光計算機論文

1、當代的電子計算機已經(jīng)發(fā)展到了一種前所未有的高度，集成電路的制作工藝 也相當?shù)某墒炝?，可以說電子計算機的發(fā)展幾乎已經(jīng)到達了瓶頸。為了跨越這一 瓶頸，一些新的計算機正在躍躍欲試地加緊研究著，這些計算機是：超導計算機、 納米計算機、光計算機、DNA計算機和量子計算機等。下面就對光計算機做一個 簡單的闡述。光計算機,也叫光子計算機, 全光數(shù)字計算機，它以光子代替電子，光互連 代替導線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。其實早在 上個世紀40 年代，現(xiàn)代電子計算機之父 約翰馮諾依曼就就考慮過使用光學元 件實現(xiàn)數(shù)字計算的可能性，但是由于當時光學的發(fā)展技術十分落后，他最終也就 沒能往這個方

2、向做深入的研究。隨著 60 年代激光技術的問世，興起傅里葉光學 為基礎的模擬光學計算的研究。 70 年代光學傳輸和非線性光學材料取得重大進 展，同時也由于電子計算機固有的某些缺陷 隨運算速度的提高而明顯的暴露出 來，因此數(shù)字光計算重新引起科學家們的廣泛注意。 80 年代是光計算研究大發(fā) 展的年代，光計算受到了世界上個先進工業(yè)國家的高度重視。目前，美國、西歐、 日本等國家都紛紛制定了龐大的研究計劃。光計算機包括許多方面：一、數(shù)字光計算數(shù)字光計算是指以光學手段實現(xiàn)數(shù)字運算的軟件和硬件的通稱。技術路線 上以列陣光學非線性器件為基礎, 構想通用性或?qū)Ｓ眯匀鈱W計算機。1、光學雙穩(wěn)和開關器件光學雙值邏輯

3、器件是全光學計算機最基本的器件,它的原理是用光雙穩(wěn)器件 作存貯器, 用非線性閉值器件作邏輯門。在這類器件中, 由非線性吸收或折射材 料和標準具構成的雙穩(wěn)器件是純光學器件, 其它的是電光效應器件。2、光學數(shù)字處理器具有非線性光學特性的器件本身就可以構成邏輯門。但是由邏輯門構成的數(shù) 字處理器,邏輯門必須具備級聯(lián)性, 即要滿足兩個條件：邏輯門的輸入和輸出有 相同的邏輯值的光學編碼方式，并且單一門的損耗不能太大。3 、并行處理體系結構從光學角度研究體系結構 , 早期提出過基于雙軌邏輯的函數(shù)邏輯塊以及互 網(wǎng)絡。后來又提出了符號替代邏輯, 即用另外一個二維圖案替換一個像中的二維 圖案。重復使用這種技術,

4、并采用不同替換規(guī)則, 可實現(xiàn)布爾邏輯、雙值運算、 細胞邏輯?；诖?又提出了單一替代規(guī)則的通用符號替代系統(tǒng)。4、光學互連網(wǎng)絡 使用光學互連網(wǎng)絡可以方便地構成處理器之間、存貯器之間以及處理器和 存貯器之間的通訊。近年來光學互連網(wǎng)絡發(fā)展很快 , 已有的縱模制網(wǎng)絡、 trbbadboy 網(wǎng)絡、 Banyan 網(wǎng)絡、 Benes 網(wǎng)絡和洗牌網(wǎng)絡等都已在光學上實現(xiàn),其 中已采用的光學元件有分束器、光柵和反射鏡等。上述網(wǎng)絡都是多級規(guī)則網(wǎng)絡, 光學實施方案屬于空變操作。 從光學計算需要考慮,還要發(fā)展一種新的 Crossover 網(wǎng)絡, 即拓樸上等效于完善洗牌網(wǎng)絡。5、數(shù)字光計算的支撐硬件為實現(xiàn)全光學計算,

