光計(jì)算機(jī)論文

1、當(dāng)代的電子計(jì)算機(jī)已經(jīng)發(fā)展到了一種前所未有的高度，集成電路的制作工藝 也相當(dāng)?shù)某墒炝?，可以說電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展幾乎已經(jīng)到達(dá)了瓶頸。為了跨越這一 瓶頸，一些新的計(jì)算機(jī)正在躍躍欲試地加緊研究著，這些計(jì)算機(jī)是：超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、 納米計(jì)算機(jī)、光計(jì)算機(jī)、DNA計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)等。下面就對(duì)光計(jì)算機(jī)做一個(gè) 簡單的闡述。光計(jì)算機(jī),也叫光子計(jì)算機(jī), 全光數(shù)字計(jì)算機(jī)，它以光子代替電子，光互連 代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計(jì)算機(jī)中的電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。其實(shí)早在 上個(gè)世紀(jì)40 年代，現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父 約翰馮諾依曼就就考慮過使用光學(xué)元 件實(shí)現(xiàn)數(shù)字計(jì)算的可能性，但是由于當(dāng)時(shí)光學(xué)的發(fā)展技術(shù)十分落后，他最終也就 沒能往這個(gè)方

2、向做深入的研究。隨著 60 年代激光技術(shù)的問世，興起傅里葉光學(xué) 為基礎(chǔ)的模擬光學(xué)計(jì)算的研究。 70 年代光學(xué)傳輸和非線性光學(xué)材料取得重大進(jìn) 展，同時(shí)也由于電子計(jì)算機(jī)固有的某些缺陷 隨運(yùn)算速度的提高而明顯的暴露出 來，因此數(shù)字光計(jì)算重新引起科學(xué)家們的廣泛注意。 80 年代是光計(jì)算研究大發(fā) 展的年代，光計(jì)算受到了世界上個(gè)先進(jìn)工業(yè)國家的高度重視。目前，美國、西歐、 日本等國家都紛紛制定了龐大的研究計(jì)劃。光計(jì)算機(jī)包括許多方面：一、數(shù)字光計(jì)算數(shù)字光計(jì)算是指以光學(xué)手段實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算的軟件和硬件的通稱。技術(shù)路線 上以列陣光學(xué)非線性器件為基礎(chǔ), 構(gòu)想通用性或?qū)Ｓ眯匀鈱W(xué)計(jì)算機(jī)。1、光學(xué)雙穩(wěn)和開關(guān)器件光學(xué)雙值邏輯

3、器件是全光學(xué)計(jì)算機(jī)最基本的器件,它的原理是用光雙穩(wěn)器件 作存貯器, 用非線性閉值器件作邏輯門。在這類器件中, 由非線性吸收或折射材 料和標(biāo)準(zhǔn)具構(gòu)成的雙穩(wěn)器件是純光學(xué)器件, 其它的是電光效應(yīng)器件。2、光學(xué)數(shù)字處理器具有非線性光學(xué)特性的器件本身就可以構(gòu)成邏輯門。但是由邏輯門構(gòu)成的數(shù) 字處理器,邏輯門必須具備級(jí)聯(lián)性, 即要滿足兩個(gè)條件：邏輯門的輸入和輸出有 相同的邏輯值的光學(xué)編碼方式，并且單一門的損耗不能太大。3 、并行處理體系結(jié)構(gòu)從光學(xué)角度研究體系結(jié)構(gòu) , 早期提出過基于雙軌邏輯的函數(shù)邏輯塊以及互 網(wǎng)絡(luò)。后來又提出了符號(hào)替代邏輯, 即用另外一個(gè)二維圖案替換一個(gè)像中的二維 圖案。重復(fù)使用這種技術(shù),

4、并采用不同替換規(guī)則, 可實(shí)現(xiàn)布爾邏輯、雙值運(yùn)算、 細(xì)胞邏輯?；诖?又提出了單一替代規(guī)則的通用符號(hào)替代系統(tǒng)。4、光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò) 使用光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)可以方便地構(gòu)成處理器之間、存貯器之間以及處理器和 存貯器之間的通訊。近年來光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)發(fā)展很快 , 已有的縱模制網(wǎng)絡(luò)、 trbbadboy 網(wǎng)絡(luò)、 Banyan 網(wǎng)絡(luò)、 Benes 網(wǎng)絡(luò)和洗牌網(wǎng)絡(luò)等都已在光學(xué)上實(shí)現(xiàn),其 中已采用的光學(xué)元件有分束器、光柵和反射鏡等。上述網(wǎng)絡(luò)都是多級(jí)規(guī)則網(wǎng)絡(luò), 光學(xué)實(shí)施方案屬于空變操作。 從光學(xué)計(jì)算需要考慮,還要發(fā)展一種新的 Crossover 網(wǎng)絡(luò), 即拓樸上等效于完善洗牌網(wǎng)絡(luò)。5、數(shù)字光計(jì)算的支撐硬件為實(shí)現(xiàn)全光學(xué)計(jì)算,

