謝禹莊

光子計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

謝禹莊

（西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031）

光子計(jì)算機(jī)以光束代替電子進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)，運(yùn)算速度快，應(yīng)用廣泛。20世紀(jì)中期，科學(xué)家們開(kāi)始研究光子計(jì)算機(jī)。光子計(jì)算機(jī)具有信號(hào)傳輸通暢、互連密度高、運(yùn)算速度快、信息容量大、處理精度高、能量消耗小等特點(diǎn)。因一些關(guān)鍵技術(shù)和成本問(wèn)題，光子計(jì)算機(jī)目前尚未實(shí)現(xiàn)微型化、集成化。目前，相關(guān)技術(shù)和新材料研究取得突破，未來(lái)光子計(jì)算機(jī)發(fā)展具有可期待的發(fā)展前景。

光子計(jì)算機(jī)；研究狀況；制約瓶頸；發(fā)展前景

1 引言

光子計(jì)算機(jī)為一種依靠光而非靠電進(jìn)行信息存儲(chǔ)、處理、運(yùn)算、操作的新型的計(jì)算機(jī)，它以光子代替電子，以光運(yùn)算代替電運(yùn)算。光子運(yùn)動(dòng)速度比電子快得多，因而光子計(jì)算機(jī)速度非?？?，比現(xiàn)有高速電子計(jì)算機(jī)快上千倍[1]。

光子計(jì)算機(jī)在電話傳輸、預(yù)測(cè)天氣和氣候等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，為搶占光子計(jì)算機(jī)研究和應(yīng)用先機(jī)，當(dāng)前全球各國(guó)都不惜投入巨資研制。

2 光子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行原理及基本構(gòu)成

光學(xué)計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)傳遞信息的載體有顯著不同，它利用激光傳送信號(hào)，以光互連代替導(dǎo)線互連，以光硬件代替電子硬件，以光運(yùn)算代替電運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)。

構(gòu)成光子計(jì)算機(jī)的光學(xué)器件和設(shè)備包括激光器、光學(xué)反射鏡、透鏡、濾波器等。光子晶體管、光邏輯元件、光子存儲(chǔ)器件、光子探測(cè)器件、光空間調(diào)制器件等功能元器件通過(guò)調(diào)整相位、偏振、振幅、強(qiáng)度或波長(zhǎng)等參數(shù)形成。將多種光電元器件集中在一塊芯片上，形成光子集成器件，進(jìn)行光信號(hào)高速傳輸與處理[2]。

光子計(jì)算機(jī)包括光模擬信號(hào)計(jì)算機(jī)、全光數(shù)字信號(hào)計(jì)算機(jī)、光智能計(jì)算機(jī)三類[3]。光模擬信號(hào)計(jì)算機(jī)直接利用光學(xué)圖像的二維性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但為并行快速計(jì)算，且信息容量大，廣泛用于衛(wèi)星圖片處理和模式識(shí)別等。全光數(shù)字信號(hào)計(jì)算機(jī)采用電子計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，但用光學(xué)邏輯元件（光控制器、光存儲(chǔ)器和光運(yùn)算器等）取代電子邏輯元件，用光子互連代替導(dǎo)線互連。光智能計(jì)算機(jī)以并行處理（光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）為基礎(chǔ)，是基于人工智能的最新技術(shù)。

3 光子計(jì)算機(jī)的研究狀況及成果

1969年，美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員開(kāi)啟光子計(jì)算機(jī)研究。1982年，英、法、德、意大利、比利時(shí)等國(guó)8所高校啟動(dòng)合作研究，并于90年代中期研制出第一臺(tái)光子計(jì)算機(jī)。1984-06，IBM研發(fā)第一臺(tái)能夠正常工作的光子計(jì)算機(jī)，但只能在接近絕對(duì)零度的環(huán)境下工作。1990年，貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制一臺(tái)由棱鏡、透鏡和激光器等元器件構(gòu)成的光電混合型計(jì)算機(jī)。2006年，哈佛大學(xué)的研究者通過(guò)“冷凍”超低溫原子控制光線，形成光學(xué)電腦中央處理器（CPU）。 2008年，英特爾公司研究者使用基于硅的雪崩光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)創(chuàng)世界紀(jì)錄的高性能，奠定了降低光學(xué)鏈路成本的基礎(chǔ)。2012年，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研究者用硫化鎘納米線研制出全光光子開(kāi)關(guān)。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)（UC）圣地亞哥分校研究者研制出能使光停住并長(zhǎng)時(shí)間保留在光腔中的超材料設(shè)備[4]。2015年，美國(guó)杜克大學(xué)研究者研發(fā)出每秒鐘能夠開(kāi)關(guān)900億次的 LED燈管，奠定了光子計(jì)算機(jī)的硬件基礎(chǔ)[5]。2015年，麻省理工學(xué)院的研究者研制出一種可以與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)結(jié)合進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的新型光學(xué)計(jì)算芯片。2017年，美國(guó)普林斯頓大學(xué)研究者研制出首枚可實(shí)現(xiàn)超快速度計(jì)算的光子神經(jīng)形態(tài)芯片，利用光子解決了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路速度受限的難題。

