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光計算機離我們究竟有多遠?

作者: 時間:2016-03-01 來源:雷鋒網(wǎng) 收藏
編者按:光計算機與電子計算機相比,有許多天然的優(yōu)勢。那么光計算機離我們還有多遠?本文講述了光計算研究中的一個實例,千里之行,始于足下,希望大家不盲目樂觀,同時保持期待。

  是什么?,俗稱光腦。上世紀,早在電子計算機剛剛興起之時,科學家們便提出了光子計算機的概念。這是因為利用光進行計算,比用電子計算有著許多無可比擬的優(yōu)點。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201603/287650.htm

  例如大家所熟悉的,光計算是具有并行性,即可以多路同時計算,結(jié)果互不干擾。這使得光路可以在空間中交叉卻互不影響。在這一點上,電路難以做到。此外還有功耗低、信道密度高、容錯性好之類的優(yōu)點。一時間,“光腦”的呼聲甚囂塵上。

  另外,光在模擬計算領(lǐng)域,還有著第一無二的優(yōu)勢。

  通常我們所理解的計算機是指數(shù)字計算機,即利用邏輯門和0101的信息來進行計算的。但實際上除了數(shù)字計算機,還有一類不依賴邏輯門的計算機,叫做模擬計算機。電子式的模擬計算機直接利用電壓和電流進行計算,目的是得到一個可供測試或?qū)嶒灥臄?shù)值解,而不是解析解或準確解。此類計算機大家很陌生,是因為往往利用于工業(yè)、實驗和科研領(lǐng)域,普通商用和家用計算機一般都是數(shù)字計算機。

  在模擬運算領(lǐng)域,光有著獨特的“上帝算法”。

  例如,在許多領(lǐng)域需要運用傅里葉變換相關(guān)的計算,如卷積。數(shù)字計算機來計算傅里葉變換是非常消耗計算量的,這使得一些需要運用傅里葉變換作為基礎(chǔ)運算的算法往往很耗時,如圖像處理領(lǐng)域。而光通過透鏡的過程,本身就是一次傅里葉變換的過程,這個過程幾乎完全不需要時間。


光計算機離我們究竟有多遠?


  早在上世紀,以光模擬計算為基礎(chǔ)的計算機就已被發(fā)明出來,并在圖像識別、圖像處理等領(lǐng)域使用,甚至據(jù)說美國以前提出的星球大戰(zhàn)計劃,就打算發(fā)展這種計算機來識別高速飛行的導彈圖像。

  但這種計算機的應(yīng)用面相對較窄,大眾更需要的是集成化的、能夠處理各種運算的數(shù)字式計算機。在這方面,光子計算機有著巨大的障礙。

  在空間中利用光實現(xiàn)邏輯門并非不可能,將透鏡、反射鏡、棱鏡、濾波器、光開關(guān)等器件加以設(shè)計組合,的確可以實現(xiàn)一些數(shù)字式計算的功能。事實上,早在上個世紀,這樣的就已問世。但光學元器件的體積往往較大,光路縮小尚且困難,更別提要集成到芯片級別。這使得光計算機大規(guī)模替代電子計算機成為一紙空談。

  這些暫時無法解決的障礙讓大家冷靜下來。因此科學家逐漸將精力轉(zhuǎn)向挖掘電子計算機潛力或研究量子計算機等方面,全光計算機研究的熱度稍減。也有科學家提出,其實不必拘泥于芯片級別的全光計算機,可以在仍然使用半導體芯片的基礎(chǔ)上,將外圍電子設(shè)備逐步更換為光子設(shè)備,大力發(fā)展光互連技術(shù),直至實現(xiàn)芯片內(nèi)的光互連,即制成全光芯片。

  隨著加工技術(shù)的發(fā)展和材料學的進步,近十年來,光子計算機的熱度又有了明顯提高。尤其是微納加工技術(shù)的進步,使得橫亙在光子計算機面前的一些阻礙得到了解決。

  因此接下來給大家介紹光計算機研究中的一個實例,一種全新的、利用光學干涉原理制成的邏輯門。

  光計算機中的全新的邏輯門

  通常意義上大家熟悉的光的干涉是指三維空間中光的干涉作用。利用空間光干涉制成的邏輯門也有,但受限于龐大的體積,不可能做到芯片級集成。因此更有前景的方式是表面波干涉。

  所謂的“表面波”,可以理解為一種只在二維平面內(nèi)傳輸?shù)奶厥夤鈭觥?/p>

  為了便于理解接下去要講的內(nèi)容,讓我們首先想象這樣一個場景。

  有一天風和日麗,陽光明媚。蝸牛老師帶著四胞胎蝸牛來到了操場上,玩一個游戲。


光計算機離我們究竟有多遠?


  如上圖所示,他讓四只蝸牛在操場左側(cè)依次排開,在操場右側(cè)分別插了一支綠旗一支紅旗。游戲的規(guī)則是這樣的,在吹哨之后,四只蝸牛同時開始運動,A和B朝綠旗爬,C和D朝紅旗爬,路線隨意。

  但是有一個奇葩的規(guī)定就是,每爬一步,蝸牛們就要記個數(shù),并且是按照“0,1,0,-1,0,1,0,-1”這樣的循環(huán)來計數(shù)。在他們到達目的地后,分別報出自己目前的數(shù)字,A與B的數(shù)字相加,C與D的數(shù)字相加,然后取絕對值,看哪一組的數(shù)字大。

  很容易可以看出,在可能出現(xiàn)的結(jié)果中,最大的數(shù)字是2,最小的數(shù)字是0。由于是四胞胎,因此假設(shè)這四只蝸牛每一步都是一模一樣長的。因此最終的結(jié)果只與他們走過的相對路程有關(guān)。要想獲勝,只要規(guī)劃一下自己走過的路線即可。


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