn)，發(fā)展速度驚人，目前已廣泛應(yīng)用在人類社會(huì)的各行各業(yè)。本文淺談當(dāng)前電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度受到了多種因素的制約，介紹了光子計(jì)算機(jī)的概述，研究狀況，光子計(jì)算機(jī)的光器件與光路，光子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】光子學(xué)；光子計(jì)算機(jī)；光子元件；集成光路

Talking about the photonic computer

YANG Yan-ni LIU Peng LI Chuan-jiang

（Xinjiang Institute of Engineering， Urumqi Xinjiang 830091， China）

【Abstract】The speed of the computer industry for more than expected rapid development， at present has been used in all stages of human society. This article discuss the computer operation speed is restricted by various factors， this paper introduces the overview of the photonic computer， research situation and the light of the photonic computer devices and optical path， the characteristics of the photonic computer.

【Key words】Photonic； Photonic computer； Photonic components； Integrated optic

0 引言

目前，世界上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家正在大力開發(fā)第五代計(jì)算機(jī)，其中一個(gè)重要的動(dòng)向是加緊研制光子計(jì)算機(jī)。科學(xué)家認(rèn)為，第五代計(jì)算機(jī)要求具有高得多的運(yùn)算速度和更加豐富的邏輯處理系統(tǒng)，而光子計(jì)算機(jī)可以較好地滿足這些要求[1-2]。

20世紀(jì)40年代，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)（University of Pennsylvania）第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生以后，此后幾十年間，計(jì)算機(jī)制造工藝在不斷的變革中高速發(fā)展。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的歷史主要有以下發(fā)展階段電子管時(shí)期、晶體管時(shí)期、集成電路時(shí)期和超大規(guī)模集成電路時(shí)期。

1 電子計(jì)算機(jī)受到的制約

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)在人類社會(huì)的各行各業(yè)不斷應(yīng)用著，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷前進(jìn)的進(jìn)程中，計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度超出了人們預(yù)料。在人類社會(huì)各行各業(yè)的不斷應(yīng)用中，對(duì)計(jì)算機(jī)性能提出了越來越高的要求，例如復(fù)雜系統(tǒng)模擬、海量數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、精確制導(dǎo)系統(tǒng)等，其對(duì)運(yùn)算速度的要求達(dá)到1012次以上，對(duì)數(shù)據(jù)量的要求非常大[3-4]。電子計(jì)算機(jī)的以下這些特點(diǎn)，限制了電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度：

（1）馮·諾依曼（John von Neumann）的串行“瓶頸”問題，造成數(shù)據(jù)輸入與處理需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，使電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算處理速度不能進(jìn)一步提升，就像一個(gè)小口瓶里面的水，只能從瓶口慢慢地流出。

（2）帶寬有限問題，對(duì)信息傳輸系統(tǒng)來說載波頻率和信號(hào)頻率帶寬之比為100：1，微波頻段內(nèi)，電信號(hào)的頻率范圍在103兆赫茲-104兆赫茲，因而，傳輸信息時(shí)它的頻率帶寬是10兆赫茲-102兆赫茲。為了改善電子計(jì)算機(jī)的處理速度，我們讓信號(hào)脈沖的間隔盡可能小，需要把每個(gè)脈沖脈寬變窄，才不致于使信號(hào)相互重合而分不開。由于脈寬越窄，頻率帶寬會(huì)變寬，電子計(jì)算機(jī)的頻帶寬度不是無限的，要求信號(hào)的脈寬不能過窄，同時(shí)在傳輸過程中脈沖將會(huì)展寬，使得電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度提高是困難的。

（3）時(shí)鐘歪斜問題，這是由于超大規(guī)模集成電路的元器件數(shù)量大，各部件同步時(shí)鐘到各元件的距離差異比較大，到達(dá)的信號(hào)需要等候未到達(dá)的信號(hào)，聯(lián)接距離一大，時(shí)間就變得很長(zhǎng)。

（4）電阻電容電路問題，由于電阻電容電路的響應(yīng)時(shí)間τ-RC，通常為10-9秒，這就阻礙了我們的核心元件—雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換速度，使傳輸速度和處理速度不能提高。

由于電子計(jì)算機(jī)以上這些阻礙運(yùn)算速度的缺點(diǎn)，這些年，研究新的結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)——光子計(jì)算機(jī)的專家不斷涌現(xiàn)。

2 光子計(jì)算機(jī)

