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[ 摘要 ] 所謂 " 光腦 "，其實(shí)是對(duì)應(yīng)于電腦而言，是光子計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)。光子計(jì)算機(jī)是一種由光信號(hào)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計(jì)算機(jī)，比超級(jí)計(jì)算機(jī)快一萬(wàn)倍。

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面向未來(lái)的光子計(jì)算機(jī)

出品：科普中國(guó)

制作：幻彩寶寶科普創(chuàng)新公社

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

導(dǎo)言：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)已經(jīng)邁入了計(jì)算機(jī)時(shí)代，計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)與人們的日常工作、學(xué)習(xí)和生活息息相關(guān)。我們享受計(jì)算機(jī)帶來(lái)的開(kāi)放與互動(dòng)的同時(shí)，也忍受著電腦處理速度慢、經(jīng)?？ㄗ∩踔了罊C(jī)的煩惱；散熱不良、定時(shí)清理電腦的煩惱；將笨重的筆記本電腦背來(lái)背去、勞累異常的煩惱。

有沒(méi)有一種計(jì)算機(jī)是超常的？能夠讓人甩掉這些煩惱？普通人夢(mèng)寐以求的設(shè)備會(huì)成為現(xiàn)實(shí)嗎？將來(lái)的移動(dòng)設(shè)備能否超越目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)？" 光腦 " 給出了答案。

何謂 " 光腦 "？

所謂 " 光腦 "，其實(shí)是對(duì)應(yīng)于電腦而言，是光子計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)。光子計(jì)算機(jī)是一種由光信號(hào)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計(jì)算機(jī)。不同于電子計(jì)算機(jī)對(duì)電子的控制，光子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行依靠激光器、光學(xué)反射鏡、透鏡、濾波器等光學(xué)元件和設(shè)備對(duì)光子的控制完成光運(yùn)算。

性能：比超級(jí)計(jì)算機(jī)快一萬(wàn)倍

用光子做傳遞信息的載體，可以制造出性能更優(yōu)異的 " 光腦 "。它的性能優(yōu)越性體現(xiàn)在：

1. 并行傳輸

由于目前電子計(jì)算機(jī)的 CPU（中央處理器，相當(dāng)于人的大腦）采用串行的處理方式，直接導(dǎo)致其工作時(shí)間實(shí)際只占了總時(shí)間的三分之一，那么它的大部分時(shí)間用來(lái)做什么了呢？

傳輸數(shù)據(jù)，也就是我們所說(shuō)的緩存。

試想一下，本來(lái)性能就一般的家用電腦大部分時(shí)間用來(lái)休息，這不是要?dú)馑辣緦殞殕?？幸好? 光腦 " 是通過(guò)光子進(jìn)行數(shù)據(jù)傳播。光子彼此之間沒(méi)有干擾，齊頭并進(jìn)。當(dāng)電子排著長(zhǎng)隊(duì)一個(gè)一個(gè)的緩慢通過(guò)處理器到達(dá)緩存時(shí)，光子已經(jīng)肩并肩的開(kāi)著光速飛機(jī)飛馳而過(guò)了。

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光子傳輸?shù)牟⑿懈咚傩?/p>

2. 超高速運(yùn)算

光子計(jì)算機(jī)并行處理能力強(qiáng)，因而具有更高的運(yùn)算速度。

電子的傳播速度是 593km/s，而光子的傳播速度卻達(dá) 3×10^5km/s。對(duì)于電子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，電子是信息的載體，它只能通過(guò)一些相互絕緣的導(dǎo)線來(lái)傳導(dǎo)，即使在最佳的情況下，電子在固體中的運(yùn)行速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如光速，盡管目前電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度不斷提高，但它的能力極限還是有限的。

一旦光子計(jì)算機(jī)成功問(wèn)世，將會(huì)比現(xiàn)在的超級(jí)計(jì)算機(jī)快 1000~10000 倍。

此外，電子計(jì)算機(jī)隨著裝配密度的不斷提高，會(huì)使導(dǎo)體之間的電磁作用不斷增強(qiáng)，散發(fā)的熱量也在逐漸增加，從而制約運(yùn)行速度。而光子計(jì)算機(jī)就沒(méi)有這種煩惱。

