浅谈光子计算机

【摘 要】以计算机为代表的信息产业突飞猛进，发展速度惊人，目前已广泛应用在人类社会的各行各业。本文浅谈当前电子计算机的运算速度受到了多种因素的制约，介绍了光子计算机的概述，研究状况，光子计算机的光器件与光路，光子计算机的特点。

【关键词】光子学；光子计算机；光子元件；集成光路

Talking about the photonic computer

YANG Yan-ni LIU Peng LI Chuan-jiang

（Xinjiang Institute of Engineering， Urumqi Xinjiang 830091， China）

【Abstract】The speed of the computer industry for more than expected rapid development， at present has been used in all stages of human society. This article discuss the computer operation speed is restricted by various factors， this paper introduces the overview of the photonic computer， research situation and the light of the photonic computer devices and optical path， the characteristics of the photonic computer.

【Key words】Photonic； Photonic computer； Photonic components； Integrated optic

0 引言

目前，世界上技术先进的国家正在大力开发第五代计算机，其中一个重要的动向是加紧研制光子计算机。科学家认为，第五代计算机要求具有高得多的运算速度和更加丰富的逻辑处理系统，而光子计算机可以较好地满足这些要求[1-2]。

20世纪40年代，美国宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）第一台电子计算机产生以后，此后几十年间，计算机制造工艺在不断的变革中高速发展。计算机系统的历史主要有以下发展阶段电子管时期、晶体管时期、集成电路时期和超大规模集成电路时期。

1 电子计算机受到的制约

随着信息技术的不断发展，计算机已经在人类社会的各行各业不断应用着，在计算机技术的不断前进的进程中，计算机产业的发展速度超出了人们预料。在人类社会各行各业的不断应用中，对计算机性能提出了越来越高的要求，例如复杂系统模拟、海量数据挖掘、人工智能、精确制导系统等，其对运算速度的要求达到1012次以上，对数据量的要求非常大[3-4]。电子计算机的以下这些特点，限制了电子计算机的运算速度：

（1）冯・诺依曼（John von Neumann）的串行“瓶颈”问题，造成数据输入与处理需要耗费大量的时间，使电子计算机的计算处理速度不能进一步提升，就像一个小口瓶里面的水，只能从瓶口慢慢地流出。

（2）带宽有限问题，对信息传输系统来说载波频率和信号频率带宽之比为100：1，微波频段内，电信号的频率范围在103兆赫兹-104兆赫兹，因而，传输信息时它的频率带宽是10兆赫兹-102兆赫兹。为了改善电子计算机的处理速度，我们让信号脉冲的间隔尽可能小，需要把每个脉冲脉宽变窄，才不致于使信号相互重合而分不开。由于脉宽越窄，频率带宽会变宽，电子计算机的频带宽度不是无限的，要求信号的脉宽不能过窄，同时在传输过程中脉冲将会展宽，使得电子计算机的运算速度提高是困难的。

（3）时钟歪斜问题，这是由于超大规模集成电路的元器件数量大，各部件同步时钟到各元件的距离差异比较大，到达的信号需要等候未到达的信号，联接距离一大，时间就变得很长。

（4）电阻电容电路问题，由于电阻电容电路的响应时间τ-RC，通常为10-9秒，这就阻碍了我们的核心元件―双稳态触发器的转换速度，使传输速度和处理速度不能提高。

由于电子计算机以上这些阻碍运算速度的缺点，这些年，研究新的结构的计算机――光子计算机的专家不断涌现。

2 光子计算机

2.1 光子计算机概述

光子计算机是靠光而不是靠电来运行的，而光子运动的速度要比电子快得多。光子计算机速度非常快，要比已制造的高速电子计算机（每秒13亿次）快上千倍。从理论上说，电子运动的速度可以接近光子，即每秒30万公里，但在硅芯片上电子的实际速度还不到光速的1%。光子计算机是一种通过光信号来进行信息存储、处理、运算、操作的新型计算机。1969年，研究光子计算机这一伟大征程由美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的研究者拉开了序幕，第一台光子计算机在1984年6月制造出来，这是由国际商用机器公司研发的，是一台能够正常工作的光子计算机，只是它必须工作在接近绝对零度的环境下。贝尔实验室在1990年制造了一台光子计算机，它由棱镜、透镜和激光器等元器件完成，贝尔实验室走出了光子计算机的关键步伐。由欧盟的几个高校合作，已开发完成的光子计算机，处理速度是电子计算机的1000倍。光子计算机主要有三大类：光模拟信号计算机（也叫光模拟机）、全光数字信号计算机（也叫光数字机）、光智能形式计算机，光子计算机起始于模拟机，模拟机具有并行快速计算和大信息容量的特点，在光学信息领域（如光编码测距）获得应用[6]。1990年至今，我们设计的全光子计算机，结构基本都是按照电子的传统的计算机来设计的，它用光控制器、光存储器和光运算器组合而成，相互之间和各自内部以光互连这种方式来通信。现在全光数字计算机处在研究过程中，要用到的相关技术难题已经有了答案，主要问题是如何开发更高利用率的光学元器件。光神经网络计算机处理研究中，它具有人工智能的系列优点，带给研究人员极大兴趣，光神经网络计算机的研究同时取得了非常好的进展[7]。但是理论模型还需要进一步细化，要研制出利用率更高的空间调制器和性能更好的光开关列阵，其实真正实用的光子计算机还有很多路要走。当前全光数字计算机与光电混合计算机正在不断发展，数字光计算的研究将成为所需要的光电器件的重要支撑。

