現(xiàn)在，電腦已成為我們工作、生活中密不可分的親密伙伴，上網(wǎng)沖浪要用它，查詢資料要用它，看電影電視要用它……然而，隨著電腦的使用越來越普遍，隨之而來的煩惱也越來越多：電腦處理速度越來越慢，經(jīng)?？ㄗ∩踔了罊C，時間一長電腦散熱不良，總是需要定時清理……

那么，有沒有一種電腦能讓我們甩掉這些煩惱？它的速度能否超越目前最快的超級計算機？對此，“光腦”給出了答案。

何謂“光腦”？

所謂“光腦”，其實是對應于電腦而言，是光子計算機的簡稱。

光子計算機的基本組成部件是集成光路，它用不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，以大量透鏡、棱鏡和反射鏡將數(shù)據(jù)從一個芯片傳送到另一個芯片。由于光子比電子速度快，光子計算機的運行速度高達1萬億次，存貯量是電子計算機的上萬倍，還可對語言、圖形、手勢等進行識別與合成。

研制光子計算機的設想早在20世紀50年代后期就已提出。1986年，貝爾實驗室的戴維·米勒研制出小型光開關，為同實驗室的艾倫·黃研制光處理器提供了必要元件。1990年1月，艾倫·黃的實驗室宣布研制出世界上第一臺光子計算機。

但光子計算機需要開發(fā)出可用一條光束控制另一條光束變化的光學“晶體管”。而現(xiàn)有的光學“晶體管”龐大而笨拙，若用它們造成臺式計算機，將有汽車那么大。因此，短期內光子計算機還無法實現(xiàn)商業(yè)化生產。

比超級計算機快一萬倍

與普通的計算機相比，“光腦”性能更優(yōu)異，運算速度更快，存儲量更大，能耗更小，散熱更低。那么，它是怎么做到的呢？

并行傳輸——讓電腦不再“休息”。由于目前電子計算機的CPU（中央處理器，相當于人的大腦）采用串行的處理方式，直接導致其工作時間實際只占了總時間的三分之一，那么它的大部分時間用來做什么了呢——用在了傳輸數(shù)據(jù)上，也就是我們所說的緩存。

試想一下，本來性能就一般的家用電腦還把大部分時間用來“休息”，這不是要氣死寶寶嗎？幸好，“光腦”通過光子進行數(shù)據(jù)傳播，光子彼此之間沒有干擾，齊頭并進。因此，當電子排著長隊一個個緩慢通過處理器到達緩存時，光子已經(jīng)肩并肩開著光速飛機飛馳而過了。

超高速運算——比超級計算機快一萬倍。電子的傳播速度是593km/ s，而光子的傳播速度卻達300000km/ s。對于電子計算機來說，電子是信息的載體，它只能通過一些相互絕緣的導線來傳導，即使在最佳情況下，電子在固體中的運行速度也遠低于光速，盡管目前電子計算機運算速度不斷提高，但它的最高速度仍是有限的。而光子計算機并行處理能力強，因而具有更高的運算速度。它一旦成功問世，將比現(xiàn)在的超級計算機快1000～10000倍。

海量存儲——超強的信息通過能力。與電子計算機相比，光子計算機具有超大規(guī)模的信息存儲容量。光子計算機具有極為理想的光輻射源——激光器，光子的傳導是可以不需要導線的，而且即使在相交的情況下，它們之間也不會產生絲毫的相互影響。光子計算機無導線傳遞信息的平行通道，其密度實際上是無限的，一枚五分硬幣大小的枚鏡，它的信息通過能力竟是全世界現(xiàn)有電話電纜通道的許多倍。

更低能耗——能量消耗小，散發(fā)熱量低。電子計算機隨著裝配密度的不斷提高，會使導體之間的電磁作用不斷增強，散發(fā)的熱量也在逐漸增加，從而制約運行速度。而光子計算機就沒有這種煩惱，光子計算機是一種節(jié)能型產品，它的驅動只需要同類規(guī)格的電子計算機驅動能量的一小部分，這不僅降低了電能消耗，大大減少了機器散發(fā)的熱量，還為光子計算機的微型化和便攜化研制提供了便利的條件。

“光腦”的靈感來自蝴蝶

正如牛頓從樹上掉下的蘋果上最終悟出著名的萬有引力定律，瓦特從沸騰的水中得到靈感發(fā)明蒸汽機，科學家開發(fā)“光腦”的靈感也來自大自然。

科學家發(fā)現(xiàn)蝴蝶翅膀漂亮的顏色既不是染料色也不是顏料色，而是一種新奇的色彩——結構色彩。這種結構色彩飽和度高、光澤絢麗、環(huán)境友好且永不褪色。

蝴蝶翅膀中特定的周期性結構對光具有調控性能，使某一頻率范圍的波不能在此周期性結構中傳播而被散射回來，人們將這種具有特定周期性結構的物質稱為光子晶體。

類似于電子計算機中半導體元件可以對電子選擇性通過，光子計算機中的光子晶體也可以作為光的開關，實現(xiàn)“0和1”的邏輯運算。光子計算機中的關鍵部件激光器就是通過這一原理實現(xiàn)的。

何時“飛入尋常百姓家”

光子計算機由光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件和設備組成。光子計算機有模擬式與數(shù)字式兩類。

模擬式光子計算機的特點是直接利用光學圖像的二維性，因而結構比較簡單。這種光子計算機已用于衛(wèi)星圖片處理和模式識別工作。

數(shù)字式光子計算機的結構方案有許多種，其中被認為開發(fā)價值比較大的有兩種，一種是采用電子計算機中已經(jīng)成熟的結構，只是用光學邏輯元件取代電子邏輯元件，用光子互連代替導線互連；另外一種是全新的，以并行處理（光學神經(jīng)網(wǎng)絡）為基礎的結構。

目前，光子計算機已經(jīng)成功研制并且取得一系列新的進展。比如，來自美國杜克大學的計算機電子工程師團隊研發(fā)出了能實現(xiàn)超快速開關的LED燈管，每秒鐘能夠開關900億次的性能，使得它能夠取代之前的LED技術，構成光子計算機的硬件基礎。

雖然目前我們使用的是電子計算機，但是從發(fā)展的潛力來說，顯然光子計算機比電子計算機大得多，特別是在圖像處理、目標識別和人工智能等方面，光子計算機將來發(fā)揮的作用遠比電子計算機大，將成為替代電腦的最有潛力選手。相信在不久的將來，“光腦”必將從軍用走向民用，成為人們日常生活的伴侶。（編輯/余風）