中國(guó)一些高校和科研機(jī)構(gòu)也積極開(kāi)展光子計(jì)算機(jī)研究。2000年，上海大學(xué)金翊教授研究提出三值光學(xué)計(jì)算機(jī)（Ternary Optical Computer，簡(jiǎn)稱 TOC）[6]。2017年，金翊教授研究團(tuán)隊(duì)完成三值光學(xué)計(jì)算機(jī)原型機(jī)并行運(yùn)算測(cè)試。

4 光子計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)

與電子計(jì)算機(jī)相比，光子計(jì)算機(jī)具有很多優(yōu)勢(shì)和鮮明的特點(diǎn)[7]，主要包括以下特點(diǎn)。

4.1 信號(hào)傳輸通暢

光子不帶電荷，不存在電磁場(chǎng)相互作用。光信號(hào)傳輸具有并行性，在自由空間中平行或相互交叉?zhèn)鞑ィ舜瞬话l(fā)生干擾。光波頻率約是電信號(hào)頻率的104～105倍，以光波為載波，信號(hào)帶寬可達(dá)106～107 MHz，將擁有非常多的通道數(shù)量。

4.2 互連密度高

光子無(wú)靜止質(zhì)量，可以在真空、介質(zhì)中傳播，可以交叉互連，抗干擾效果特別好。光子計(jì)算機(jī)芯片通過(guò)光互連，不受電磁干擾，互連密度很高。

4.3 運(yùn)算速度快

光子的速度為3×108m/s，光子計(jì)算機(jī)比電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理速度快1 000倍。光子計(jì)算機(jī)器件可進(jìn)行四進(jìn)制計(jì)算和三進(jìn)制計(jì)算，因而運(yùn)算速度成倍提高。

4.4 信息容量大

光子計(jì)算機(jī)的光輻射源為激光器，光子的傳導(dǎo)不需要導(dǎo)線，信息通過(guò)能力超過(guò)現(xiàn)有電話電纜通道的許多倍[8]。

4.5 處理精度高

因?yàn)楣庾铀俣瓤欤ミB長(zhǎng)度延時(shí)差小，處理精度非常高。使用光信號(hào)運(yùn)算處理，避免了光信號(hào)、電信號(hào)相互轉(zhuǎn)化及處理可能的錯(cuò)誤，能夠智能識(shí)別文字、圖像、手勢(shì)以及聲音。光子計(jì)算機(jī)中單個(gè)元件失零，不會(huì)影響運(yùn)算處理，容錯(cuò)率 很高[9]。

4.6 能量消耗小

驅(qū)動(dòng)光子計(jì)算機(jī)所需能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同類規(guī)格電子計(jì)算機(jī)，這也有效降低了電能消耗，減少了計(jì)算機(jī)運(yùn)行散發(fā)的熱量，也為光子計(jì)算機(jī)微型化、便攜化提供了基礎(chǔ)。

5 光子計(jì)算機(jī)的發(fā)展瓶頸及突破方向

光子計(jì)算是計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域的“明日之星”，但三方面因素制約和影響其規(guī)模發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

5.1 技術(shù)問(wèn)題

光學(xué)器件體積一般比較大，要將光路縮小比較困難，要集成到芯片級(jí)別更加困難。因而，光學(xué)器件的微型化、集成化影響和制約了光子計(jì)算機(jī)研發(fā)及應(yīng)用。早期的研究中，如何實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與光信號(hào)互相轉(zhuǎn)變、如何實(shí)現(xiàn)光信號(hào)在不同端點(diǎn)處的定向傳送、如何實(shí)現(xiàn)光信息長(zhǎng)期存儲(chǔ)等瓶頸問(wèn)題，一度讓研究降溫。

5.2 材料問(wèn)題

光子器件的選材是制造業(yè)中非常重要的環(huán)節(jié)。從功能角度考慮，需要選擇對(duì)光非線性材料特性系數(shù)大、光損閡值高、開(kāi)關(guān)能量耗損小、開(kāi)關(guān)時(shí)間短和沒(méi)有色散的材料。從加工角度考慮，需要選擇機(jī)械強(qiáng)度高、工作溫度范圍寬、不易氧化或者腐蝕、不易變形和易于加工，且能成為薄膜狀的材料。目前還沒(méi)有無(wú)可應(yīng)用的、成本低廉的、可重復(fù)讀寫(xiě)的材料。

