光子電腦

光子電腦

光子電腦是一種由光信號進行數位運算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型電腦。它由雷射器、光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件和設備構成,靠雷射束進入反射鏡和透鏡組成的陣列進行信息處理,以光子代替電子,光運算代替電運算。光的並行、高速,天然地決定了光子電腦的並行處理能力很強,具有超高運算速度。光子電腦還具有與人腦相似的容錯性,系統中某一元件損壞或出錯時,並不影響最終的計算結果。光子在光介質中傳輸所造成的信息畸變和失真極小,光傳輸、轉換時能量消耗和散發熱量極低,對環境條件的要求比電子電腦低得多。隨著現代光學與電腦技術、微電子技術相結合,在不久的將來,光子電腦將成為人類普遍的工具。

  • 中文名稱
    光子電腦
  • 外文名稱
    photon computer
  • 特    點
    用光做載體,計算速度極高
  • 性    質
    高速,高性能,高精度
  • 研究機構
    美國貝爾實驗室等
  • 簡    稱
    PHC

基本簡介

光子電腦光子電腦

1990年初,美國貝爾實驗室製成世界上第一台光子電腦。光子電腦是一種由光信號進行數位運算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型電腦。光子電腦的基本組成部件是集成光路,要有雷射器、透鏡和核鏡。

由于光子比電子速度快,光子電腦的運行速度可高達一萬億次。它的存貯量是現代電腦的幾萬倍,還可以對語言、圖形和手勢進行識別與合成。

目前,許多國家都投入巨資進行光子電腦的研究。隨著現代光學與電腦技術微電子技術相結合,在不久的將來,光子電腦將成為人類普遍的工具。

主要優點

(1)超高速的運算速度。光子電腦並行處理能力強,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,對于電子電腦來說,電子是信息的載體,它隻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,盡管目前的電子電腦運算速度不斷提高,但它的能力極限還是有限的;此外,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,散發的熱量也在逐漸增加,從而製約了電子電腦的運行速度;而光子電腦的運行速度要比電子電腦快得多,對使用環境條件的要求也比電子電腦低得多。

(2)超大規模的信息存儲容量。與電子電腦相比,光子電腦具有超大規模的信息存儲容量。光子電腦具有極為理想的光輻射源——雷射器,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,它們之間也不會產生絲毫的相互影響。光子電腦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有電話電纜通道的許多倍。

(3)能量消耗小,散發熱量低,是一種節能型產品。光子電腦的驅動,隻需要同類規格的電子電腦驅動能量的一小部分,這不僅降低了電能消耗,大大減少了機器散發的熱量,而且為光子電腦的微型化和便攜化研製,提供了便利的條件。科學家們正試驗將傳統的電子轉換器和光子結合起來,製造一種“雜交”的電腦,這種電腦既能更快地處理信息,又能克服巨型電子電腦運行時內部過熱的難題。

目前,光子電腦的許多關鍵技術,如光存儲技術、光互連技術、光電子積體電路等都已經獲得突破,最大幅度地提高光子電腦的運算能力是當前科研工作面臨的攻關課題。光子電腦的問世和進一步研製、完善,將為人類跨向更加美好的明天,提供無窮的力量。

​相關弊端

我們知道,任何金屬導線都存在電阻電容。從電磁學基本知識也知道,電阻和電容的結合會給在導線中傳播的電子產生“阻力”,減低它在導線中傳播的速度(傳播速度大約隻有光波在真空中傳播速度的千分之一),這個現象又稱時鍾扭曲。由于存在這樣一些問題,相應地也就出現這樣的後果:電子對迅速的外來變化反應“遲鈍”。當傳遞信息的載波頻率很高(即信號變化速率很快)時,在導線上載遞的電信號實際上跟不上要傳遞的信息信號變化。結果呢,就如同相聲演員念繞口令,念得過快,舌頭反應跟不上,念錯了或走了調那個樣子,被傳遞的信號要發生畸變,電腦的運算發生錯誤。其次,電子電腦的中央處理機雖然能夠迅速處理資料,主存貯器能夠吞吐大量的資料。但因為所有的資料信號都必須經過匯流排傳遞,而匯流排的電流密度如果太大,產生的電磁幹擾也大。因此,電子電腦也會出現類似于高速公路交匯口由于狹窄,車輛通行速率受限製的現象,電腦和運算速度也受到了限製。還有,電腦使用的集成電子器件,它們因為受量子效應幹擾,集成密度受到限製,理論上的集成密度最高為每塊晶片10億個電晶體(在實際上達到的數量比這個數還要低許多)。光電腦優勢不用電子,用光子做傳遞信息的載體,就有可能克服前面談到的那些限製,製造出性能更優異的電腦。用光子做傳遞信息的載體有以下幾方面的好處:

1、光子不帶電荷,它們之間不存在電磁場相互作用。在自由空間中幾束光平行傳播、相互交叉傳播,彼此之間不發生幹擾,千萬條光束可以同時穿越一隻光學元件而不會相互影響。一隻的光學系統,能夠提供5*10^5行傳輸信息通道;一隻質量好的透鏡能夠提供條信息通道。如果用光波導傳輸,光波導也可以相互穿越,隻要它們的交叉角大于左右就不會有明顯的交叉耦合。上述的性質又稱光信號傳輸的並行性。

2、光子沒有靜止質量,它既可以在真空中傳播,也可以在介質中傳播,傳播速度比電子在導線中的傳播速度快得多(約1000倍),也就是說,光子攜帶信息傳遞的速度比電子快電腦內的晶片之間用光子互連不受電磁幹擾影響,互連的密度可以很高。在自由空間進行互連,每平方毫米面積上的連線線數目可以達到5萬條,如果用光波導方式互連,可以有萬條。所以,用光子做信息處理載體,會製造出運算速度極高的電腦,理論上可以達到每秒1000億次,信息存儲量達到10^18位。這種電腦稱為光子電腦。

3、超高速的運算速度。光子電腦並行處理能力強,因而具有更高的運算速度。電子傳播速度是593km/s,而光子的傳播速度卻達3×10^5km/s。

研製信息

科學家研製光子電腦巴斯大學(UniversityofBath)的物理學家正在進行一個項目,想研製出一種電腦,可以用光子代替傳統的電子來運作。 這個項目由工程及物理科學研究理事會(EngineeringandPhysicalSciencesResearchCouncil)發起,總投資82萬英鎊。這項研究將推動光子物理的發展,同時也給了物理學家從原子級別觀察世界的一次機會。

在過去四十來年裏,摩爾定律一直在發揮它的威力,晶片廠商們將產品越做越小,以至于電晶體之間的相互作用會造成嚴重影響。于是工程師們開始將目光投註在光子方面,想利用光子來傳輸信息。

他們採用新型光子晶體光纖作為傳輸器材,比其傳統光線來,新材料的損耗要小得多。“如果成功,這將是近五十年來電腦技術的一次革命”項目領導者Benabid博士說。

相關展望

相信在看這篇文章的人對PC已經有一定的認識,對PC的過去我也就不多說了,摩爾定律完全掌握著我們可以遇見的未來,而摩爾定律失效將會出現在0.2nm工藝製作晶片的時候,因為那已經一個原子的直徑了。但在這之前或之後很短的時間內光子電腦將會取代電子電腦,那時光子電腦就像我們現在使用的電子電腦一樣流行,因此我對未來的PC的預測是建立在光子電腦的基礎上:PC將會分為兩個支線,一個是台式機,台式機不會被淘汰,它繼續以高性能價格比佔據著市場的大部分。現在的PDA將會是另一個分支的雛形,它甚至會將手提電腦淘汰,原因下文我說到。(下文所提到的電腦除特別指出,否則都是指光子電腦)

我先來說說未來的台式機,台式機不會因為PC的極度發展而消失,相反它比任何一種其他機型更能適應市場的發展需求,台式機將會以高性能,低價格作為發展之路,光子台式機的整個架構將會是以光信號取代現在的電信號,光信號經輸入設備觸發,經傳送到CPU處理後,再按輸出。其實原理跟現在的電子電腦一樣,隻不過所有通信都是有光信號完成。下面簡單預測每個配件。

CPU:作為光子電腦核心,它仍然會作為一個獨立產品來被開發和研究,至于它的材料應該會是一種存儲量大,當規模生產之後會變得相當便宜的物質。

主機板:或者說是光信號生成或傳送器更加貼切一些,但這個物件可能會消失。在未來主機板不再與現在的主機板同等重要,因為光信號生成可能會在電源中完成,而光信號傳送途徑可以簡單地透過CPU與其他物件的連線實現。這樣主機板就不再有存在的理由了。

硬碟與記憶體:光子電腦中硬碟會完成現在記憶體和硬碟的工作,記憶體將消失。現在電腦的原理被改變,處理器直接可以在高速硬碟中讀取、運行、處理資料。但現有的光存儲器的速度實在不可以實現,因此現在的光儲存器在將來隻會作為廉價的備份或復製轉移設備。新的儲存器將會是一種可透光的液態存儲器,資料直接紀錄在每個原子上,以高速運動的原子實現資料的高速讀取,從而取代記憶體。

顯示卡與顯示器:顯示卡將會與顯示器集成,或消失,現在的液晶顯示器是未來顯示器的雛形,未來的顯示器將會是無點距液態顯示器,同樣是像現在的顯示器一樣是超薄顯示器,顯示器面板上將會有一種受激會發光的物質,以每一原子為發光單位來顯示圖形,實現無點距顯示。

