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比超算快10000倍 光脑离我们还有多远?

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计算机,俗称“光脑”。上世纪,早在电子计算机刚刚兴起之时,科学家便提出了光子计算机的概念。这是因为利用光进行计算,比用电子计算有许多优点。

例如大家所熟悉的,光计算有并行性,即可以多路同时计算,结果互不干扰。这使得光路可以在空间中交叉却互不影响。在这一点上,电路难以做到。此外还有功耗低、信道密度高、容错性好之类的优点。


比超算快10000倍 光脑离我们还有多远?

另外,光在模拟计算领域,还有着独一无二的优势。通常我们所理解的计算机是指数字计算机,即利用逻辑门和0101的信息来进行计算。但实际上除了数字计算机,还有一类不依赖逻辑门的计算机,叫作模拟计算机。电子式的模拟计算机直接利用电压和电流进行计算,目的是得到一个可供测试或实验的数值解,而不是解析解或准确解。此类计算机大家很陌生,是因为其往往应用于工业、实验和科研领域,普通商用和家用计算机一般都是数字计算机。

在模拟运算领域,光有着独特的“上帝算法”。例如,在许多领域需要运用傅里叶变换相关的计算,如卷积。数字计算机来计算傅里叶变换是非常消耗计算量的,这使得一些需要运用傅里叶变换作为基础运算的算法往往很耗时,如图像处理领域。而光通过透镜的过程,本身就是一次傅里叶变换的过程,这个过程几乎完全不需要时间。

早在上世纪,以光模拟计算为基础的计算机就已被发明出来,并在图像识别、图像处理等领域使用,甚至据说美国以前提出的星球大战计划,就打算发展这种计算机来识别高速飞行的导弹图像。

但这种计算机的应用面相对较窄,大众更需要的是集成化、能够处理各种运算的数字式计算机。在这方面,光子计算机有着巨大的障碍。

在空间中利用光实现逻辑门并非不可能,将透镜、反射镜、棱镜、滤波器、光开关等器件加以设计组合,的确可以实现一些数字式计算的功能。事实上,早在上个世纪,这样的光计算机就已问世。但光学元器件的体积往往较大,光路缩小尚且困难,更别提要集成到芯片级别。这使得光计算机大规模替代电子计算机在目前还不可能。

这些暂时无法消除的障碍让大家冷静下来。因此科学家逐渐将精力转向挖掘电子计算机潜力或研究量子计算机等方面,全光计算机研究的热度稍减。也有科学家提出,其实不必拘泥于芯片级别的全光计算机,可以在仍然使用半导体芯片的基础上,将外围电子设备逐步更换为光子设备,大力发展光互连技术,直至实现芯片内的光互连,即制成全光芯片。

随着加工技术的发展和材料学的进步,近十年来,光子计算机的热度又有了明显提高。尤其是微纳米加工技术的进步,使得横亘在光子计算机面前的一些阻碍得到了化解。

必须指出的是,许多新闻媒体总是喜欢用耸人听闻的标题,类似于“光脑将面世”之类的词语,让大家盲目乐观。实际上就像表面波逻辑门一样,只是科学家又解决了一个关键性的问题而已,而这样的问题还有很多。因此近几年光计算机是不可能大规模应用,甚至取代电子计算机的,我们离家用的光计算机还有很远的距离。

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