5、除了光邏輯門和光互連器外, 還需要支撐硬件和組裝 方式。列陣照明器是關(guān)鍵性支撐硬件, 因?yàn)榱嘘囘壿嬮T要求列照明作為時(shí)鐘信號(hào) 或維持編置光束。傳統(tǒng)光學(xué)方法是采用雙值光學(xué)相位衍射光柵, 需要用到饋模激 光器實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn), 另一種方案是微米級(jí)半導(dǎo)體激光列陣。組裝方式包括基本運(yùn) 算單元的模塊化和微包裝化。6 、圖案變換并行光邏輯并行邏輯的光學(xué)實(shí)現(xiàn)集中在兩種方法: 即物理機(jī)制和圖案變換。其中圖案變 化的方法不需要光學(xué)非線性器件 , 但空間編碼的實(shí)現(xiàn)一直是要解決的問題。圖 案變換原理有兩種：Thera調(diào)制空間濾波和陰影投影。二、光計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 光計(jì)算，意味著如果將今天硅芯片的處理能力與無與倫比的光速融合在

6、一 起，我們得到的將是一種令人震驚的組合，它使電路設(shè)計(jì)者看到了明天的希望。 當(dāng)我們?cè)噲D從銀色的芯片中 榨取 更多的東西時(shí)，芯片的制造成本也變得更加 昂貴，建立一家現(xiàn)代化芯片制造廠的費(fèi)用竟高達(dá)幾十億美元。正像任何事物發(fā) 展 到某個(gè)階段必須具有革命性的改變才能繼續(xù)前進(jìn)一樣，芯片也是如此，靠一 點(diǎn) 一點(diǎn)挖掘芯片技術(shù)潛力的方式將再也不能滿足人們的需求。所幸現(xiàn)在已有很 多 新技術(shù)供大家選擇，其中最有發(fā)展前途的一種就是利用光。 與傳統(tǒng)的電子計(jì)算 機(jī)相比，光計(jì)算機(jī)的 無導(dǎo)線計(jì)算機(jī) 信息傳遞平行通道 密度極大。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。光的 并行、高速，天然

7、地決定了光計(jì)算機(jī)的并行處理能力很強(qiáng)， 具有超高速運(yùn)算速 度。超高速電子計(jì)算機(jī)只能在低溫超導(dǎo)的條件下才能夠工作， 而光計(jì)算機(jī)在室 溫下即可開展工作。光計(jì)算機(jī)還具有與人腦相似的容錯(cuò)性。系 統(tǒng)中某一元件損 壞或出錯(cuò)時(shí)，并不影響最終的計(jì)算結(jié)果。 讓芯片中充滿光。按照諾貝爾獎(jiǎng)獲得 者理查德? 費(fèi)曼的說法，光是世界上純 之又純的物質(zhì)。但是，為什么要利用光 進(jìn)行計(jì)算呢？這當(dāng)然有一些更實(shí)際的理 由。其中之一是，光線的傳播速度，或 者更確切地說，連續(xù)不斷的光子的傳播 速度比其他任何物質(zhì)都快。與光子比起 來，形成電流的電子的運(yùn)動(dòng)慢得就像蝸 牛爬。更重要的是，光子之間不像電子 那樣相互作用。幾條獨(dú)立的光束相互之 間

8、可以直接穿過，因此，可以在同一條 狹窄的通道中傳輸數(shù)量大得難以置信的 數(shù)據(jù)。如圖 1 ，圖中上部分的是電子線 路連接時(shí)的情況，下部分的是光子線路連 接時(shí)的情況。電子線路不與許交叉， 必須繞過，而光線則運(yùn)行交叉通過。 綜上所述，我們不難總結(jié)出光計(jì)算機(jī)的幾 個(gè)特點(diǎn)：尺寸小、集成密度高、運(yùn)行速度快、發(fā)熱少、強(qiáng)大的并行處理能力、用 于人工智能、其他。三、光計(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 光計(jì)算機(jī)的發(fā)展取決與光計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，從上個(gè)世紀(jì) 8 0 年代開始，光 計(jì)算 便受到了世界上個(gè)先進(jìn)工業(yè)國家的高度重視，然而時(shí)至今日，光計(jì)算機(jī)還 處于研究實(shí)驗(yàn)階 段，目前已經(jīng)研究成功的光計(jì)算機(jī)普遍是光與電子結(jié)合的混合 型的計(jì)算機(jī)。目前最

