光子計算機的發展與應用

謝禹莊

光子計算機的發展與應用

謝禹莊

（西南交通大學 物理科學與技術學院，四川 成都 610031）

光子計算機以光束代替電子進行計算和存儲，運算速度快，應用廣泛。20世紀中期，科學家們開始研究光子計算機。光子計算機具有信號傳輸通暢、互連密度高、運算速度快、信息容量大、處理精度高、能量消耗小等特點。因一些關鍵技術和成本問題，光子計算機目前尚未實現微型化、集成化。目前，相關技術和新材料研究取得突破，未來光子計算機發展具有可期待的發展前景。

光子計算機；研究狀況；制約瓶頸；發展前景

1 引言

光子計算機為一種依靠光而非靠電進行信息存儲、處理、運算、操作的新型的計算機，它以光子代替電子，以光運算代替電運算。光子運動速度比電子快得多，因而光子計算機速度非常快，比現有高速電子計算機快上千倍[1]。

光子計算機在電話傳輸、預測天氣和氣候等領域應用非常廣泛，為搶占光子計算機研究和應用先機，當前全球各國都不惜投入巨資研制。

2 光子計算機的運行原理及基本構成

光學計算機與電子計算機傳遞信息的載體有顯著不同，它利用激光傳送信號，以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，實現數據運算、傳輸和存儲。

構成光子計算機的光學器件和設備包括激光器、光學反射鏡、透鏡、濾波器等。光子晶體管、光邏輯元件、光子存儲器件、光子探測器件、光空間調制器件等功能元器件通過調整相位、偏振、振幅、強度或波長等參數形成。將多種光電元器件集中在一塊芯片上，形成光子集成器件，進行光信號高速傳輸與處理[2]。

光子計算機包括光模擬信號計算機、全光數字信號計算機、光智能計算機三類[3]。光模擬信號計算機直接利用光學圖像的二維性，結構簡單，但為并行快速計算，且信息容量大，廣泛用于衛星圖片處理和模式識別等。全光數字信號計算機采用電子計算機的結構，但用光學邏輯元件（光控制器、光存儲器和光運算器等）取代電子邏輯元件，用光子互連代替導線互連。光智能計算機以并行處理（光學神經網絡）為基礎，是基于人工智能的最新技術。

3 光子計算機的研究狀況及成果

1969年，美國麻省理工學院研究人員開啟光子計算機研究。1982年，英、法、德、意大利、比利時等國8所高校啟動合作研究，并于90年代中期研制出第一臺光子計算機。1984-06，IBM研發第一臺能夠正常工作的光子計算機，但只能在接近絕對零度的環境下工作。1990年，貝爾實驗室成功研制一臺由棱鏡、透鏡和激光器等元器件構成的光電混合型計算機。2006年，哈佛大學的研究者通過“冷凍”超低溫原子控制光線，形成光學電腦中央處理器（CPU）。 2008年，英特爾公司研究者使用基于硅的雪崩光電探測器實現創世界紀錄的高性能，奠定了降低光學鏈路成本的基礎。2012年，美國賓夕法尼亞大學研究者用硫化鎘納米線研制出全光光子開關。美國加利福尼亞大學（UC）圣地亞哥分校研究者研制出能使光停住并長時間保留在光腔中的超材料設備[4]。2015年，美國杜克大學研究者研發出每秒鐘能夠開關900億次的 LED燈管，奠定了光子計算機的硬件基礎[5]。2015年，麻省理工學院的研究者研制出一種可以與傳統的計算機結合進行深度學習的新型光學計算芯片。2017年，美國普林斯頓大學研究者研制出首枚可實現超快速度計算的光子神經形態芯片，利用光子解決了神經網絡電路速度受限的難題。

中國一些高校和科研機構也積極開展光子計算機研究。2000年，上海大學金翊教授研究提出三值光學計算機（Ternary Optical Computer，簡稱 TOC）[6]。2017年，金翊教授研究團隊完成三值光學計算機原型機并行運算測試。

4 光子計算機的主要特點

與電子計算機相比，光子計算機具有很多優勢和鮮明的特點[7]，主要包括以下特點。

4.1 信號傳輸通暢

光子不帶電荷，不存在電磁場相互作用。光信號傳輸具有并行性，在自由空間中平行或相互交叉傳播，彼此不發生干擾。光波頻率約是電信號頻率的104～105倍，以光波為載波，信號帶寬可達106～107 MHz，將擁有非常多的通道數量。

4.2 互連密度高

光子無靜止質量，可以在真空、介質中傳播，可以交叉互連，抗干擾效果特別好。光子計算機芯片通過光互連，不受電磁干擾，互連密度很高。

4.3 運算速度快

光子的速度為3×108m/s，光子計算機比電子計算機運算處理速度快1 000倍。光子計算機器件可進行四進制計算和三進制計算，因而運算速度成倍提高。

4.4 信息容量大

光子計算機的光輻射源為激光器，光子的傳導不需要導線，信息通過能力超過現有電話電纜通道的許多倍[8]。

4.5 處理精度高

因為光子速度快，互連長度延時差小，處理精度非常高。使用光信號運算處理，避免了光信號、電信號相互轉化及處理可能的錯誤，能夠智能識別文字、圖像、手勢以及聲音。光子計算機中單個元件失零，不會影響運算處理，容錯率 很高[9]。