5.3 成本問(wèn)題

光電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)作用與芯片級(jí)平臺(tái)，不僅只要技術(shù)，還要實(shí)現(xiàn)低成本，才可能把技術(shù)規(guī)?；Ｄ壳按蠖喙庾悠骷疾捎蒙榛壓土谆熤惖奶厥獍雽?dǎo)體制造，成本比較高，處理與封裝十分復(fù)雜，很難用于單臺(tái)計(jì)算機(jī)甚至區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。用于光存儲(chǔ)的記錄材料成本也非常高。

隨著光電技術(shù)的發(fā)展和材料科學(xué)的進(jìn)步，近年光子計(jì)算機(jī)研究逐漸升溫。尤其是微納加工技術(shù)的進(jìn)步，使得一些瓶頸問(wèn)題可能得以解決。在技術(shù)層面，當(dāng)前按照兩方面思路研究：①借鑒傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)思路。光子計(jì)算機(jī)主流研究思路是借鑒電子計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，以光學(xué)器件代替電子器件構(gòu)建計(jì)算機(jī)。這利用了光的并行性、超高速、低功耗等特點(diǎn)，有賴于光子集成技術(shù)，包括單片集成和混合集成技術(shù)等。②借鑒光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)思路。人工智能核心就是機(jī)器學(xué)習(xí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的算法之一。隨著集成光子技術(shù)日益成熟，光運(yùn)算與光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的研究取得較快進(jìn)展，并已經(jīng)在語(yǔ)音識(shí)別等方面取得突破。因而，借鑒人工智能中的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以全新的并行處理為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)建光子計(jì)算機(jī)成為重點(diǎn)研究方向。

6 光子計(jì)算機(jī)未來(lái)發(fā)展展望

光子計(jì)算機(jī)的一些關(guān)鍵技術(shù)仍然在不斷研究中。因其運(yùn)行速度快、儲(chǔ)存信息量大、容錯(cuò)性強(qiáng)，一旦研制成功，將極大影響當(dāng)前的新技術(shù)革命。

根據(jù)當(dāng)前研究成果及新材料、集成技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)光子計(jì)算機(jī)可望在以下方面實(shí)現(xiàn)突破。

6.1 運(yùn)算高速化

科學(xué)家預(yù)計(jì)，將來(lái)可能制成比現(xiàn)有電子計(jì)算機(jī)快1 000倍的超級(jí)光子計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度達(dá)每秒幾億次。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，特別是光子集成技術(shù)日益成熟，光子計(jì)算機(jī)有潛力實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能，開(kāi)啟嶄新的運(yùn)算時(shí)代。

6.2 機(jī)身微型化

光集成技術(shù)的發(fā)展將帶來(lái)光學(xué)器件的微型化、性能穩(wěn)定化，實(shí)現(xiàn)基于光纖或者自由空間的光運(yùn)算。因而，未來(lái)光子計(jì)算機(jī)將以高性能、低價(jià)格適應(yīng)市場(chǎng)需求。CPU的材料可能為存儲(chǔ)量大、規(guī)?；a(chǎn)后成本低廉的物質(zhì)?，F(xiàn)有計(jì)算機(jī)的主板、內(nèi)存、顯卡等載體未來(lái)可能弱化，功能被替代或集成到其他器件，顯示器將會(huì)是超薄的無(wú)點(diǎn)距液態(tài)顯示器。未來(lái)PDA將具有高度集成性和方便攜帶性，集成手提電腦、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、衛(wèi)星定位、即時(shí)通信以及屏幕投影等功能。

6.3 功能智能化

按照目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，面部識(shí)別、對(duì)象識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、機(jī)器翻譯等原本人類才有的技能，將逐漸成為機(jī)器的常規(guī)配置。所以，將來(lái)復(fù)雜光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將在大數(shù)據(jù)中心、安全系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)等低能耗應(yīng)用中占據(jù)重要席位。

6.4 應(yīng)用廣泛化

光子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量非常大，是現(xiàn)有電子計(jì)算機(jī)的幾萬(wàn)倍，還能夠識(shí)別與合成語(yǔ)言、圖形和手勢(shì)。隨著光學(xué)、計(jì)算機(jī)與微電子等技術(shù)的發(fā)展和結(jié)合，光子計(jì)算機(jī)成為人類的常用工具不會(huì)遙遠(yuǎn)。

［1］李博.光子計(jì)算機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r［J］.福建電腦，2013（10）：77-78，140.

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TP381

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.019

2095－6835（2020）01－0062－02

謝禹莊，男。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