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關於光子和光子計算機

光子計算機

盡管每壹代計算機在性能上都比上壹代好得多,但研究人員希望利用光來制造壹種全新的機器。他們的目標是突破傳統計算機設計的束縛,從而選擇壹臺不僅優於今天的超級計算機,而且最終可以挑戰甚至超越人腦的機器。

這種計算機將使用壹些能夠以光速處理信息的電路,而不是傳統的電子電路。目前計算機使用電子傳遞信息,但新線路將使用光子傳遞信息。這種方法有望使計算機速度提高100倍,光子計算機使用的電能將是電子計算機的1%。

前景:兩大因素推動光子計算機誕生;會真正模擬人腦並且比人腦快幾千倍。

達姆施塔特大學的科妮莉亞?Denz博士說:“光子計算潛力巨大。光子計算可以做常規計算做不到的事情。”她負責研究光學技術,這是光子計算機所必需的。德國耶拿鎮的另壹個實驗室也在利用光開發壹種帶有記憶的計算機,它可以像人腦壹樣工作。這種關聯存儲器允許計算機執行模式匹配和其他任務,這些任務對人腦來說很容易執行,但對傳統計算機來說不僅困難而且耗時。

計算機設計人員使用光學設計,不僅有望構建出可以模擬人腦其他方面行為的計算機系統,而且將比人腦的處理速度快上千倍。如果是這樣,光電技術可能會給人們帶來真正的人工智能。

決定第壹臺光子計算機有望在未來十年投入商用的主要因素有兩個。到2015,飛速發展的矽半導體技術將會停滯不前。許多研究人員認為,在2015之前,基本物理定律將阻止科學家制造出性能更高的芯片。與此同時,對更多數據和更快速度的需求,推動了互聯網的發展,迫使人們采用更快的路由器,而傳統的電子設計遠遠無法達到所需的速度。

光子技術現在已經成為互聯網的基礎。光纖曾經是實驗室裏的新奇事物,現在幾乎承載了互聯網和電話網絡的所有信號。電信號只在用戶和電話交換機之間使用。原因是與舊電纜相比,光纖不僅可以傳輸更多的信息,而且傳輸得更遠。

電子:其速度是影響傳輸的瓶頸;可以連接到矽芯片的導線數量限制了數據輸入和輸出的數量。

今天,大量的互聯網設備將光纖中的光信號轉換為電信號,以便這些信號可以在電纜之間輕松傳輸。這壹過程限制了這種設備處理數據的速度,因此工程師們正試圖用光子本身做更多的事情。

德國海因裏希-赫茲研究所的研究人員開發了壹種新型光纖開關,這將使新壹代。

兆兆字節的網絡是可能的。在這個網絡中,每根光纖的數據傳輸速度可以達到每秒1萬億比特,而今天網絡的傳輸速度只能達到這個速度的1/25。

目前,光子研究的很大壹部分集中在能夠將微處理器的計算能力與光纖的信息傳輸能力結合起來的混合器件上。信號在計算機中的傳輸距離與其在互聯網通信中的傳輸距離相比微不足道,但即使傳輸距離只有幾厘米,電子的速度也會成為影響傳輸的瓶頸。

隨著芯片的速度越來越快,芯片之間需要更多的連接來獲得足夠的數據。僅使用電子連接將很難提高速度。電子在金屬中的傳輸速度僅為光子在空氣中傳輸速度的L/10。當電子在電路板上的導線中移動時,其他因素也會減慢電子的速度。

另壹個問題是連接在矽片上的導線數量也是有限的。為了讓更多的數據進出芯片,計算機設計者必須要麽加快電子的速度(這在目前是不可能的),要麽

數據必須分布到更多的線路上。即使是第二種方法也有其局限性。

芯片壹直在變得越來越小,芯片和電路板之間的連接數量是有限的。目前,這個限制大約是每個芯片1000個連接。為了節約成本,實際連接數遠沒有這個限制。

光子:光子可以通過空氣到達芯片,無需連接;光束交叉,互不影響。

如果用光,有可能把這個極限擴大9倍。這是電腦設計師的夢想。這樣不僅加快了信號傳輸速度,還可以將數據分散到更多的連接上,從而達到更快的速度。芯片表面將布滿激光,激光通過接收器向另壹個芯片發送信號。不需要通過光纖連接芯片。芯片對齊後,光子可以穿過空氣,直接到達下壹個芯片。與全電子計算機不同,這些芯片不是附著在電路板上,而是安裝在壹塊墻板上,因此可以在芯片的整個表面安裝激光器和探測器。

光子優於電子的另壹個方面是,如果兩個光子的路徑交叉,它們不會相互影響。只有當兩個光子撞擊同壹個探測器時,才會產生影響。電路板設計要求電路分離,避免短路,而光束在計算機中可以在二維空間或三維空間傳播。

通過引入可以引導芯片間光路的器件,有可能制造出比電子器件的網絡密度大很多倍的網絡。這就是為什麽研究人員期望使用光子計算機來制造新壹代神經網絡。神經網絡模擬大腦中神經元的行為。然而,簡單的電子設計無法像腦細胞壹樣形成數量龐大的神經系統連接。通過用可操縱的光束取代電線,科學家可以向模擬大腦行為邁出壹步,但光信號的傳輸速度比生物電信號快很多倍。

光子技術不會很快用在普通臺式電腦上,但對於超級計算機來說就是另壹回事了。許多超級計算機使用壹種稱為並行處理的技術,其中數百甚至數千個芯片共同處理壹項任務。在現在的電子系統中,問題是通信速度,用壹束激光就能輕松解決。

雖然可以將電子設備和光子設備結合起來解決通信瓶頸,但是兩者之間的信號轉換需要時間。此外,激活電子開關需要時間。為了達到最大速度,最好不要使用任何電子設備。當光子在系統中飛行時,所有的計算都是由它們完成的。這些計算機需要的是壹個光開關,和矽片上的電子開關壹樣小。

光子

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