diy超級計算機光子計算機

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2011-06-21diy超級計算機光子計算機diy超級計算機光子計算機

光子計算機

百科名片

光子計算機是一種由光信號進行數(shù)字運算、邏輯操作、信息存貯和處理的

新型計算機。它由激光器、光學(xué)反射鏡、透鏡、濾波器等光學(xué)元件和設(shè)備構(gòu)成,

靠激光束進入反射鏡和透鏡組成的陣列進行信息處理，以光子代替電子，光運

算代替電運算。光的并行、高速，天然地決定了光子計算機的并行處理能力很

強，具有超高運算速度。光子計算機還具有與人腦相似的容錯性，系統(tǒng)中某一

元件損壞或出錯時，并不影響最終的計算結(jié)果。光子在光介質(zhì)中傳輸所造成的

信息畸變和失真極小，光傳輸、轉(zhuǎn)換時能量消耗和散發(fā)熱量極低，對環(huán)境條件

的要求比電子計算機低得多。簡介現(xiàn)有的計算機是由電子來傳遞和處理信息。

電場在導(dǎo)線中傳播的速度雖然比我們看到的任何運載工具運動的速度都快，但

是，從發(fā)展高速率計算機來說，采用電子做輸運信息載體還不能滿足快的要求,

提高計算機運算速度也明顯表現(xiàn)出能力有限了。而光子計算機以光子作為傳遞

信息的載體，光互連代替導(dǎo)線互連，以光硬件代替電子硬件，以光運算代替電

運算，利用激光來傳送信號，并由光導(dǎo)纖維與各種光學(xué)元件等構(gòu)成集成光路，

從而進行數(shù)據(jù)運算、傳輸和存儲。在光子計算機中，不同波長、頻率、偏振態(tài)

及相位的光代表不同的數(shù)據(jù)，這遠勝于電子計算機中通過電子"0"、"1"狀態(tài)變

化進行的二進制運算，可以對復(fù)雜度高、計算量大的任務(wù)實現(xiàn)快速的并行處理。

光子計算機將使運算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。

電子計算機的弊端

我們知道，任何金屬導(dǎo)線都存在電阻和電容。從電磁學(xué)基本知識也知道，

電阻和電容的結(jié)合會給在導(dǎo)線中傳播的電子產(chǎn)生〃阻力”，減低它在導(dǎo)線中傳播

的速度（傳播速度大約只有光波在真空中傳播速度的千分之一），這個現(xiàn)象又稱

時鐘扭曲。由于存在這樣一些問題，相應(yīng)地也就出現(xiàn)這樣的后果：電子對迅速

的外來變化反應(yīng)''遲鈍"。當(dāng)傳遞信息的載波頻率很高（即信號變化速率很快）時,

在導(dǎo)線上傳遞的電信號實際上跟不上要傳遞的信息信號變化。結(jié)果呢，就如同

相聲演員念繞口令，念得過快，舌頭反應(yīng)跟不上，念錯了或走了調(diào)那個樣子，

被傳遞的信號要發(fā)生畸變，計算機的運算發(fā)生錯誤。其次，電子計算機的中央

處理機雖然能夠迅速處理數(shù)據(jù)，主存貯器能夠吞吐大量的數(shù)據(jù)。但因為所有的

數(shù)據(jù)信號都必須經(jīng)過總線傳遞，而總線的電流密度如果太大，產(chǎn)生的電磁干擾

也大。因此，電子計算機也會出現(xiàn)類似于高速公路交匯口由于狹窄，車輛通行

速率受限制的現(xiàn)象，計算機和運算速度也受到了限制。還有，計算機使用的集

成電子器件，它們因為受量子效應(yīng)干擾，集成密度受到限制，理論上的集成密

度最高為每塊芯片10億個晶體管（在實際上達到的數(shù)量比這個數(shù)還要低許多）。

光子計算機的優(yōu)勢

不用電子，用光子做傳遞信息的載體，就有可能克服前面談到的那些限制,

制造出性能更優(yōu)異的計算機。用光子做傳遞信息的載體有以下兒方面的好處：

光子不帶電荷

它們之間不存在電磁場相互作用在自由空間中兒束光平行傳播、相互交叉

傳播，彼此之間不發(fā)生干擾，千萬條光束可以同時穿越只光學(xué)元件而不會相

互影響。一只20X20cOf的光學(xué)系統(tǒng)，能夠提供5X10*5條并行傳輸信息通道;

