比超级计算机快一万倍的“光脑”来了

面向未来的光子计算机

出品:科普中国

制作:幻彩宝宝科普创新公社

监制:中国科学院计算机网络信息中心

导言:随着科学技术的飞速发展,人类社会已经迈入了计算机时代,计算机和互联网已经与人们的日常工作、学习和生活息息相关。我们享受计算机带来的开放与互动的同时,也忍受着电脑处理速度慢、经常卡住甚至死机的烦恼;散热不良、定时清理电脑的烦恼;将笨重的笔记本电脑背来背去、劳累异常的烦恼。

有没有一种计算机是超常的?能够让人甩掉这些烦恼?普通人梦寐以求的设备会成为现实吗?将来的移动设备能否超越目前最快的超级计算机?“光脑”给出了答案。

何谓“光脑”?

所谓“光脑”,其实是对应于电脑而言,是光子计算机的简称。光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。不同于电子计算机对电子的控制,光子计算机的运行依靠激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备对光子的控制完成光运算。

性能:比超级计算机快一万倍

用光子做传递信息的载体,可以制造出性能更优异的“光脑”。它的性能优越性体现在:

1. 并行传输

由于目前电子计算机的 CPU(中央处理器,相当于人的大脑)采用串行的处理方式,直接导致其工作时间实际只占了总时间的三分之一,那么它的大部分时间用来做什么了呢?

传输数据,也就是我们所说的缓存。

试想一下,本来性能就一般的家用电脑大部分时间用来休息,这不是要气死本宝宝吗?幸好,“光脑”是通过光子进行数据传播。光子彼此之间没有干扰,齐头并进。当电子排着长队一个一个的缓慢通过处理器到达缓存时,光子已经肩并肩的开着光速飞机飞驰而过了。

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光子传输的并行高速性

2. 超高速运算

光子计算机并行处理能力强,因而具有更高的运算速度。

电子的传播速度是 593km/s,而光子的传播速度却达3×10^5km/s。对于电子计算机来说,电子是信息的载体,它只能通过一些相互绝缘的导线来传导,即使在最佳的情况下,电子在固体中的运行速度也远远不如光速,尽管目前电子计算机运算速度不断提高,但它的能力极限还是有限的。

一旦光子计算机成功问世,将会比现在的超级计算机快 1000~10000 倍。

此外,电子计算机随着装配密度的不断提高,会使导体之间的电磁作用不断增强,散发的热量也在逐渐增加,从而制约运行速度。而光子计算机就没有这种烦恼。

3. 超大规模的信息存储容量

与电子计算机相比,光子计算机具有超大规模的信息存储容量。光子计算机具有极为理想的光辐射源——激光器,光子的传导是可以不需要导线的,而且即使在相交的情况下,它们之间也不会产生丝毫的相互影响。光子计算机无导线传递信息的平行通道,其密度实际上是无限的,一枚五分硬币大小的枚镜,它的信息通过能力竟是全世界现有电话电缆通道的许多倍。

4. 能量消耗小,散发热量低

光子计算机是一种节能型产品。光子计算机的驱动,只需要同类规格的电子计算机驱动能量的一小部分,这不仅降低了电能消耗,大大减少了机器散发的热量,而且为光子计算机的微型化和便携化研制,提供了便利的条件。

“光脑”的灵感竟是来自蝴蝶

正如牛顿从树上掉下的苹果最终悟出著名的万有引力定律,瓦特从沸腾的水中得到灵感发明蒸汽机,科学家开发“光脑”的灵感也是来自于大自然。

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科学家发现蝴蝶翅膀漂亮的颜色既不是染料色也不是颜料色,而是一种新奇的色彩——结构色彩。

这种结构色彩饱和度高、光泽绚丽、环境友好且永不褪色。蝴蝶翅膀中特定的周期性结构(如上图)对光具有调控性能,使某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播而被散射回来。人们将这种具有特定周期性结构的物质称为光子晶体。

类似于电子计算机中半导体元件可以对电子选择性通过,光子计算机中的光子晶体也可以作为光的开关,实现“0 和1”的逻辑运算。光子计算机中的关键部件激光器(如下图)就是通过这一原理实现的。

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何时“飞入寻常百姓家”?

光子计算机由光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备组成。有模拟式与数字式两类光子计算机。

模拟式光子计算机的特点是直接利用光学图像的二维性,因而结构比较简单。这种光子计算机已用于卫星图片处理和模式识别工作。

数字式光子计算机的结构方案有许多种,其中被认为开发价值比较大的有两种,一种是采用电子计算机中已经成熟的结构,只是用光学逻辑元件取代电子逻辑元件,用光子互连代替导线互连;另外一种是全新的,以并行处理(光学神经网络)为基础的结构。

光子计算机已经成功研制并且取得一系列新的进展,例如来自美国杜克大学的计算机电子工程师团队研发出了能够实现超快速开关的 LED 灯管,每秒钟能够开关 900 亿次的性能使得它能够取代之前的 LED 技术,构成光子计算机的硬件基础。

虽然目前我们使用的是电子计算机,但是从发展的潜力来说,显然光子计算机比电子计算机大得多,特别是在对图像处理、目标识别和人工智能等方面,光子计算机将来发挥的作用远比电子计算机大。

结语:具有并行传输、超高速运算、超大规模的信息存储容量、能量消耗小以及散发热量低等优点的“光脑”是未来最有潜力替代电脑的选手。相信在不久的将来,“光脑”会从军用走向民用,成为人们日常生活的伴侣。

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