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来源:科普中国    日期:2015-11-25 周三 10:47    目前尚无评论 
“光脑”来了:性能比超级计算机快一万倍(4图)
  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。
用光线代替电线的光子计算机
  用光线代替电线的光子计算机
  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。
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。
“光脑”来了:性能比超级计算机快一万倍
  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。
“光脑”来了:性能比超级计算机快一万倍
  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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