2.2 光子计算机的研究状况

光学器件是通过光子的运动进行工作的器件，通过调整光的参数，比如，相位、偏振、振幅、强度或波长，来制造出光子晶体管、光逻辑元件、光子存储器件、光子探测器件、光空间调制器件等功能元器件，如光存储器件―光学双稳器件发展也很迅速，有一种半导体量子阱制成的双稳器件，这是很有可能成为光逻辑和光存储器件的，已经制造了光逻辑运算和存储阵列，它在将有望实现光高速运算。1970年以后，使用非线性阔值特性器件来作逻辑门，使用光双稳器件作存储器，美国南加州大学（University of Southern California）研制的液晶光阀构建了具有组合逻辑结构功能的系统，能够实现各种逻辑运算。通过多国的研究者们的努力，一种能够将光放大和具有光开关功能的光晶体管，先后在赫罗特-瓦特大学（Heriot-Watt University）、京都大学（Kyoto University）还有贝尔实验室制造出来。

2.3 光子计算机中的光器件与光路

电子是电子计算机中信息的传输的媒介，计算机的部件相互通信利用内部或外部连线作为信号传输媒介，快信息流在传输时就会产生瓶颈阻塞效应。改用光子来传输信息，就不用考虑瓶颈阻塞效应。光子计算机有可能改变目前电子计算机的两进位制的计算和处理方式，创造出更加丰富的逻辑系统。在光子计算机中，通过光子元件的激光亮度不断增加而又有间隔，形成光脉冲串，在此基础上可以创造出更加丰富的逻辑处理系统。科学家预言，将从光学中产生全能的计算方式，光子互连具有高速度、大的时间带宽和空间带宽等众多优势，光路能够相互交叉通过但互相不受干扰，光互连的方式有自由空间的光互连、光纤和波导互连。根据集成电路的思想，科学家设想将多种光电元器件集中做到在一块芯片上，制造集成光路[7]。随着集成光路的发展，从1970年开始，在光学范畴产生了一个叫做集成光学的新兴学科[8]。这几年通过光通信、光交换、光信息处理技术的发展，已经成功开发了各种各样的光子集成器件。实现了把光存储器、光开关、光源、光波导制做在一块芯片上的整体系统。研究者把偏振器、滤光片、光放大器、光调制器、透镜、棱镜、光栅、光衰减器等这些光学元件组成薄膜造在一块母板上，大大缩小了光路所占据的空间，制成了微集成光路，用来进行光信号高速传输与处理，实现了低功耗、高性能、便捷化、高效率[9]。

2.4 光子计算机的特点

把光子作为媒介的光子计算机有这些优势[12]：

（1）非常快的运算处理速度，因为光子的速度是3×108米/秒，电子的速度远远低于光子速度，光子计算机的运算处理速度将会比电子计算机快1000倍。

（2）光子器件具有非常宽的时间域带，光波频率大约是电信号频率的104-105倍，以光波为载波，信号带宽就会展宽，可以达到106兆赫兹-107兆赫兹，将拥有非常多的通道数量，而且光脉冲极窄，这样就通过增大数据传输率实现了大量的高速传输。

（3）光子计算机在空间上的域带宽是非常宽的，信息传输与处理能力非常强；一个光波导中并行传输许多波长各异或偏振态有差的光波，彼此可以不受干扰，功能不同的元器件能够在一个光波导中完成，同时传输多种信息。

（4）光子计算机的抗干扰效果非常好，因为光路可以交叉互连。

（5）直接使用光信号进行运算处理，避免了电子计算机将光信号转换成电信号处理然后转换为光信号可能的错误，能够智能识别文字、图像、手势和声音。

（6）信息容量大，没有时钟歪斜现象，处理精度高，由于光子速度是3×108米/秒，多种互连长度带来的延时差极小，不会引起时钟歪斜。

（7）具有较强的容错性，光子计算机中单个元件失零，不会影响最后的运算处理。

（8）能够采用不同进制，运算速度成倍提高。利用光学双稳态元件进行二进制的光计算，利用多稳态光学元件可以进行四进制计算和三进制计算。

3 光子计算机的未来

毫无疑问，光子计算机一旦研制成功，将对当前的新技术革命产生不可低估的影响[13]。美国科学家认为光子计算机是未来的总趋势，他们预言五年之内就可以制造出光子计算机。光子计算机的很多工作现在还处于实验室之中，但是我们相信通过研究者们的不断进取，这个伟大梦想必然能够实现[14-15]。伴随着电子计算机的瓶颈，光子时代即将到来，科学家已经断言了的。由于光学相关理论的研究和光子元器件制造等重点技术的进展，光子计算机一定会走向世界的舞台，就像美国著名的科学家比尔・沃尔什（Walsh Bill）所说：“光子计算机必将逐步替代电子计算机。”

【参考文献】

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[11]吴楠，宋方敏，李向东.通用量子计算机：理论、组成与实现[J].计算机学报，2015（16）.

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[13]赵耀龙，赵文娟.计算机技术发展现状及未来趋势探析[J].西部资源，2014（10）.

[14]赵超骅.计算机技术的创新过程探讨[J].信息系统工程，2014（11）.

[15]郑宏莉.探究计算机科学与技术的发展趋势[J].黑龙江科技信息，2014（12）.