5、除了光邏輯門和光互連器外, 還需要支撐硬件和組裝 方式。列陣照明器是關鍵性支撐硬件, 因為列陣邏輯門要求列照明作為時鐘信號 或維持編置光束。傳統(tǒng)光學方法是采用雙值光學相位衍射光柵, 需要用到饋模激 光器實現(xiàn)高速運轉(zhuǎn), 另一種方案是微米級半導體激光列陣。組裝方式包括基本運 算單元的模塊化和微包裝化。6 、圖案變換并行光邏輯并行邏輯的光學實現(xiàn)集中在兩種方法: 即物理機制和圖案變換。其中圖案變 化的方法不需要光學非線性器件 , 但空間編碼的實現(xiàn)一直是要解決的問題。圖 案變換原理有兩種：Thera調(diào)制空間濾波和陰影投影。二、光計算機的特點 光計算，意味著如果將今天硅芯片的處理能力與無與倫比的光速融合在

6、一 起，我們得到的將是一種令人震驚的組合，它使電路設計者看到了明天的希望。 當我們試圖從銀色的芯片中 榨取 更多的東西時，芯片的制造成本也變得更加 昂貴，建立一家現(xiàn)代化芯片制造廠的費用竟高達幾十億美元。正像任何事物發(fā) 展 到某個階段必須具有革命性的改變才能繼續(xù)前進一樣，芯片也是如此，靠一 點 一點挖掘芯片技術潛力的方式將再也不能滿足人們的需求。所幸現(xiàn)在已有很 多 新技術供大家選擇，其中最有發(fā)展前途的一種就是利用光。 與傳統(tǒng)的電子計算 機相比，光計算機的 無導線計算機 信息傳遞平行通道 密度極大。一枚直徑 5 分硬幣大小的棱鏡，它的通過能力超過全世界現(xiàn)有電話電 纜的許多倍。光的 并行、高速，天然

7、地決定了光計算機的并行處理能力很強， 具有超高速運算速 度。超高速電子計算機只能在低溫超導的條件下才能夠工作， 而光計算機在室 溫下即可開展工作。光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果。 讓芯片中充滿光。按照諾貝爾獎獲得 者理查德? 費曼的說法，光是世界上純 之又純的物質(zhì)。但是，為什么要利用光 進行計算呢？這當然有一些更實際的理 由。其中之一是，光線的傳播速度，或 者更確切地說，連續(xù)不斷的光子的傳播 速度比其他任何物質(zhì)都快。與光子比起 來，形成電流的電子的運動慢得就像蝸 牛爬。更重要的是，光子之間不像電子 那樣相互作用。幾條獨立的光束相互之 間

8、可以直接穿過，因此，可以在同一條 狹窄的通道中傳輸數(shù)量大得難以置信的 數(shù)據(jù)。如圖 1 ，圖中上部分的是電子線 路連接時的情況，下部分的是光子線路連 接時的情況。電子線路不與許交叉， 必須繞過，而光線則運行交叉通過。 綜上所述，我們不難總結出光計算機的幾 個特點：尺寸小、集成密度高、運行速度快、發(fā)熱少、強大的并行處理能力、用 于人工智能、其他。三、光計算機發(fā)展現(xiàn)狀 光計算機的發(fā)展取決與光計算技術的發(fā)展，從上個世紀 8 0 年代開始，光 計算 便受到了世界上個先進工業(yè)國家的高度重視，然而時至今日，光計算機還 處于研究實驗階 段，目前已經(jīng)研究成功的光計算機普遍是光與電子結合的混合 型的計算機。目前最