現在未來的台式光子電腦已經基本成行了,其他配件也像現在的PC一樣,按自己的需要DIY。未來PC的另一個分支就是未來的PDA,現在PDA已經是一個很好的概念了,隻是它現在實在是處于發展的起步,難成氣候。在理論上說,隻有工藝足夠高的話,所有原件都可以集成一塊晶片上,于是未來的PDA會從這點出發,也高度集成性和方便攜帶性而成為PC的另一個分支。說它是PC的一個分支,因為它首先要集成手提電腦的全部功能,它還會集成現在的數碼相機數碼攝像機、GPS等的功能,另外它還要實現即時通信功能,如同現在的手機一樣。

未來的PDA大小應該比現在的手機小一點點,你可以見到PDA很可能跟現在的手機一樣,隻有簡單的幾個按鍵和一個不太大的彩色螢幕。但不要小看它,它將可以實現手提電腦的全部功能,PDA上將會集成一個投射螢幕投射器,投射螢幕能在空氣中、不需要任何其他物品就可以形成影像。PDA可以完全實現聲控功能,萬一有需要時,它還可以透過投射器顯示出來的一個全尺寸鍵盤,你可以在這個投射鍵盤上實現鍵盤輸入。

電腦

量子電腦是根據原子或原子核所具有的量子學特徵來工作,運用量子信息學,基于量子效應構建的一個完全以量子位(量子比特)為基礎的電腦。它利用一種鏈狀分子聚合物的特徵來表示開與關的狀態,利用雷射脈沖來改變分子的狀態,使信息沿著聚合物移動,從而進行運算。

量子電腦有自身獨特的優點和廣闊的發展前景。首先,量子電腦能夠進行量子並行計算,理論上可達每秒一萬億次,足夠讓物理學家去模擬原子爆炸等復雜的物理過程。其次,量子電腦用量子位存儲資料。再次,量子電腦具有與大腦類似的容錯性,當系統的某部分發生故障時,輸入的原始資料會自動繞過損壞或出錯部分,進行正常運算,並不影響最終的計算結果。量子電腦不僅運算速度快,存儲量大、功耗低,而且高度微型化和集成化。

1982年,美國物理學家費勒曼提出了量子電腦的基本構想。2001年底,美國IBM公司的科學家專門設計的多個分子放在試管內作為7個量子比特的量子電腦,成功地進行了量子電腦的復雜運算。目前正在開發中的量子電腦有核磁共振量子電腦、矽基半導體量子電腦和離子阱量子電腦。據專家預見,再過30年左右,量子電腦將普及,量子計算設備將可以嵌入到任何物體當中去,雖然,目前還很難想象放在口袋中的超高速電腦是什麽樣子,還有直徑隻有幾十釐米的人造衛星。

生物電腦

生物電腦,即脫氧核糖核酸(DNA)分子電腦,主要由生物工程技術產生的蛋白質分子組成的生物晶片構成,通過控製DNA分子間的生化反應來完成運算。運算過程就是蛋白質分子與周圍物理化學介質相互作用的過程。其轉換開關由酶來充當,而程式則在酶合成系統本身和蛋白質的結構中明顯表示出來。上世紀70年代,人們發現DNA處于不同狀態時可以代表信息的有或無。DNA分子中的遺傳密碼相當于存儲的資料,DNA分子間通過生化反應,從一種基因代瑪轉變為另一種基因代碼。反應前的基因代碼相當于輸入資料,反應後的基因代碼相當于輸出資料。隻要能控製這一反應過程,就可以製成DNA電腦。

生物電腦以蛋白質分子構成的生物晶片作為積體電路。蛋白質分子比電子元件小很多,可以小到幾十億分之一米,而且生物晶片本身具有天然獨特的立體化結構,其密度要比平面型的矽積體電路高五個數量級。生物電腦晶片本身還具有並行處理的功能,其運算速度要比當今最新一代的電腦快10萬倍,能量消耗僅相當于普通電腦的十億分之一。生物晶片一旦出現故障,可以進行自我修復,具有自愈能力。生物電腦具有生物活性,能夠和人體的組織有機地結合起來,尤其是能夠與大腦和神經系統相連。這樣,植入人體的生物電腦就可直接接受大腦的綜合指揮,成為人腦的輔助裝置或擴充部分,並能由人體細胞吸收營養補充能量,成為幫助人類學習、思考、創造和發明的最理想的伙伴。

美國電腦科學家倫納德·艾德曼已成功研製出一台DNA電腦,他說:“DNA分子本質上就是數學式,用它來代表信息是非常方便的,試管中的DNA分子在某種酶的作用下迅速完成生物化學反應。28.3克DNA的運行速度超過了現代超級電腦的10萬倍。”DNA電腦的外形象普通小盒子。有非常薄的玻璃外殼,裏面裝著肉眼看不見的多層蛋白質,蛋白質間由復雜的晶格連結。這種精巧的蛋白質晶格裏是一些生物分子,也就是生物電腦的“積體電路”。專家普遍認為,DNA分子電腦是未來電腦的發展方向之一。

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