在科學(xué)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(xué)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(jì)算機(jī)已經(jīng)進(jìn)入千家萬戶。計(jì)算機(jī)的速率已經(jīng)到達(dá)千億次比特/秒，還能夠進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度嗎？人們將目光轉(zhuǎn)向傳輸速度更快的“光”了。事實(shí)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(xué)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(dá)到很高的水平。近年來，人們發(fā)現(xiàn)硅不但是很好的電學(xué)材料，還是很好的光學(xué)材料。用標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(chǎng)發(fā)生在計(jì)算機(jī)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(gè)集成了激光器的硅光子數(shù)據(jù)連接系統(tǒng)，它可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高速率的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率高達(dá)500億比特/秒。這項(xiàng)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(jì)算機(jī)設(shè)備中，它預(yù)示著光子將在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取代電子成為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接的主要載體，是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上一個(gè)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(zhǎng)波長(zhǎng)光電探測(cè)器等。英特爾公司采用不同的硅光子器件組成一個(gè)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(jìn)入光調(diào)制器，用電脈沖對(duì)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_(dá)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(cè)器中復(fù)原為電信號(hào)。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(gè)世紀(jì)以來信息技術(shù)的發(fā)展表明，用光子代替電子實(shí)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(jìn)銅退”的大趨勢(shì)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，光子攻占電子領(lǐng)地，不斷向計(jì)算機(jī)的周圍及其內(nèi)部逼進(jìn)，在機(jī)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(dǎo)。
用光子代替電子傳輸計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，將徹底改變未來計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)架方式。現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)都是通過金屬線互相連接，受制于帶寬，金屬線的長(zhǎng)度十分有限。使用光傳送數(shù)據(jù)，就能把分散在各個(gè)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(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)。
國英特爾公司日前宣布，已實(shí)現(xiàn)硅光子數(shù)據(jù)連接，數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)每秒500億比特（50Gbps），相當(dāng)于每秒傳送一部高清晰電影的速度；下一步的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)每秒1萬億比特（1Tbps），這足以將一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的所有信息在1秒鐘內(nèi)傳遞到另外一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。
這項(xiàng)成果是人類在硅光學(xué)通信領(lǐng)域取得的里程碑式的進(jìn)展。隨著光通信嵌入芯片處理器之中，構(gòu)建高能效超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的夢(mèng)想不再遙遠(yuǎn)。
我們知道，現(xiàn)在的電腦靠電子在線路中的流動(dòng)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(dǎo)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(dǎo)的，隨著線路裝配密度的提高，信號(hào)會(huì)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(yùn)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(huì)相互影響。這使得科學(xué)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(shí)驗(yàn)室的光學(xué)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(gè)通道）。同時(shí)，利用反射鏡、棱鏡等光導(dǎo)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(shí)現(xiàn)基于光學(xué)和量子原理的高速高效的計(jì)算和通信。
光腦是靠一小束低功率激光進(jìn)入由反射鏡和透鏡組成的光回路來進(jìn)行“思維”的。利用激光產(chǎn)生的光粒子束對(duì)信息進(jìn)行編碼，以光波為載波代替電子通信，它同樣具有存儲(chǔ)、運(yùn)算和控制等功能。用光路代替電路，用超細(xì)超輕的光纖替代銅線，計(jì)算機(jī)可在更長(zhǎng)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(jī)分子薄膜對(duì)光子流進(jìn)行調(diào)節(jié)，信息的移動(dòng)與處理將更加迅速。這將從根本上改變未來計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)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(diǎn)呢？就像光纖與銅線之間的差別一樣，光腦能實(shí)現(xiàn)平行運(yùn)算，具有更高的運(yùn)算速度，光腦的運(yùn)算速度比電腦快千倍以上，光腦的并行處理能力強(qiáng)，它在 1小時(shí)內(nèi)解決的問題在電腦上需要花費(fèi) 11年；光腦傳遞信息的平行通道的密度實(shí)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(chǔ)量更大，一只12厘米的激光軟盤能儲(chǔ)存約為25萬個(gè)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(dòng)，可大大減少機(jī)器產(chǎn)生的熱量。考慮到社會(huì)上巨大的計(jì)算機(jī)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(qiáng)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(jìn)入家庭娛樂市場(chǎng)以及視訊會(huì)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(chǎng)效果。未來的資料中心或超級(jí)計(jì)算機(jī)，其元件可能散布在建筑物、甚至整個(gè)園區(qū)的四周，照樣能進(jìn)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(yùn)算供應(yīng)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(chǎng)深刻的革命。
當(dāng)前，制造光腦的許多關(guān)鍵技術(shù)，如光存儲(chǔ)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(xué)家們正集中精力研究如何最大限度地增加光計(jì)算機(jī)的運(yùn)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(dá)到1萬億比特。無需著急，成熟的可實(shí)際應(yīng)用的光腦將會(huì)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(shí)代很快就要來到。
轉(zhuǎn)自：白開水的博客 » 時(shí)代終結(jié)者–光子計(jì)算機(jī)、永別了進(jìn)度條!