9、成功的光學數(shù)字處理器是由Be l l實驗室演示的，由4 x 8單元的反射 型S- SEED列陣組成NOR邏輯門模塊。所有光學元件是為了滿足 兩束光的垂直入射 讀寫和反射輸出的空間互連而設置的。整個模塊以流水線型 體系串聯(lián)， 運算次 數(shù) 10 的六次方每秒， 尺寸一米見方。采用平面光學技術可 將尺寸縮小到2 x 3英 寸。比較成功地應用非線性光學器件的處理器還有：使 用BEAT器件的細胞邏輯 處理器和使用VST EP器件的雙軌邏輯平行處理器。慕 尼黑大學納米科學中心的威克斯福斯已經(jīng)制作了一個觸發(fā)器的光模擬系 統(tǒng)。我 們都知道計算機利用0 和1 進行計算，這種非此即彼的邏輯是通過一 種 名為觸發(fā)器

10、的固態(tài)設備實現(xiàn)的。觸發(fā)器狀態(tài)可以為 0 或 1 這兩種狀態(tài)中 的 一種。更重要的是，觸發(fā)器狀態(tài)必須保持足夠長的時間，以便在下一個時鐘 周 期對其進行存取。在目前計算機以千兆赫茲速度運行的情況下，這就意味著 觸 發(fā)器狀態(tài)需要幾微秒的穩(wěn)定性。只要幾微秒！你可能覺得太簡單了。然而， 事 實并不那么簡單。在合適條件下當一種材料上出現(xiàn)一個光子時，這個光子會 從 原子上趕走一個電子。這時的原子為帶正電的原子，而這時你得到的是一種 電荷分離 的條件。其實這時你已經(jīng)創(chuàng)造了一種 狀態(tài) 。可是這種狀態(tài)穩(wěn)定嗎？ 當然不穩(wěn)定。僅僅在千萬億分之一秒后，負電子就會與帶正電的原子重新結合。 這段時間太短了，根本沒有什么用。

11、威克斯福斯和他的小組所做的工作就是在 trbbadboy 這個材料表面加電，最后形成一種波形化電場。這種電場使電子可以 隨波而動 ，使電子在電場消失前人為地與原子分離。該小組已經(jīng)取得了 35 秒的分離時間， 足夠為目前的計算機所使用了。威克斯福斯既感到高興又非常 謹慎，他說： 我們?nèi)蕴幵趧倓偲鸩降碾A段。與今天的計算機相比，我們目前的 情況就像剛剛 發(fā)明了電容器。 澳大利亞國立大學的物理學家杰文? 朗戴爾及 其同事利用新型光陷阱，首次 成功地將一個光脈沖凍住 了足足1秒鐘的時 間，這是以前最好成績的1 0 0 0倍。將凍住光束的時間大大延長，意味著 可能據(jù)此找到實用方法，來制造 光計算機或量子計

12、算機用的存儲設備。 目前世 界上第一臺光計算機，已有歐共體的英國、比利時、德國、意大利和法國的 70 多名科學家和工程師合作研制成功。這首一臺全光數(shù)學計算機，而 且器運算速 度比普通的電子計算機快 1 0 0 0 倍。四、光計算機發(fā)展展望 與電子計算機相比，光計算機有著十分明顯的優(yōu)勢，但人類對光學世界的了 解遠遠不及對電子世界的了解，雖然各發(fā)達國家都加大了對光計算機的研究，由 于光計算研究的難度太大導致光計算機一直都只是躺在實驗室中。然而光計算 機 的前景是顯而易見的，尤其是在取代大型機和在科研機構使用中有著光明的 未 來。 對于是否會取代我們現(xiàn)在所熟悉的個人電腦，我覺得這是個沒必要去深 究的 問題，至少現(xiàn)在的電子計算機的處理速度還能滿足我們使用了，至少現(xiàn)在 光計算 機還沒法走向我們的桌面。然而當技術足夠成熟了，當我們對計算機有 了更為苛 刻的要求的時候，便自然會有新的產(chǎn)品走向我們的桌面了，至于這產(chǎn) 品是不是光 計算機，我想只有時間才能夠去驗證了。 伴隨這上個世紀激光技術 的問世，這個世界被激光深深的變革