【導讀】有沒有一種計算機是超常的?能夠讓人甩掉這些煩惱?普通人夢寐以求的設備會成為現(xiàn)實嗎?將來的移動設備能否超越目前最快的超級計算機?“光腦”給出了答案。接下來就從原理及實現(xiàn),來看看“光腦”的性能如何把“電腦”秒成渣?
何謂“光腦”?
所謂“光腦”,其實是對應于電腦而言,是光子計算機的簡稱。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。不同于電子計算機對電子的控制,光子計算機的運行依靠激光器、光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件和設備對光子的控制完成光運算。
用光線代替電線的光子計算機
性能:比超級計算機快一萬倍
用光子做傳遞信息的載體,可以制造出性能更優(yōu)異的“光腦”。它的性能優(yōu)越性體現(xiàn)在:
1. 并行傳輸
由于目前電子計算機的CPU(中央處理器,相當于人的大腦)采用串行的處理方式,直接導致其工作時間實際只占了總時間的三分之一,那么它的大部分時間用來做什么了呢?
傳輸數(shù)據(jù),也就是我們所說的緩存。
試想一下,本來性能就一般的家用電腦大部分時間用來休息,這不是要氣死本寶寶嗎?幸好,“光腦”是通過光子進行數(shù)據(jù)傳播。光子彼此之間沒有干擾,齊頭并進。當電子排著長隊一個一個的緩慢通過處理器到達緩存時,光子已經(jīng)肩并肩的開著光速飛機飛馳而過了。
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2. 超高速運算
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3×10^5km/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線來傳導,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。
一旦光子計算機成功問世,將會比現(xiàn)在的超級計算機快1000~10000倍。
此外,電子計算機隨著裝配密度的不斷提高,會使導體之間的電磁作用不斷增強,散發(fā)的熱量也在逐漸增加,從而制約運行速度。而光子計算機就沒有這種煩惱。
3. 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——激光器,光子的傳導是可以不需要導線的,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。
4. 能量消耗小,散發(fā)熱量低
光子計算機是一種節(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。
“光腦”的靈感竟是來自蝴蝶
正如牛頓從樹上掉下的蘋果最終悟出著名的萬有引力定律,瓦特從沸騰的水中得到靈感發(fā)明蒸汽機,科學家開發(fā)“光腦”的靈感也是來自于大自然。
科學家發(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、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)(如上圖)對光具有調(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。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。
類似于電子計算機中半導體元件可以對電子選擇性通過,光子計算機中的光子晶體也可以作為光的開關,實現(xiàn)“0和1”的邏輯運算。光子計算機中的關鍵部件激光器(如下圖)就是通過這一原理實現(xiàn)的。
光子計算機由光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件和設備組成。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圖像的二維性,因而結(jié)構(gòu)比較簡單。這種光子計算機已用于衛(wèi)星圖片處理和模式識別工作。
數(shù)字式光子計算機的結(jié)構(gòu)方案有許多種,其中被認為開發(fā)價值比較大的有兩種,一種是采用電子計算機中已經(jīng)成熟的結(jié)構(gòu),只是用光學邏輯元件取代電子邏輯元件,用光子互連代替導線互連;另外一種是全新的,以并行處理(光學神經(jīng)網(wǎng)絡)為基礎的結(jié)構(gòu)。
光子計算機已經(jīng)成功研制并且取得一系列新的進展,例如來自美國杜克大學的計算機電子工程師團隊研發(fā)出了能夠?qū)崿F(xiàn)超快速開關的LED燈管,每秒鐘能夠開關900億次的性能使得它能夠取代之前的LED技術,構(gòu)成光子計算機的硬件基礎。
雖然目前我們使用的是電子計算機,但是從發(fā)展的潛力來說,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。
結(jié)語:具有并行傳輸、超高速運算、超大規(guī)模的信息存儲容量、能量消耗小以及散發(fā)熱量低等優(yōu)點的“光腦”是未來最有潛力替代電腦的選手。相信在不久的將來,“光腦”會從軍用走向民用,成為人們?nèi)粘I畹陌閭H。