一只質(zhì)量好的透鏡能夠提供1（/8條信息通道。如果用光波導(dǎo)傳輸，光波導(dǎo)也可

以相互穿越，只要它們的交叉角大于10°左右就不會有明顯的交叉耦合。上述

的性質(zhì)又稱光信號傳輸?shù)牟⑿行浴?/p>

光子沒有靜止質(zhì)量

它既可以在真空中傳播，也可以在介質(zhì)中傳播，傳播速度比電子在導(dǎo)線中

的傳播速度快得多（約1000倍），也就是說，光子攜帶信息傳遞的速度比電子快

計算機內(nèi)的芯片之間用光子互連不受電磁干擾影響，互連的密度可以很高。在

自由空間進行互連，每平方毫米面積上的連接線數(shù)目可以達到5萬條，如果用

光波導(dǎo)方式互連，可以有萬條。所以，用光子做信息處理載體，會制造出運算

速度極高的計算機，理論上可以達到每秒1000億次，信息存儲量達到1018位。

這種計算機稱為光子計算機。

超高速的運算速度

光子計算機并行處理能力強，因而具有更高的運算速度。電子的傳播速度

是593km/s,而光子的傳播速度卻達3X10?5km/s,對于電子計算機來說，電子

是信息的載體，它只能通過一些相互絕緣的導(dǎo)線來傳導(dǎo)，即使在最佳的情況下,

電子在固體中的運行速度也遠遠不如光速，盡管目前的電子計算機運算速度不

斷提高，但它的能力極限還是有限的；此外，隨著裝配密度的不斷提高，會使

導(dǎo)體之間的電磁作用不斷增強，散發(fā)的熱量也在逐漸增加，從而制約了電子計

算機的運行速度；而光子計算機的運行速度要比電子計算機快得多，對使用環(huán)

境條件的要求也比電子計算機低得多。

超大規(guī)模的信息存儲容量

與電子計算機相比，光子計算機具有超大規(guī)模的信息存儲容量。光子計算

機具有極為理想的光輻射源一激光器，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，它們之間也不會產(chǎn)生絲毫的相互影響。光子計算機無導(dǎo)

線傳遞信息的平行通道，其密度實際上是無限的，一枚五分硬幣大小的枚鏡，

它的信息通過能力竟是全世界現(xiàn)有電話電纜通道的許多倍。

能量消耗小，散發(fā)熱量低

是一種節(jié)能型產(chǎn)品。光子計算機的驅(qū)動，只需要同類規(guī)格的電子計算機驅(qū)

動能量的一小部分，這不僅降低了電能消耗，大大減少了機器散發(fā)的熱量，而

且為光子計算機的微型化和便攜化研制，提供了便利的條件?？茖W(xué)家們正試驗

將傳統(tǒng)的電子轉(zhuǎn)換器和光子結(jié)合起來，制造一種“雜交”的計算機，這種計算機

既能更快地處理信息，又能克服巨型電子計算機運行時內(nèi)部過熱的難題。

光子計算機的組成

光子計算機由光學(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)字式兩類光子計算機。模擬式光子計算機的特點是直接利用光學(xué)圖像的

二維性，因而結(jié)構(gòu)比較簡單。這種光子計算機現(xiàn)在已用于衛(wèi)星圖片處理和模式

識別工作。美國以前提出的［喬蛇笳郊蘋甑痛蛋惴?拐庵旨撲愫詞侗鷺咚僧尚械

牡嫉枷施J質(zhì)焦庾蛹撲愫慕即狗槳贛行磯嘀鄭渲腥銜12.壑當(dāng)冉洗蟠撓辛街鄭恢

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庖恢質(zhì)僑碌模圓?寫恚U皮密紓T〉慕血乖詒臼蘭?o年代制成了光學(xué)信息處理

機年數(shù)字光處理機也獲得成功，它由激光器、透鏡和棱鏡等組成。雖然光子計

算機已經(jīng)成功，但在目前來說，光子計算機在功能以及運算速度等方面，還趕

不上電子計算機，我們使用的主要還是電子計算機，今后也發(fā)展電子計算機。

但是，從發(fā)展的潛力大小來說，顯然光子計算機比電子計算機大得多，特別是

在對圖像處理、目標(biāo)識別和人工智能等方面，光子計算機將來發(fā)揮的作用遠比

電子計算機大。

光子計算機現(xiàn)狀

美國［炊笛械襁佳兄瞥黎瀾韁系端惶F皮b撲慷翰K捎蒙榛毓皮3兀慫闞俁

卻鑄棵?0億次。盡管這臺光學(xué)計算機與理論上的光學(xué)計算機還有一定距離，但

已顯示出強大的生命力。人類利用光纜傳輸數(shù)據(jù)已經(jīng)有20多年的歷史了，用光

信號來存儲信息的光盤技術(shù)也已廣泛應(yīng)用。然而要想制造真正的光子計算機，

需要開發(fā)出可以用一條光束來控制另一條光束變化的光學(xué)晶體管這一基礎(chǔ)元件。

一般說來，科學(xué)家們雖然可以實現(xiàn)這樣的裝置，但是所需的條件如溫度等仍較

為苛刻，尚難以進入實用階段。

美國馬薩諸塞州的一家光學(xué)技術(shù)公司一光導(dǎo)發(fā)光元件系統(tǒng)公司目前正與美

國航空航天局馬歇爾航天中心合作開發(fā)用來制造光學(xué)計算機的"光〃路板，實現(xiàn)