2.1 光子計(jì)算機(jī)概述

光子計(jì)算機(jī)是靠光而不是靠電來運(yùn)行的，而光子運(yùn)動(dòng)的速度要比電子快得多。光子計(jì)算機(jī)速度非常快，要比已制造的高速電子計(jì)算機(jī)（每秒13億次）快上千倍。從理論上說，電子運(yùn)動(dòng)的速度可以接近光子，即每秒30萬(wàn)公里，但在硅芯片上電子的實(shí)際速度還不到光速的1%。光子計(jì)算機(jī)是一種通過光信號(hào)來進(jìn)行信息存儲(chǔ)、處理、運(yùn)算、操作的新型計(jì)算機(jī)。1969年，研究光子計(jì)算機(jī)這一偉大征程由美國(guó)麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）的研究者拉開了序幕，第一臺(tái)光子計(jì)算機(jī)在1984年6月制造出來，這是由國(guó)際商用機(jī)器公司研發(fā)的，是一臺(tái)能夠正常工作的光子計(jì)算機(jī)，只是它必須工作在接近絕對(duì)零度的環(huán)境下。貝爾實(shí)驗(yàn)室在1990年制造了一臺(tái)光子計(jì)算機(jī)，它由棱鏡、透鏡和激光器等元器件完成，貝爾實(shí)驗(yàn)室走出了光子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵步伐。由歐盟的幾個(gè)高校合作，已開發(fā)完成的光子計(jì)算機(jī)，處理速度是電子計(jì)算機(jī)的1000倍。光子計(jì)算機(jī)主要有三大類：光模擬信號(hào)計(jì)算機(jī)（也叫光模擬機(jī)）、全光數(shù)字信號(hào)計(jì)算機(jī)（也叫光數(shù)字機(jī)）、光智能形式計(jì)算機(jī)，光子計(jì)算機(jī)起始于模擬機(jī)，模擬機(jī)具有并行快速計(jì)算和大信息容量的特點(diǎn)，在光學(xué)信息領(lǐng)域（如光編碼測(cè)距）獲得應(yīng)用[6]。1990年至今，我們?cè)O(shè)計(jì)的全光子計(jì)算機(jī)，結(jié)構(gòu)基本都是按照電子的傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)的，它用光控制器、光存儲(chǔ)器和光運(yùn)算器組合而成，相互之間和各自內(nèi)部以光互連這種方式來通信。現(xiàn)在全光數(shù)字計(jì)算機(jī)處在研究過程中，要用到的相關(guān)技術(shù)難題已經(jīng)有了答案，主要問題是如何開發(fā)更高利用率的光學(xué)元器件。光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)處理研究中，它具有人工智能的系列優(yōu)點(diǎn)，帶給研究人員極大興趣，光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的研究同時(shí)取得了非常好的進(jìn)展[7]。但是理論模型還需要進(jìn)一步細(xì)化，要研制出利用率更高的空間調(diào)制器和性能更好的光開關(guān)列陣，其實(shí)真正實(shí)用的光子計(jì)算機(jī)還有很多路要走。當(dāng)前全光數(shù)字計(jì)算機(jī)與光電混合計(jì)算機(jī)正在不斷發(fā)展，數(shù)字光計(jì)算的研究將成為所需要的光電器件的重要支撐。

2.2 光子計(jì)算機(jī)的研究狀況

光學(xué)器件是通過光子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行工作的器件，通過調(diào)整光的參數(shù)，比如，相位、偏振、振幅、強(qiáng)度或波長(zhǎng)，來制造出光子晶體管、光邏輯元件、光子存儲(chǔ)器件、光子探測(cè)器件、光空間調(diào)制器件等功能元器件，如光存儲(chǔ)器件—光學(xué)雙穩(wěn)器件發(fā)展也很迅速，有一種半導(dǎo)體量子阱制成的雙穩(wěn)器件，這是很有可能成為光邏輯和光存儲(chǔ)器件的，已經(jīng)制造了光邏輯運(yùn)算和存儲(chǔ)陣列，它在將有望實(shí)現(xiàn)光高速運(yùn)算。1970年以后，使用非線性闊值特性器件來作邏輯門，使用光雙穩(wěn)器件作存儲(chǔ)器，美國(guó)南加州大學(xué)（University of Southern California）研制的液晶光閥構(gòu)建了具有組合邏輯結(jié)構(gòu)功能的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種邏輯運(yùn)算。通過多國(guó)的研究者們的努力，一種能夠?qū)⒐夥糯蠛途哂泄忾_關(guān)功能的光晶體管，先后在赫羅特-瓦特大學(xué)（Heriot-Watt University）、京都大學(xué)（Kyoto University）還有貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出來。