4.6 能量消耗小

驅動光子計算機所需能量遠遠小于同類規格電子計算機，這也有效降低了電能消耗，減少了計算機運行散發的熱量，也為光子計算機微型化、便攜化提供了基礎。

5 光子計算機的發展瓶頸及突破方向

光子計算是計算科學領域的“明日之星”，但三方面因素制約和影響其規模發展和廣泛應用。

5.1 技術問題

光學器件體積一般比較大，要將光路縮小比較困難，要集成到芯片級別更加困難。因而，光學器件的微型化、集成化影響和制約了光子計算機研發及應用。早期的研究中，如何實現電信號與光信號互相轉變、如何實現光信號在不同端點處的定向傳送、如何實現光信息長期存儲等瓶頸問題，一度讓研究降溫。

5.2 材料問題

光子器件的選材是制造業中非常重要的環節。從功能角度考慮，需要選擇對光非線性材料特性系數大、光損閡值高、開關能量耗損小、開關時間短和沒有色散的材料。從加工角度考慮，需要選擇機械強度高、工作溫度范圍寬、不易氧化或者腐蝕、不易變形和易于加工，且能成為薄膜狀的材料。目前還沒有無可應用的、成本低廉的、可重復讀寫的材料。

5.3 成本問題

光電技術的優勢作用與芯片級平臺，不僅只要技術，還要實現低成本，才可能把技術規模化。目前大多光子器件都采用砷化鎵和磷化銦之類的特殊半導體制造，成本比較高，處理與封裝十分復雜，很難用于單臺計算機甚至區域網絡。用于光存儲的記錄材料成本也非常高。

隨著光電技術的發展和材料科學的進步，近年光子計算機研究逐漸升溫。尤其是微納加工技術的進步，使得一些瓶頸問題可能得以解決。在技術層面，當前按照兩方面思路研究：①借鑒傳統電子計算機思路。光子計算機主流研究思路是借鑒電子計算機的結構，以光學器件代替電子器件構建計算機。這利用了光的并行性、超高速、低功耗等特點，有賴于光子集成技術，包括單片集成和混合集成技術等。②借鑒光學神經網絡思路。人工智能核心就是機器學習，神經網絡是實現機器學習的算法之一。隨著集成光子技術日益成熟，光運算與光學神經網絡相結合的研究取得較快進展，并已經在語音識別等方面取得突破。因而，借鑒人工智能中的光學神經網絡結構，以全新的并行處理為基礎結構構建光子計算機成為重點研究方向。

6 光子計算機未來發展展望

光子計算機的一些關鍵技術仍然在不斷研究中。因其運行速度快、儲存信息量大、容錯性強，一旦研制成功，將極大影響當前的新技術革命。

根據當前研究成果及新材料、集成技術的發展趨勢，未來光子計算機可望在以下方面實現突破。

6.1 運算高速化

科學家預計，將來可能制成比現有電子計算機快1 000倍的超級光子計算機，運算速度達每秒幾億次。隨著光電技術的發展，特別是光子集成技術日益成熟，光子計算機有潛力實現低功耗、高性能，開啟嶄新的運算時代。

6.2 機身微型化

光集成技術的發展將帶來光學器件的微型化、性能穩定化，實現基于光纖或者自由空間的光運算。因而，未來光子計算機將以高性能、低價格適應市場需求。CPU的材料可能為存儲量大、規模化生產后成本低廉的物質。現有計算機的主板、內存、顯卡等載體未來可能弱化，功能被替代或集成到其他器件，顯示器將會是超薄的無點距液態顯示器。未來PDA將具有高度集成性和方便攜帶性，集成手提電腦、數碼相機、數碼攝像機、衛星定位、即時通信以及屏幕投影等功能。

6.3 功能智能化

按照目前神經網絡的發展，面部識別、對象識別、自然語言處理、機器翻譯等原本人類才有的技能，將逐漸成為機器的常規配置。所以，將來復雜光學神經網絡將在大數據中心、安全系統、無人機等低能耗應用中占據重要席位。

6.4 應用廣泛化

光子計算機存儲量非常大，是現有電子計算機的幾萬倍，還能夠識別與合成語言、圖形和手勢。隨著光學、計算機與微電子等技術的發展和結合，光子計算機成為人類的常用工具不會遙遠。

［1］李博.光子計算機的發展狀況［J］.福建電腦，2013（10）：77-78，140.

［2］王廷江.談談光子計算機［J］.現代物理知識，2004（3）：31-32.

［3］楊燕妮，劉鵬，李川江.淺談光子計算機［J］.科技視界，2016（7）：31-32.

［4］中國科學院上海硅酸鹽研究所.美證明一種長期保留光的新方法［J］.功能材料信息，2014（6）：60.

［5］劉偉.淺談光子計算機的現狀與發展［J］.科技創新導報，2011（34）：10.

［6］孫浩.三值光計算機關鍵部件的研究［D］.西安：西北工業大學，2004.

［7］任浩辰.光子計算機探析與構想［J］.中國新通信，2017（23）：22-23.

［8］光子計算機研發取得進展超快LED每秒鐘開關900億次［J］.瀘州科技，2015（3）：15.

［9］李廷林.現代計算機技術的發展前景探討［J］.中國電子商務，2012（3）：52.

TP381

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.019

2095－6835（2020）01－0062－02

謝禹莊，男。

〔編輯：嚴麗琴〕