3. 超大規(guī)模的信息存儲(chǔ)容量

與電子計(jì)算機(jī)相比，光子計(jì)算機(jī)具有超大規(guī)模的信息存儲(chǔ)容量。光子計(jì)算機(jī)具有極為理想的光輻射源——激光器，光子的傳導(dǎo)是可以不需要導(dǎo)線的，而且即使在相交的情況下，它們之間也不會(huì)產(chǎn)生絲毫的相互影響。光子計(jì)算機(jī)無(wú)導(dǎo)線傳遞信息的平行通道，其密度實(shí)際上是無(wú)限的，一枚五分硬幣大小的枚鏡，它的信息通過(guò)能力竟是全世界現(xiàn)有電話電纜通道的許多倍。

4. 能量消耗小，散發(fā)熱量低

光子計(jì)算機(jī)是一種節(jié)能型產(chǎn)品。光子計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)，只需要同類(lèi)規(guī)格的電子計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)能量的一小部分，這不僅降低了電能消耗，大大減少了機(jī)器散發(fā)的熱量，而且為光子計(jì)算機(jī)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(lái)自蝴蝶

正如牛頓從樹(shù)上掉下的蘋(píng)果最終悟出著名的萬(wàn)有引力定律，瓦特從沸騰的水中得到靈感發(fā)明蒸汽機(jī)，科學(xué)家開(kāi)發(fā) " 光腦 " 的靈感也是來(lái)自于大自然。

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科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)色彩。

這種結(jié)構(gòu)色彩飽和度高、光澤絢麗、環(huán)境友好且永不褪色。蝴蝶翅膀中特定的周期性結(jié)構(gòu)（如上圖）對(duì)光具有調(diào)控性能，使某一頻率范圍的波不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播而被散射回來(lái)。人們將這種具有特定周期性結(jié)構(gòu)的物質(zhì)稱(chēng)為光子晶體。

類(lèi)似于電子計(jì)算機(jī)中半導(dǎo)體元件可以對(duì)電子選擇性通過(guò)，光子計(jì)算機(jī)中的光子晶體也可以作為光的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn) "0 和 1" 的邏輯運(yùn)算。光子計(jì)算機(jī)中的關(guān)鍵部件激光器（如下圖）就是通過(guò)這一原理實(shí)現(xiàn)的。

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何時(shí) " 飛入尋常百姓家 "？

光子計(jì)算機(jī)由光學(xué)反射鏡、透鏡、濾波器等光學(xué)元件和設(shè)備組成。有模擬式與數(shù)字式兩類(lèi)光子計(jì)算機(jī)。

模擬式光子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是直接利用光學(xué)圖像的二維性，因而結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。這種光子計(jì)算機(jī)已用于衛(wèi)星圖片處理和模式識(shí)別工作。

數(shù)字式光子計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)方案有許多種，其中被認(rèn)為開(kāi)發(fā)價(jià)值比較大的有兩種，一種是采用電子計(jì)算機(jī)中已經(jīng)成熟的結(jié)構(gòu)，只是用光學(xué)邏輯元件取代電子邏輯元件，用光子互連代替導(dǎo)線互連；另外一種是全新的，以并行處理（光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)。

光子計(jì)算機(jī)已經(jīng)成功研制并且取得一系列新的進(jìn)展，例如來(lái)自美國(guó)杜克大學(xué)的計(jì)算機(jī)電子工程師團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了能夠?qū)崿F(xiàn)超快速開(kāi)關(guān)的 LED 燈管，每秒鐘能夠開(kāi)關(guān) 900 億次的性能使得它能夠取代之前的 LED 技術(shù)，構(gòu)成光子計(jì)算機(jī)的硬件基礎(chǔ)。

雖然目前我們使用的是電子計(jì)算機(jī)，但是從發(fā)展的潛力來(lái)說(shuō)，顯然光子計(jì)算機(jī)比電子計(jì)算機(jī)大得多，特別是在對(duì)圖像處理、目標(biāo)識(shí)別和人工智能等方面，光子計(jì)算機(jī)將來(lái)發(fā)揮的作用遠(yuǎn)比電子計(jì)算機(jī)大。

結(jié)語(yǔ)：具有并行傳輸、超高速運(yùn)算、超大規(guī)模的信息存儲(chǔ)容量、能量消耗小以及散發(fā)熱量低等優(yōu)點(diǎn)的 " 光腦 " 是未來(lái)最有潛力替代電腦的選手。相信在不久的將來(lái)，" 光腦 " 會(huì)從軍用走向民用，成為人們?nèi)粘Ｉ畹陌閭H。