2.3 光子計(jì)算機(jī)中的光器件與光路

電子是電子計(jì)算機(jī)中信息的傳輸?shù)拿浇椋?jì)算機(jī)的部件相互通信利用內(nèi)部或外部連線作為信號(hào)傳輸媒介，快信息流在傳輸時(shí)就會(huì)產(chǎn)生瓶頸阻塞效應(yīng)。改用光子來傳輸信息，就不用考慮瓶頸阻塞效應(yīng)。光子計(jì)算機(jī)有可能改變目前電子計(jì)算機(jī)的兩進(jìn)位制的計(jì)算和處理方式，創(chuàng)造出更加豐富的邏輯系統(tǒng)。在光子計(jì)算機(jī)中，通過光子元件的激光亮度不斷增加而又有間隔，形成光脈沖串，在此基礎(chǔ)上可以創(chuàng)造出更加豐富的邏輯處理系統(tǒng)。科學(xué)家預(yù)言，將從光學(xué)中產(chǎn)生全能的計(jì)算方式，光子互連具有高速度、大的時(shí)間帶寬和空間帶寬等眾多優(yōu)勢(shì)，光路能夠相互交叉通過但互相不受干擾，光互連的方式有自由空間的光互連、光纖和波導(dǎo)互連。根據(jù)集成電路的思想，科學(xué)家設(shè)想將多種光電元器件集中做到在一塊芯片上，制造集成光路[7]。隨著集成光路的發(fā)展，從1970年開始，在光學(xué)范疇產(chǎn)生了一個(gè)叫做集成光學(xué)的新興學(xué)科[8]。這幾年通過光通信、光交換、光信息處理技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)成功開發(fā)了各種各樣的光子集成器件。實(shí)現(xiàn)了把光存儲(chǔ)器、光開關(guān)、光源、光波導(dǎo)制做在一塊芯片上的整體系統(tǒng)。研究者把偏振器、濾光片、光放大器、光調(diào)制器、透鏡、棱鏡、光柵、光衰減器等這些光學(xué)元件組成薄膜造在一塊母板上，大大縮小了光路所占據(jù)的空間，制成了微集成光路，用來進(jìn)行光信號(hào)高速傳輸與處理，實(shí)現(xiàn)了低功耗、高性能、便捷化、高效率[9]。

2.4 光子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

把光子作為媒介的光子計(jì)算機(jī)有這些優(yōu)勢(shì)[12]：

（1）非常快的運(yùn)算處理速度，因?yàn)楣庾拥乃俣仁?×108米/秒，電子的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光子速度，光子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理速度將會(huì)比電子計(jì)算機(jī)快1000倍。

（2）光子器件具有非常寬的時(shí)間域帶，光波頻率大約是電信號(hào)頻率的104-105倍，以光波為載波，信號(hào)帶寬就會(huì)展寬，可以達(dá)到106兆赫茲-107兆赫茲，將擁有非常多的通道數(shù)量，而且光脈沖極窄，這樣就通過增大數(shù)據(jù)傳輸率實(shí)現(xiàn)了大量的高速傳輸。

（3）光子計(jì)算機(jī)在空間上的域帶寬是非常寬的，信息傳輸與處理能力非常強(qiáng)；一個(gè)光波導(dǎo)中并行傳輸許多波長(zhǎng)各異或偏振態(tài)有差的光波，彼此可以不受干擾，功能不同的元器件能夠在一個(gè)光波導(dǎo)中完成，同時(shí)傳輸多種信息。

（4）光子計(jì)算機(jī)的抗干擾效果非常好，因?yàn)楣饴房梢越徊婊ミB。

（5）直接使用光信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，避免了電子計(jì)算機(jī)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)處理然后轉(zhuǎn)換為光信號(hào)可能的錯(cuò)誤，能夠智能識(shí)別文字、圖像、手勢(shì)和聲音。

（6）信息容量大，沒有時(shí)鐘歪斜現(xiàn)象，處理精度高，由于光子速度是3×108米/秒，多種互連長(zhǎng)度帶來的延時(shí)差極小，不會(huì)引起時(shí)鐘歪斜。

（7）具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性，光子計(jì)算機(jī)中單個(gè)元件失零，不會(huì)影響最后的運(yùn)算處理。

（8）能夠采用不同進(jìn)制，運(yùn)算速度成倍提高。利用光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)元件進(jìn)行二進(jìn)制的光計(jì)算，利用多穩(wěn)態(tài)光學(xué)元件可以進(jìn)行四進(jìn)制計(jì)算和三進(jìn)制計(jì)算。

3 光子計(jì)算機(jī)的未來

毫無疑問，光子計(jì)算機(jī)一旦研制成功，將對(duì)當(dāng)前的新技術(shù)革命產(chǎn)生不可低估的影響[13]。美國(guó)科學(xué)家認(rèn)為光子計(jì)算機(jī)是未來的總趨勢(shì)，他們預(yù)言五年之內(nèi)就可以制造出光子計(jì)算機(jī)。光子計(jì)算機(jī)的很多工作現(xiàn)在還處于實(shí)驗(yàn)室之中，但是我們相信通過研究者們的不斷進(jìn)取，這個(gè)偉大夢(mèng)想必然能夠?qū)崿F(xiàn)[14-15]。伴隨著電子計(jì)算機(jī)的瓶頸，光子時(shí)代即將到來，科學(xué)家已經(jīng)斷言了的。由于光學(xué)相關(guān)理論的研究和光子元器件制造等重點(diǎn)技術(shù)的進(jìn)展，光子計(jì)算機(jī)一定會(huì)走向世界的舞臺(tái)，就像美國(guó)著名的科學(xué)家比爾·沃爾什（Walsh Bill）所說：“光子計(jì)算機(jī)必將逐步替代電子計(jì)算機(jī)。”

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[責(zé)任編輯：王楠]