基本介紹
- 中文名：光腦
- 外文名：Photon Computer
- 即：光計算機
- 宣布：2006年
介紹,組成,優越性,發展前景,
介紹
這項研究是利用光線代替電子進行信息處理的超速電腦開發方案的重大突破。作為全球“慢光”研究的權威之一，哈佛大學的Lene Hau教授領導的研究小組由於能有效降低光線速度而聞名世界。他們用一種含有超低溫鈉原子團的設備，把光速由每秒30萬千米（真空中的光速）降低到腳踏車的正常騎行速度，甚至成功地“凍結”了光線。Hau說，這項技術可用來製作下一代光學電腦的存儲設備。
Hau最新的一個研究項目是直接針對光學電腦的相關技術開發。她通過計算證明，一種稱為玻色—愛因斯坦凝聚（BEC）的超低溫原子團，可用於光線的“可控連貫數據處理”。在普通物質中，光脈衝的振幅和相位都會逐漸變淡，儲存的一切信息隨之損壞。而Hau博士的“慢光”實驗研究證明，在BEC中光線的這些屬性都被保留下來，而這樣的設備終有一天能“進化”成光學電腦的CPU。
隨著技術發展，傳統電子計算機的體積和速度不斷逼近理論上限，“積體電路集成度每18個月翻一番”的摩爾定律終將難以為繼。不少科學家相信，總有一天光學電腦將憑藉其更小的體積、更快的速度，帶來一場新的技術革命。
組成
計算機的“本領”大小，主要決定於兩個因素：一是計算機部件的運行速度；二是它們的排列緊密程度。在電磁波裡面，光比現在計算機內部的工作頻段要高得多，可以攜帶更多的信息，且傳播損耗較小，這使得光通信系統吞吐率極高，能耗極少。另外，超大型積體電路中，一些片狀器件的線腳已達300多隻，排列密度受到限制。而光束可以相互穿越，互不干擾，這使得科學家能夠在極小的空間內開闢很多的信息通道。例如，貝爾實驗室的光學轉換器就可以做得很小，以致在不到2毫米直徑的器件中，可裝入2000多個通道。
從理論上講，光腦的運算速度比現代的電腦還要快上千倍；其次，光腦器件還有信息量大的優點，一束光可以同時傳送數以千計的通道的信息。然而，光腦的製造在理論上和技術上還有許多問題沒有解決。作為第一步，科學家利用光腦驅動能量小的特點，把電子轉換器同光結合起來，製造一種光與電“雜交”的計算機。
關於光腦,人們對它也許還很陌生,但製造光腦的嘗試,科學界早在上個世紀50年代就開始了,直到80年代後期可以說才有了決定意義的突破.上世紀90年代中期,世界上第一台光腦已由歐共體的英國、法國、比利時、德國、義大利的70多位不同國籍的科學家研製成功.
優越性
無需輔助散熱
多數人對電腦的深入原理並沒有太深了解，但是當家裡的電腦使用時間比較長，或者天氣較熱的情況下，機箱中往往就會傳來刺耳的噪音。其實讓你感到刺耳的噪音也同樣在煩惱著計算機科學家們。因為在電腦中，計算機速度越快、效率越高，熱量產生越大。高溫會阻礙電子元件的工作效率，所以熱量的問題就成為“電”腦速度提高的一個無法逾越的障礙。
光腦2
光腦2“光”是解決這個問題的好辦法。首先，光信號在傳播質中傳播時，所因做功而產生的熱是十分少的，這些微弱的熱僅需自然發散即可，無需像傳統計算機需要風冷水冷等散熱設備來進行輔助散熱；其次，因為發熱極為微弱，所以不會因溫度而對性能造成影。光腦同時，使用過寬頻上網的人也有體會，接入光纖的寬頻遠遠比接入其他線路的寬頻速度要快得多，這是因為光的頻率要比非可見光頻段的電磁波高得多，可以攜帶更多的信息。如果使用的是光腦，那么本身就會比電腦快上許多倍。
用光的明暗傳達信息
在我們今天使用的電腦不同，流通在電路中的是“電”，通過元件對電流“開”和“關”的控制來表達複雜的信息。而在光腦中取而代之的則是用光來傳遞信號，光的“明”和“暗”則可以代表信息的傳遞。當然，首先你必須使得晶片可以發光，而晶片所採用的材料主要是矽，所以科學家們需要得到的是一束矽雷射。
更小的計算機
日常生活的經驗告訴我們，當幾束不同顏色的光相遇時，能夠相安無事、互不干擾的穿越，這樣不同頻率的光就可以攜帶不同的信息在同一條光纖通道中穿過，而電則不行。因此如果我們的“電”腦能夠變成光腦，那么當我們同時打開許多視窗玩遊戲、聽音樂和聊天的時候，甚至讓一台計算機同時肩負多種複雜工作的時候，也不會有急劇的速度變慢現象了。
對於計算機來說，越快代表越聰明，低散熱問題，就意味著可以更小。因此，當用上光腦之後，我們才有可能將整個房屋的全部事務委託給一台小盒子那么大的計算機控制，而不是像現在使用穿衣櫃一樣的一排計算機來管理。我們可能會使用科幻片中帶著極高速度自動行駛的汽車來緩解城市交通的壓力，而實際控制的也許是個比手掌大不了多少的計算機。
“光腦”漸近
與叫了幾十年的“電腦”相比，“光腦”似乎更時髦，而且充滿著科幻色彩。試想，計算機如果以光子傳遞信息，即使光線相交也互不影響，而速度卻至少提高三個數量級，突破電子邏輯門開關的速度極限。那時，我們再也沒有金屬導線的高延遲，沒有令人頭疼的高發熱量，計算機更小更快、傳輸信息量更大……諸多優越性背後的技術支撐是矽光電子學。