對光子移動的控制，并有望在今年取得突破。1999年5月，在美國西北大學(xué)工

作的新加坡科學(xué)家何盛中領(lǐng)導(dǎo)的一個有20多人的研究小組利用納米級的半導(dǎo)體

激光器研制出世界上最小的光子定向耦合器，可以在寬度僅0.2至0.4微米的

半導(dǎo)體層中對光進行分解和控制。

研制光子計算機

巴斯大學(xué)(UniversityofBath)的物理學(xué)家正在進行一個項目，想研制出一

種計算機，可以用光子代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子來運作。

這個項目由工程及物理科學(xué)研究理事會

(EngineeringandPhysicalSciencesResearchCouncil)發(fā)起，總投資82萬英鎊。

這項研究將推動光子物理的發(fā)展，同時也給了物理學(xué)家從原子級別觀察世界的

一次機會。

在過去四十來年里，摩爾定律一直在發(fā)揮它的威力，芯片廠商們將產(chǎn)品越

做越小，以至于晶體管之間的相互作用會造成嚴(yán)重影響。于是工程師們開始將

目光投注在光子方面，想利用光子來傳輸信息。

他們采用新型光子晶體光纖作為傳輸器材，比其傳統(tǒng)光線來，新材料的損

耗要小得多。〃如果成功，這將是近五十年來計算機技術(shù)的一次革命〃項目領(lǐng)導(dǎo)

者Benabid博士說。

計算機展望

相信在看這篇文章的人對PC已經(jīng)有一定的認(rèn)識，對PC的過去我也就不多

說了，摩爾定律完全掌握著我們可以遇見的未來，而摩爾定律失效將會出現(xiàn)在

0.2nm工藝制作芯片的時候，因為那已經(jīng)一個原子的直徑了。但在這之前或之

后很短的時間內(nèi)光子計算機將會取代電子計算機，那時光子計算機就像我們現(xiàn)

在使用的電子計算機一樣流行，因此我對未來的PC的預(yù)測是建立在光子計算機

的基礎(chǔ)上：PC將會分為兩個支線，一個是臺式機，臺式機不會被淘汰，它繼續(xù)

以高性能價格比占據(jù)著市場的大部分?，F(xiàn)在的PDA將會是另一個分支的雛形，

它甚至?xí)⑹痔犭娔X淘汰，原因下文我說到。（下文所提到的計算機除特別指出,

否則都是指光子計算機）我先來說說未來的臺式機，臺式機不會因為PC的極度

發(fā)展而消失，相反它比任何一種其他機型更能適應(yīng)市場的發(fā)展需求，臺式機將

會以高性能，低價格作為發(fā)展之路，光子臺式機的整個架構(gòu)將會是以光信號取

代現(xiàn)在的電信號，光信號經(jīng)輸入設(shè)備觸發(fā)，經(jīng)傳送到CPU處理后，再按輸出。

其實原理跟現(xiàn)在的電子計算機一樣，只不過所有通信都是有光信號完成。下面

簡單預(yù)測每個配件。

CPU：作為光子計算機核心，它仍然會作為一個獨立產(chǎn)品來被開發(fā)和研究，

至于它的材料應(yīng)該會是一種存儲量大，當(dāng)規(guī)模生產(chǎn)之后會變得相當(dāng)便宜的物質(zhì)。

主板：或者說是光信號生成或傳送器更加貼切一些，但這個物件可能會消

失。在未來主板不再與現(xiàn)在的主板同等重要，因為光信號生成可能會在電源中

完成，而光信號傳送途徑可以簡單地透過CPU與其他物件的連接實現(xiàn)。這樣主

板就不再有存在的理由了。

硬盤與內(nèi)存：光子計算機中硬盤會完成現(xiàn)在內(nèi)存和硬盤的工作，內(nèi)存將消

失?，F(xiàn)在計算機的原理被改變，處理器直接可以在高速硬盤中讀取、運行、處

理數(shù)據(jù)。但現(xiàn)有的光存儲器的速度實在不可以實現(xiàn)，因此現(xiàn)在的光儲存器在將

來只會作為廉價的備份或復(fù)制轉(zhuǎn)移設(shè)備。新的儲存器將會是一種可透光的液態(tài)

存儲器，數(shù)據(jù)直接紀(jì)錄在每個原子上，以高速運動的原子實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速讀取,

