光计算机浅谈

光与现代科技讲座期中论文论文题目：光计算机浅谈姓名：xxx学号：xxx学院：xxx专业：xxx光计算机浅谈作者：唐荣斌信息学院09级通信工程【摘要】当代的电子计算机已经发展到了一种前所未有的高度，集成电路的制作工艺也相当的成熟了，可以说电子计算机的发展几乎已经到达了瓶颈。为了跨越这一瓶颈，一些新的计算机正在跃跃欲试地加紧研究着，这些计算机是：超导计算机、纳米计算机、光计算机、DNA计算机和量子计算机等。本文的主要任务就是是对光计算机做一个简单的阐述。【关键词】计算机光计算光计算机发展展望【引言】光计算机(opticalcomputer),也叫光子计算机,全光数字计算机，它以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件，光运算代替电运算。其实早在上个世纪40年代，现代电子计算机之父约翰·冯·诺依曼就就考虑过使用光学元件实现数字计算的可能性，但是由于当时光学的发展技术十分落后，他最终也就没能往这个方向做深入的研究。随着60年代激光技术的问世，兴起傅里叶光学为基础的模拟光学计算的研究。70年代光学传输和非线性光学材料取得重大进展，同时也由于电子计算机固有的某些缺陷随运算速度的提高而明显的暴露出来，因此数字光计算重新引起科学家们的广泛注意。80年代是光计算研究大发展的年代，光计算受到了世界上个先进工业国家的高度重视。目前，美国、西欧、日本等国家都纷纷制定了庞大的研究计划。一、数字光计算数字光计算是指以光学手段实现数字运算的软件和硬件的通称。技术路线上以列阵光学非线性器件为基础,构想通用性或专用性全光学计算机。1、光学双稳和开关器件光学双值逻辑器件是全光学计算机最基本的器件,它的原理是用光双稳器件作存贮器,用非线性闭值器件作逻辑门。在这类器件中,由非线性吸收或折射材料和标准具构成的双稳器件是纯光学器件,其它的是电光效应器件。2、光学数字处理器具有非线性光学特性的器件本身就可以构成逻辑门。但是由逻辑门构成的数字处理器,逻辑门必须具备级联性,即要满足两个条件：逻辑门的输入和输出有相同的逻辑值的光学编码方式，并且单一门的损耗不能太大。3、并行处理体系结构从光学角度研究体系结构,早期提出过基于双轨逻辑的函数逻辑块以及互网络。后来又提出了符号替代逻辑,即用另外一个二维图案替换一个像中的二维图案。重复使用这种技术,并采用不同替换规则,可实现布尔逻辑、双值运算、细胞逻辑。基于此,又提出了单一替代规则的通用符号替代系统。4、光学互连网络使用光学互连网络可以方便地构成处理器之间、存贮器之间以及处理器和存贮器之间的通讯。近年来光学互连网络发展很快,已有的纵模制网络，Clos网络、Banyan网络、Benes网络和洗牌网络等都已在光学上实现,其中已采用的光学元件有分束器、光栅和反射镜等。上述网络都是多级规则网络,光学实施方案属于空变操作。从光学计算需要考虑,还要发展一种新的Crossover网络,即拓朴上等效于完善洗牌网络。5、数字光计算的支撑硬件为实现全光学计算,除了光逻辑门和光互连器外,还需要支撑硬件和组装方式。列阵照明器是关键性支撑硬件,因为列阵逻辑门要求列照明作为时钟信号或维持编置光束。传统光学方法是采用双值光学相位衍射光栅,需要用到馈模激光器实现高速运转,另一种方案是微米级半导体激光列阵。组装方式包括基本运算单元的模块化和微包装化。上述的S-SEED逻辑门已模块化,其中堆栈式平面微光学元件将起重大作用,微光学元件包括有渐变折射率、外延生长和衍射式元件等几种。6、图案变换并行光逻辑并行逻辑的光学实现集中在两种方法:即物理机制和图案变换。其中图案变化的方法不需要光学非线性器件,但空间编码的实现一直是要解决的问题。图案变换原理有两种：Thera调制空间滤波和阴影投影。二、光计算机的特点光计算，意味着如果将今天硅芯片的处理能力与无与伦比的光速融合在一起，我们得到的将是一种令人震惊的组合，它使电路设计者看到了明天的希望。当我们试图从银色的芯片中榨取更多的东西时，芯片的制造成本也变得更加昂贵，建立一家现代化芯片制造厂的费用竟高达几十亿美元。正像任何事物发展到某个阶段必须具有革命性的改变才能继续前进一样，芯片也是如此，靠一点一点挖掘芯片技术潜力的方式将再也不能满足人们的需求。所幸现在已有很多新技术供大家选择，其中最有发展前途的一种就是利用光。与传统的电子计算机相比，光计算机的无导线计算机信息传递平行通道密度极大。一枚直径5分硬币大小的棱镜，它的通过能力超过全世界现有电话电缆的许多倍。光的并行、高速，天然地决定了光计算机的并行处理能力很强，具有超高速运算速度。超高速电子计算机只能在低温超导的条件下才能够工作，而光计算机在室温下即可开展工作。光计算机还具有与人脑相似的容错性。系统中某一元件损坏或出错时，并不影响最终的计算结果。让芯片中充满光。按照诺贝尔奖获得者理查德•费曼的说法，光是世界上纯之又纯的物质。但是，为什么要利用光进行计算呢？这当然有一些更实际的理由。其中之一是，光线的传播速度，或者更确切地说，连续不断的光子的传播速度比其他任何物质都快。与光子比起来，形成电流的电子的运动慢得就像蜗牛爬。更重要的是，光子之间不像电子那样相互作用。