“光脑”来袭

《大众科学》编辑部

电脑的使用越来越普遍，人们的烦恼也越来越多：电脑处理速度越来越慢，经常卡机甚至死机；电脑散热不良，总是需要定时清理电脑的缓存垃圾……。那么，有没有一种电脑能让我们甩掉这些烦恼？对此，“光脑”给出了答案。

所谓“光脑”，其实是对应于电脑而言，是光子计算机的简称。光子计算机的基本组成部件是集成光路，它用不同波长的光代表不同的数据，以大量透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。由于光子比电子速度快，光子计算机的运行速度高达每秒1万亿次，存贮量是电子计算机的上万倍，还可对语言、图形、手势等进行识别与合成。

1986年，贝尔实验室的戴维·米勒研制出小型光开关，为同实验室的艾伦·黄研制光处理器提供了必要元件。研制光子计算机需要开发出可用一条光束控制另一条光束变化的光学“晶体管”。现有的光学“晶体管”庞大而笨拙，若用它们造成台式计算机，将有汽车那么大。因此，短期内光子计算机还无法实现商业化生产。

与普通的计算机相比，“光脑”性能更优异，运算速度更快，存储量更大，能耗更小，散发热量更少。那么，它是怎么做到的呢？

并行传输——让计算机不再“休息”。由于目前电子计算机的CPU采用串行的处理方式，直接导致其工作时间实际只占了总时间的三分之一。那么它的大部分时间用来做什么呢？用在了传输数据上，也就是我们所说的缓存。

“光脑”通过光子进行数据传播，光子彼此之间没有干扰，齐头并进。因此，当电子排着长队一个个通过处理器到达缓存时，光子已经肩并肩飞驰而过了。

超高速运算——比超级计算机快一万倍。电子的传播速度是593km/s，光子的传播速度却达300000kngs。对于电子计算机来说，电子是信息的载体，它只能通过一些相互绝缘的导线来传导。即使在最佳情况下，电子在固体中的运行速度也远低于光速。尽管目前电子计算机运算速度不断提高，但它的最高速度仍是有限的。光子计算机并行处理能力强，因而具有更高的运算速度。

海量存储——超强的信息通过能力。与电子计算机相比，光子计算机具有超大规模的信息存储容量。光子计算机具有极为理想的光辐射源——激光器。光子的传导是可以不需要导线的，而且即使在相交的情况下，它们之间也不会产生丝毫的相互影响。光子计算机无导线传递信息的平行通道。信息通过能力是现有电话电缆通道的许多倍。

更低能耗——能量消耗小，散发热量少。随着装配密度的不断提高，电子计算机导体之间的电磁作用会不断增强，散发的热量也会逐渐增加，从而制约电子计算机的运行速度。而光子计算机就没有这种问题。光子计算机是一种节能型产品，它的驱动只需要同类规格的电子计算机驱动能量的一小部分，这不仅降低了电能消耗，大大减少了机器散发的热量，还为光子计算机的微型化和便携化研制提供了便利的条件。

正如牛顿从树上掉下的苹果上最终悟出著名的万有引力定律，科学家开发“光脑”的灵感也来自大自然。科学家研发“光脑”的灵感来自蝴蝶翅膀中的光子晶体。

科学家发现，蝴蝶翅膀漂亮的颜色。既不是染料色也不是颜料色，而是一种新奇的色彩——结构色彩。这种结构色彩饱和度高、光泽绚丽，对环境友好且永不褪色。

蝴蝶翅膀中特定的周期性結构对光具有调控性能，使某一频率范围的波，不能在此周期性结构中传播而被散射回来，人们将这种具有特定周期性结构的物质称为光子晶体。

类似于电子计算机中半导体的元件可以有选择性地让电子通过，光子计算机中的光子晶体也可以作为光的开关，实现“0和1”的逻辑运算。光子计算机中的关键部件激光器就是利用这一原理工作的。

光子计算机有模拟式与数字式两类。模拟式光子计算机的特点是直接利用光学图像的二维性，因而结构比较简单。这种光子计算机已用于卫星图片处理和模式识别工作。

数字式光子计算机的结构方案有许多种，其中被认为开发价值比较大的有两种：一种是采用电子计算机中已经成熟的结构，只是用光学逻辑元件取代电子逻辑元件，用光子互连代替导线互连；另外一种是全新的，以并行处理（光学神经网络）为基础的结构。

目前，科学家已经成功研制出光子计算机，并且取得一系列新的进展。比如，来自美国杜克大学的计算机电子工程师团队研发出了能实现超快速开关的LED灯管，每秒钟能够开关900亿次的性能，使得它能够取代之前的LED技术，构成光子计算机的硬件基础。

虽然目前我们使用的是电子计算机，但是从发展的潜力来说，显然光子计算机比电子计算机功能强大得多，特别是在图像处理、目标识别和人工智能等方面。光子计算机将来发挥的作用远比电子计算机大，将成为替代后者的最有潜力的选手。

（选自《大众科学》2016年第5期，有删改）