從而取代內(nèi)存。

顯卡與顯示器：顯卡將會與顯示器集成，或消失，現(xiàn)在的液晶顯示器是未

來顯示器的雛形，未來的顯示器將會是無點距液態(tài)顯示器，同樣是像現(xiàn)在的顯

示器一樣是超薄顯示器，顯示器面板上將會有一種受激會發(fā)光的物質(zhì)，以每一

原子為發(fā)光單位來顯示圖形，實現(xiàn)無點距顯示。

現(xiàn)在未來的臺式光子計算機已經(jīng)基本成行了，其他配件也像現(xiàn)在的PC一樣,

按自己的需要DIY。未來PC的另一個分支就是未來的PDA,現(xiàn)在PDA已經(jīng)是一

個很好的概念了，只是它現(xiàn)在實在是處于發(fā)展的起步，難成氣候。在理論上說,

只有工藝足夠高的話，所有原件都可以集成一塊芯片上，于是未來的PDA會從

這點出發(fā)，也高度集成性和方便攜帶性而成為PC的另一個分支。說它是PC的

一個分支，因為它首先要集成手提電腦的全部功能，它還會集成現(xiàn)在的數(shù)碼相

機、數(shù)碼攝像機、GPS等的功能，另外它還要實現(xiàn)即時通信功能，如同現(xiàn)在的

手機一樣。

未來的PDA大小應(yīng)該比現(xiàn)在的手機小一點點，你可以見到PDA很可能跟現(xiàn)

在的手機一樣，只有簡單的幾個按鍵和一個不太大的彩色屏幕。但不要小看它,

它將可以實現(xiàn)手提電腦的全部功能，PDA上將會集成一個投射屏幕投射器，投

射屏幕能在空氣中、不需要任何其他物品就可以形成影像。PDA可以完全實現(xiàn)

聲控功能，萬一有需要時，它還可以透過投射器顯示出來的一個全尺寸鍵盤，

你可以在這個投射鍵盤上實現(xiàn)鍵盤輸入。

量子計算機

量子計算機是根據(jù)原子或原子核所具有的量子學(xué)特性來工作，運用量子信

息學(xué)，基于量子效應(yīng)構(gòu)建的一個完全以量子位(量子比特)為基礎(chǔ)的計算機。它

利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分

子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動，從而進行運算。

量子計算機有自身獨特的優(yōu)點和廣闊的發(fā)展前景。首先，量子計算機能夠

進行量子并行計算，理論上可達每秒一萬億次，足夠讓物理學(xué)家去模擬原子爆

炸等復(fù)雜的物理過程。其次，量子計算機用量子位存儲數(shù)據(jù)。再次，量子計算

機具有與大腦類似的容錯性，當(dāng)系統(tǒng)的某部分發(fā)生故障時，輸入的原始數(shù)據(jù)會

自動繞過損壞或出錯部分，進行正常運算，并不影響最終的計算結(jié)果。量子計

算機不僅運算速度快，存儲量大、功耗低，而且高度微型化和集成化。

1982年，美國物理學(xué)家費勒曼提出了量子計算機的基本構(gòu)想。2001年底，

美國IBM公司的科學(xué)家專門設(shè)計的多個分子放在試管內(nèi)作為7個量子比特的量

子計算機，成功地進行了量子計算機的復(fù)雜運算。目前正在開發(fā)中的量子計算

機有核磁共振量子計算機、硅基半導(dǎo)體量子計算機和離子阱量子計算機。據(jù)專

家預(yù)見，再過30年左右，量子計算機將普及，量子計算設(shè)備將可以嵌入到任何

物體當(dāng)中去，雖然，目前還很難想象放在口袋中的超高速計算機是什么樣子，

還有直徑只有兒十厘米的人造衛(wèi)星。

生物計算機

生物計算機，即脫氧核糖核酸(DNA)分子計算機，主要由生物工程技術(shù)產(chǎn)生

的蛋白質(zhì)分子組成的生物芯片構(gòu)成，通過控制DNA分子間的生化反應(yīng)來完成運

算。運算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)相互作用的過程。其轉(zhuǎn)換開

關(guān)由酶來充當(dāng)，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中明顯表示出來。

上世紀(jì)70年代，人們發(fā)現(xiàn)DNA處于不同狀態(tài)時可以代表信息的有或無。DNA分

子中的遺傳密碼相當(dāng)于存儲的數(shù)據(jù)，DNA分子間通過生化反應(yīng)，從一種基因代

瑪轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N基因代碼。反應(yīng)前的基因代碼相當(dāng)于輸入數(shù)據(jù)，反應(yīng)后的基因

代碼相當(dāng)于輸出數(shù)據(jù)。只要能控制這一反應(yīng)過程，就可以制成DNA計算機。

生物計算機以蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的生物芯片作為集成電路。蛋白質(zhì)分子比電

子元件小很多，可以小到兒十億分之