几条独立的光束相互之间可以直接穿过，因此，可以在同一条狭窄的通道中传输数量大得难以置信的数据。如图1，图中上部分的是电子线路连接时的情况，下部分的是光子线路连接时的情况。电子线路不与许交叉，必须绕过，而光线则运行交叉通过。综上所述，我们不难总结出光计算机的几个特点：尺寸小(smallsize)集成密度高(highdensity)运行速度快(highspeed)发热少(lowheatingofjunctions)强大的并行处理能力(massivelyparallelcomputingcapability)用于人工智能（applicationsinartificialintelligenceapplications）其他（other）三、光计算机发展现状光计算机的发展取决与光计算技术的发展，从上个世纪80年代开始，光计算便受到了世界上个先进工业国家的高度重视，然而时至今日，光计算机还处于研究实验阶段，目前已经研究成功的光计算机普遍是光与电子结合的混合型的计算机。目前最成功的光学数字处理器是由Bell实验室演示的,由4x8单元的反射型S-SEED列阵组成NOR逻辑门模块。所有光学元件是为了满足两束光的垂直入射读写和反射输出的空间互连而设置的。整个模块以流水线型体系串联,运算次数10的六次方每秒,尺寸一米见方。采用平面光学技术可将尺寸缩小到2x3英寸。比较成功地应用非线性光学器件的处理器还有：使用BEAT器件的细胞逻辑处理器和使用VSTEP器件的双轨逻辑平行处理器。慕尼黑大学纳米科学中心的威克斯福斯已经制作了一个触发器的光模拟系统。我们都知道计算机利用0和1进行计算，这种非此即彼的逻辑是通过一种名为触发器的固态设备实现的。触发器状态可以为0或1这两种状态中的一种。更重要的是，触发器状态必须保持足够长的时间，以便在下一个时钟周期对其进行存取。在目前计算机以千兆赫兹速度运行的情况下，这就意味着触发器状态需要几微秒的稳定性。只要几微秒！你可能觉得太简单了。然而，事实并不那么简单。在合适条件下当一种材料上出现一个光子时，这个光子会从原子上赶走一个电子。这时的原子为带正电的原子，而这时你得到的是一种电荷分离的条件。其实这时你已经创造了一种状态。可是这种状态稳定吗？当然不稳定。仅仅在千万亿分之一秒后，负电子就会与带正电的原子重新结合。这段时间太短了，根本没有什么用。威克斯福斯和他的小组所做的工作就是在这个材料表面加电，最后形成一种波形化电场。这种电场使电子可以随波而动，使电子在电场消失前人为地与原子分离。该小组已经取得了35秒的分离时间，足够为目前的计算机所使用了。威克斯福斯既感到高兴又非常谨慎，他说：我们仍处在刚刚起步的阶段。与今天的计算机相比，我们目前的情况就像刚刚发明了电容器。澳大利亚国立大学的物理学家杰文•朗戴尔及其同事利用新型光陷阱，首次成功地将一个光脉冲冻住了足足１秒钟的时间，这是以前最好成绩的１０００倍。将冻住光束的时间大大延长，意味着可能据此找到实用方法，来制造光计算机或量子计算机用的存储设备。目前世界上第一台光计算机，已有欧共体的英国、比利时、德国、意大利和法国的70多名科学家和工程师合作研制成功。这首一台全光数学计算机，而且器运算速度比普通的电子计算机快1000倍。四、光计算机发展展望与电子计算机相比，光计算机有着十分明显的优势，但人类对光学世界的了解远远不及对电子世界的了解，虽然各发达国家都加大了对光计算机的研究，由于光计算研究的难度太大导致光计算机一直都只是躺在实验室中。然而光计算机的前景是显而易见的，尤其是在取代大型机和在科研机构使用中有着光明的未来。对于是否会取代我们现在所熟悉的个人电脑，我觉得这是个没必要去深究的问题，至少现在的电子计算机的处理速度还能满足我们使用了，至少现在光计算机还没法走向我们的桌面。然而当技术足够成熟了，当我们对计算机有了更为苛刻的要求的时候，便自然会有新的产品走向我们的桌面了，至于这产品是不是光计算机，我想只有时间才能够去验证了。图2给出的是一个科学家对光计算机研究的一个构想图。【结束语】伴随这上个世纪激光技术的问世，这个世界被激光深深的变革着，现在的我我们已经很难想向没有激光的日子，激光已经彻彻底底地改变了这个世界，通信、医学、工业、教育、军事、科研等待各个方面都有着它的身影。而光计算虽然很早就被提出并研究着，但由于它在我们几乎没有生活中，导致我们对它还十分的陌生，甚至很多人都没用听过这个概念。然而，随着物联网、云计算的发展，随着人类不断对光学世界的探索，我相信有一天，光计算也会深深的影响着我们的衣食住行的。撰写本文的目的在于让自己去多了解一下这个领域的知识，同时把这些知识整理一下。【参考文献】[1]百度，百度文库[Z]，[2]杜惠秋、迟准、高惠，光计算技术发展概述[J]，彬黑龙江电子技术1998年第3期[3]NeoSun，光计算—电脑的未来[EB/OL]，[4]SlideShare，OpticalComputingTechnology[R]，[e-mail][5]TerryTurpinChiefScientist，OpticalProcessing&OpticalCommunications[R],[e-mail][6]SoumenChowdhury，OpticalComputing[R],[e-mail]@qq.com