在科學發(fā)展過程中，人們先研究光，然后才研究電。1947年晶體管的發(fā)明，引發(fā)了電子學和電子集成電路的快速發(fā)展。如今，用硅制作的電子集成電路、計算機已經(jīng)進入千家萬戶。計算機的速率已經(jīng)到達千億次比特/秒，還能夠進一步提高計算機的運行速度嗎？人們將目光轉(zhuǎn)向傳輸速度更快的“光”了。事實上，“電”能夠完成的功能就不必采用“光”，而“電”難以完成的功能就需要采用“光”，這就是光子學出現(xiàn)的原因。
地球上硅的含量很多，僅次于氧，而且硅的提純技術(shù)已經(jīng)達到很高的水平。近年來，人們發(fā)現(xiàn)硅不但是很好的電學材料，還是很好的光學材料。用標準CMOS工藝制造的硅光子集成線路，與電子集成電路兼容，成本低、易制造、便于控制，優(yōu)點是其它光子材料無法比擬的。將光引入到芯片與芯片，以及芯片內(nèi)各部分之間的數(shù)據(jù)連接中，形成高速率、低損耗的光互連，這場發(fā)生在計算機領(lǐng)域的光子革命由此拉開了序幕。
不久前，英特爾公司成功研制出了世界上第一個集成了激光器的硅光子數(shù)據(jù)連接系統(tǒng)，它可以實現(xiàn)長距離、高速率的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率高達500億比特/秒。這項技術(shù)旨在把高帶寬、低成本的光通信技術(shù)引入到各種計算機設(shè)備中，它預示著光子將在計算機領(lǐng)域取代電子成為實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接的主要載體，是計算機發(fā)展史上一個重要里程碑。
time terminator photon computer farewell to the progress bar
近年來，硅光子器件接連取得重大突破，如混合型硅激光器、高速硅電光調(diào)制器以及硅基長波長光電探測器等。英特爾公司采用不同的硅光子器件組成一個完整的光收發(fā)模塊，它包含了發(fā)射器芯片和接收器芯片。在發(fā)射器芯片上，由激光器產(chǎn)生連續(xù)激光，隨后光進入光調(diào)制器，用電脈沖對光作數(shù)據(jù)編碼，速率是125億比特/秒，一共有4路，都集中到一條光路輸出，總?cè)萘烤瓦_到500億比特/秒；在接收器芯片上，先將接收到的4條光束分離，分別輸入到光電探測器中復原為電信號。由于數(shù)據(jù)是在光路中傳輸，因此連接系統(tǒng)的傳輸帶寬大，功耗也很低。
半個世紀以來信息技術(shù)的發(fā)展表明，用光子代替電子實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接是不可阻擋的歷史潮流。光纖逐步取代銅電纜，從骨干網(wǎng)到城域網(wǎng)，再到局域網(wǎng)，直至現(xiàn)在備受關(guān)注的接入網(wǎng)，呈現(xiàn)“光進銅退”的大趨勢。在計算機技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，光子攻占電子領(lǐng)地，不斷向計算機的周圍及其內(nèi)部逼進，在機柜之間、電路板之間、芯片之間、甚至芯片內(nèi)，傳統(tǒng)的電互連正一步一步被光互連所取代。只不過，在芯片上傳輸光的并不是光纖，而是集成的硅基光波導。
用光子代替電子傳輸計算機數(shù)據(jù)，將徹底改變未來計算機系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)架方式?，F(xiàn)在的計算機都是通過金屬線互相連接，受制于帶寬，金屬線的長度十分有限。使用光傳送數(shù)據(jù)，就能把分散在各個角落的組件連接起來，從而幫助數(shù)據(jù)中心提高性能和容量，節(jié)約空間與能源，構(gòu)建更強大的超級計算機。
國英特爾公司日前宣布，已實現(xiàn)硅光子數(shù)據(jù)連接，數(shù)據(jù)傳輸速度高達每秒500億比特（50Gbps），相當于每秒傳送一部高清晰電影的速度；下一步的目標是實現(xiàn)每秒1萬億比特（1Tbps），這足以將一臺計算機上的所有信息在1秒鐘內(nèi)傳遞到另外一臺計算機上。
