《大眾科學(xué)》編輯部

電腦的使用越來(lái)越普遍，人們的煩惱也越來(lái)越多：電腦處理速度越來(lái)越慢，經(jīng)?？C(jī)甚至死機(jī)；電腦散熱不良，總是需要定時(shí)清理電腦的緩存垃圾……。那么，有沒(méi)有一種電腦能讓我們甩掉這些煩惱？對(duì)此，“光腦”給出了答案。

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。光子計(jì)算機(jī)的基本組成部件是集成光路，它用不同波長(zhǎng)的光代表不同的數(shù)據(jù)，以大量透鏡、棱鏡和反射鏡將數(shù)據(jù)從一個(gè)芯片傳送到另一個(gè)芯片。由于光子比電子速度快，光子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度高達(dá)每秒1萬(wàn)億次，存貯量是電子計(jì)算機(jī)的上萬(wàn)倍，還可對(duì)語(yǔ)言、圖形、手勢(shì)等進(jìn)行識(shí)別與合成。

1986年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的戴維·米勒研制出小型光開(kāi)關(guān)，為同實(shí)驗(yàn)室的艾倫·黃研制光處理器提供了必要元件。研制光子計(jì)算機(jī)需要開(kāi)發(fā)出可用一條光束控制另一條光束變化的光學(xué)“晶體管”。現(xiàn)有的光學(xué)“晶體管”龐大而笨拙，若用它們?cè)斐膳_(tái)式計(jì)算機(jī)，將有汽車(chē)那么大。因此，短期內(nèi)光子計(jì)算機(jī)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

與普通的計(jì)算機(jī)相比，“光腦”性能更優(yōu)異，運(yùn)算速度更快，存儲(chǔ)量更大，能耗更小，散發(fā)熱量更少。那么，它是怎么做到的呢？

并行傳輸——讓計(jì)算機(jī)不再“休息”。由于目前電子計(jì)算機(jī)的CPU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)做什么呢？用在了傳輸數(shù)據(jù)上，也就是我們所說(shuō)的緩存。

“光腦”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)。因此，當(dāng)電子排著長(zhǎng)隊(duì)一個(gè)個(gè)通過(guò)處理器到達(dá)緩存時(shí)，光子已經(jīng)肩并肩飛馳而過(guò)了。

超高速運(yùn)算——比超級(jí)計(jì)算機(jī)快一萬(wàn)倍。電子的傳播速度是593km/s，光子的傳播速度卻達(dá)300000kngs。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)。即使在最佳情況下，電子在固體中的運(yùn)行速度也遠(yuǎn)低于光速。盡管目前電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度不斷提高，但它的最高速度仍是有限的。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。

海量存儲(chǔ)——超強(qiáng)的信息通過(guò)能力。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。信息通過(guò)能力是現(xiàn)有電話電纜通道的許多倍。

更低能耗——能量消耗小，散發(fā)熱量少。隨著裝配密度的不斷提高，電子計(jì)算機(jī)導(dǎo)體之間的電磁作用會(huì)不斷增強(qiáng)，散發(fā)的熱量也會(huì)逐漸增加，從而制約電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。而光子計(jì)算機(jī)就沒(méi)有這種問(wèn)題。光子計(jì)算機(jī)是一種節(jié)能型產(chǎn)品，它的驅(qū)動(dòng)只需要同類規(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，還為光子計(jì)算機(jī)的微型化和便攜化研制提供了便利的條件。

正如牛頓從樹(shù)上掉下的蘋(píng)果上最終悟出著名的萬(wàn)有引力定律，科學(xué)家開(kāi)發(fā)“光腦”的靈感也來(lái)自大自然?？茖W(xué)家研發(fā)“光腦”的靈感來(lái)自蝴蝶翅膀中的光子晶體。

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，對(duì)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)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)稱為光子晶體。

類似于電子計(jì)算機(jī)中半導(dǎo)體的元件可以有選擇性地讓電子通過(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)鍵部件激光器就是利用這一原理工作的。

光子計(jì)算機(jī)有模擬式與數(shù)字式兩類。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)。

目前，科學(xué)家已經(jīng)成功研制出光子計(jì)算機(jī)，并且取得一系列新的進(jìn)展。比如，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)出了能實(shí)現(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)功能強(qiáng)大得多，特別是在圖像處理、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，將成為替代后者的最有潛力的選手。

（選自《大眾科學(xué)》2016年第5期，有刪改）