光腦3
光腦3英特爾將矽光電子學作為其戰略性技術開展研究，並多次公開發表最新研究成果。2008年年底，英特爾在《自然》上發表了在光電探測器方面的新突破，讓“光腦”再激千層浪，我們多久可以擁有它，五年、十年還是更久？一時間，“光腦”話題再度升溫。儘管完全“光腦”還不可行，但作為第一步，我們已經看到科學家把電子轉換器同光結合起來，製造出光與電混合的新一代計算機的曙光。
為何鐘情矽光子
矽光子學喚起了太多人的熱情。矽光子學既是半導體光子學中的新興研究課題，也在發展中逐漸成為物理學、材料學、計算科學、通信學等多學科綜合的一門交叉學科。矽光電子學專門研究在矽及矽基異質結材料中的光子行為和規律，並且非常注重矽光子器件。成熟的矽工藝為矽光子學提供了堅實的技術支持，加速了矽光子學的形成和發展。
一方面是現代微電子產業的基石——矽基半導體的發展接近極限，以英特爾為代表的半導體廠商都在尋找並引入高科技新材料，以實現延長基於矽的摩爾定律的壽命；而另一方面，光電子技術作為一項快速發展且前景光明的技術，吸引眾多國內外專家學者的關注，他們致力於將光子技術和微電子技術結合起來。
矽光子器件將是繼積體電路之後最有套用前景的實用元器件，這一創新將在後矽材料時代引領技術革命。我國著名的矽光子學研究專家、中科院半導體研究所集成光電子學國家重點實驗室研究員余金中指出，成熟的矽光子學將在信息領域和社會生活中起到重要作用，特別是推動光計算發展。在未來十幾年重點攻關後，在信息功能材料及器件、感測器網路及智慧型信息處理、雷射技術、納米研究等項目推進中，矽光子學具有廣闊發展空間。
發展矽基光子科學和技術的意義是如此重大，這就不難理解為何有一定科研實力的國家都把這一學科作為長遠的技術發展目標，這以美國最為突出。我國的863計畫、973計畫，也都把矽基光電子研究的相關課題列入計畫，中國科學院微電子研究所、中國科學院半導體研究所光電子研究發展中心、浙江大學矽材料國家重點實驗室、吉林大學集成光電子國家重點實驗室等領先研究性機構，都在這一前瞻性研究的矽基材料、器件實用化等方面取得了突出成果。
成本是個大問題
我們期待矽光子技術突破，主要就是要解決提高傳輸速度的問題，尤其是進入單晶片萬億次計算時代後，這個問題就更加突出，與萬億次計算相匹配的還應該有萬億次通信。這個問題在未來的高性能計算領域同樣存在，計算機需要找到一種更快的方法，以便在晶片內部及晶片之間傳送大量數據，業界把突破通信瓶頸的希望寄托在矽光子通信上。
我們對“高頻寬、低延遲”的期待可以從光纖談起。目前，長距離傳輸由光纖通信實現，主要是城域和長距離傳輸，長度約是0.1km～80km。機架到機架也開始採用光纖傳輸，長度約是1m～100m。而從板卡到板卡、晶片到晶片，採取的還是導線傳輸。目前矽光子學研究就是要把光傳輸從長距離向超短距離傳輸擴展。
從目前發展情況來看，持續改進的技術只是問題的一個方面，另一個重要問題是成本。舉例來說，以銅導線連線為例，每年需要連線的器件數量在數十億以上，對光模組的需求量非常大。而目前，多數光子器件都採用砷化鎵和磷化銦之類的特殊半導體製造，成本過於高昂、處理與封裝也十分複雜，很難用於單台計算機甚至本地網路。英特爾院士兼光子學技術實驗室總監Mario Paniccia在接受記者採訪時說：“我們要把光通信技術的優勢帶到晶片級平台上，不只要有技術，還要把這個技術做到低成本，這樣才可能把技術規模化，這是我們研究的推動力。”
Mario Paniccia說的這項技術就是矽光電子學，其願景是要研究使用廉價、製造工藝簡單的矽作為基礎材料開發光子器件，並在現有的晶圓工廠中，採用標準的批量生產的矽製造技術來實現。這樣帶來的優勢就是能為光通信帶來規模經濟效應。英特爾在開展這項研究的數年來取得了一系列成果，尤其是從2005年開始，逐漸進入了成果收穫期。
一舉兩得的選擇
矽光子學從研究到最終產業化，是一項系統工程，英特爾把通過光傳輸方式收發數據的過程分解為以下步驟來實現：一是先解決光源問題，就是生成光束的雷射器，要能發出連續光；二是解決傳輸路徑問題，就是光波導，就如同讓光在矽平台上傳播的高速公路網路；三是光調製器，把光束分成代表數字0和1的開/關信號，光的變化就攜帶了傳輸信息；四是光探測器，光傳輸到目的地後，需要有光探測器探測到脈衝光信號，把附加在光上面的信息下載下來，重新轉換成電信號。
在這些技術問題都解決了之後，就是考慮生產與產業化的問題了，即實現低成本封裝和CMOS工藝批量製造。現在基於矽的製造工藝已經非常成熟，這能夠實現低成本的大規模生產。而根據不同的套用需求，我們還可以像搭積木一樣，對這些模組進行組合，以實現不同的功能。
發展前景
未來光腦原理請關注