這項成果是人類在硅光學通信領(lǐng)域取得的里程碑式的進展。隨著光通信嵌入芯片處理器之中，構(gòu)建高能效超級計算機系統(tǒng)的夢想不再遙遠。
我們知道，現(xiàn)在的電腦靠電子在線路中的流動來處理信息，電子的速度約為光速的1/1500（光的速度為30萬公里/秒），電子在半導體內(nèi)的傳輸速度約每秒 60—500公里。在電腦中，電子是通過相互絕緣的銅線路來傳導的，隨著線路裝配密度的提高，信號會出現(xiàn)衰減，散發(fā)的熱量也在增加，且線路之間還產(chǎn)生電磁作用，致使超大型電路集成度受到限制，從而制約了電腦運行速度的提升。
與電子不同，光子不僅傳播速度快，而且具備電子所不具備的頻率和偏振等性能，即使在光線相交的情況下，彼此之間也不會相互影響。這使得科學家能夠在極小的空間內(nèi)開辟很多的信息通道（例如，貝爾實驗室的光學轉(zhuǎn)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）。同時，利用反射鏡、棱鏡等光導向裝置以及光電裝置，可隨意調(diào)節(jié)光子流。此外，還有極為理想的光輻射源——激光器可供使用。在此基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)基于光學和量子原理的高速高效的計算和通信。
光腦是靠一小束低功率激光進入由反射鏡和透鏡組成的光回路來進行“思維”的。利用激光產(chǎn)生的光粒子束對信息進行編碼，以光波為載波代替電子通信，它同樣具有存儲、運算和控制等功能。用光路代替電路，用超細超輕的光纖替代銅線，計算機可在更長的距離上、以更高的速度、傳輸更多的數(shù)據(jù)；下一步如果以人造有機分子薄膜對光子流進行調(diào)節(jié)，信息的移動與處理將更加迅速。這將從根本上改變未來計算機的設(shè)計模式，以及數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建方式。
那么光腦比電腦有哪些優(yōu)點呢？就像光纖與銅線之間的差別一樣，光腦能實現(xiàn)平行運算，具有更高的運算速度，光腦的運算速度比電腦快千倍以上，光腦的并行處理能力強，它在 1小時內(nèi)解決的問題在電腦上需要花費 11年；光腦傳遞信息的平行通道的密度實際上是無限的，一枚直徑5分硬幣大小的棱鏡，它的通過能力超過全世界現(xiàn)有電話電纜的許多倍，且彼此之間互不干擾；光腦的信息存儲量更大，一只12厘米的激光軟盤能儲存約為25萬個印刷頁的信息量。另外，光腦只需要電腦所需能量的一小部分就能驅(qū)動，可大大減少機器產(chǎn)生的熱量?？紤]到社會上巨大的計算機使用量，光腦可節(jié)約能源數(shù)量將是天文數(shù)字。
光腦以其強大的功能，將有助于解決現(xiàn)今許多難題。舉例來說，在如此高速的資料傳輸率下，與整面墻一樣大尺寸的3D屏幕將進入家庭娛樂市場以及視訊會議，超高分辨率和巨大的通信能力，將營造出身臨其境的現(xiàn)場效果。未來的資料中心或超級計算機，其元件可能散布在建筑物、甚至整個園區(qū)的四周，照樣能進行高速的通信聯(lián)系。這擺脫了笨重銅線在傳輸量與距離方面的限制，可使資料中心的使用者，如搜索引擎公司、云端運算供應商、或金融資料中心等用戶，不僅得到充裕的效能與容量，還能降低空間與能源帶來的成本。
以光腦為基礎(chǔ)，未來計算機網(wǎng)絡將成為“全光網(wǎng)”，目前電接入方式數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)?#8220;瓶頸”這一世界性難題將迎刃而解。這將引發(fā)信息技術(shù)領(lǐng)域又一場深刻的革命。
當前，制造光腦的許多關(guān)鍵技術(shù)，如光存儲技術(shù)，光互連技術(shù)，光電子集成技術(shù)等都已獲得突破。科學家們正集中精力研究如何最大限度地增加光計算機的運算能力，即光開關(guān)的數(shù)量。英特爾公司正在嘗試通過提高調(diào)制器的編碼速度以及增加每塊芯片上激光器的數(shù)量來讓數(shù)據(jù)的傳輸速度達到1萬億比特。無需著急，成熟的可實際應用的光腦將會在近期出現(xiàn)。
總之，光腦前景光明，可望也可及，人們完全可以樂觀地期盼全光、高速、節(jié)能、智能化、人性化的信息新時代很快就要來到。
轉(zhuǎn)自：白開水的博客 » 時代終結(jié)者–光子計算機、永別了進度條!