9、成功的光學(xué)數(shù)字處理器是由Be l l實(shí)驗(yàn)室演示的，由4 x 8單元的反射 型S- SEED列陣組成NOR邏輯門模塊。所有光學(xué)元件是為了滿足 兩束光的垂直入射 讀寫和反射輸出的空間互連而設(shè)置的。整個(gè)模塊以流水線型 體系串聯(lián)， 運(yùn)算次 數(shù) 10 的六次方每秒， 尺寸一米見方。采用平面光學(xué)技術(shù)可 將尺寸縮小到2 x 3英 寸。比較成功地應(yīng)用非線性光學(xué)器件的處理器還有：使 用BEAT器件的細(xì)胞邏輯 處理器和使用VST EP器件的雙軌邏輯平行處理器。慕 尼黑大學(xué)納米科學(xué)中心的威克斯福斯已經(jīng)制作了一個(gè)觸發(fā)器的光模擬系 統(tǒng)。我 們都知道計(jì)算機(jī)利用0 和1 進(jìn)行計(jì)算，這種非此即彼的邏輯是通過一 種 名為觸發(fā)器

10、的固態(tài)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。觸發(fā)器狀態(tài)可以為 0 或 1 這兩種狀態(tài)中 的 一種。更重要的是，觸發(fā)器狀態(tài)必須保持足夠長的時(shí)間，以便在下一個(gè)時(shí)鐘 周 期對(duì)其進(jìn)行存取。在目前計(jì)算機(jī)以千兆赫茲速度運(yùn)行的情況下，這就意味著 觸 發(fā)器狀態(tài)需要幾微秒的穩(wěn)定性。只要幾微秒！你可能覺得太簡單了。然而， 事 實(shí)并不那么簡單。在合適條件下當(dāng)一種材料上出現(xiàn)一個(gè)光子時(shí)，這個(gè)光子會(huì) 從 原子上趕走一個(gè)電子。這時(shí)的原子為帶正電的原子，而這時(shí)你得到的是一種 電荷分離 的條件。其實(shí)這時(shí)你已經(jīng)創(chuàng)造了一種 狀態(tài) ?？墒沁@種狀態(tài)穩(wěn)定嗎？ 當(dāng)然不穩(wěn)定。僅僅在千萬億分之一秒后，負(fù)電子就會(huì)與帶正電的原子重新結(jié)合。 這段時(shí)間太短了，根本沒有什么用。

11、威克斯福斯和他的小組所做的工作就是在 trbbadboy 這個(gè)材料表面加電，最后形成一種波形化電場(chǎng)。這種電場(chǎng)使電子可以 隨波而動(dòng) ，使電子在電場(chǎng)消失前人為地與原子分離。該小組已經(jīng)取得了 35 秒的分離時(shí)間， 足夠?yàn)槟壳暗挠?jì)算機(jī)所使用了。威克斯福斯既感到高興又非常 謹(jǐn)慎，他說： 我們?nèi)蕴幵趧倓偲鸩降碾A段。與今天的計(jì)算機(jī)相比，我們目前的 情況就像剛剛 發(fā)明了電容器。 澳大利亞國立大學(xué)的物理學(xué)家杰文? 朗戴爾及 其同事利用新型光陷阱，首次 成功地將一個(gè)光脈沖凍住 了足足1秒鐘的時(shí) 間，這是以前最好成績的1 0 0 0倍。將凍住光束的時(shí)間大大延長，意味著 可能據(jù)此找到實(shí)用方法，來制造 光計(jì)算機(jī)或量子計(jì)

12、算機(jī)用的存儲(chǔ)設(shè)備。 目前世 界上第一臺(tái)光計(jì)算機(jī)，已有歐共體的英國、比利時(shí)、德國、意大利和法國的 70 多名科學(xué)家和工程師合作研制成功。這首一臺(tái)全光數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)，而 且器運(yùn)算速 度比普通的電子計(jì)算機(jī)快 1 0 0 0 倍。四、光計(jì)算機(jī)發(fā)展展望 與電子計(jì)算機(jī)相比，光計(jì)算機(jī)有著十分明顯的優(yōu)勢(shì)，但人類對(duì)光學(xué)世界的了 解遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及對(duì)電子世界的了解，雖然各發(fā)達(dá)國家都加大了對(duì)光計(jì)算機(jī)的研究，由 于光計(jì)算研究的難度太大導(dǎo)致光計(jì)算機(jī)一直都只是躺在實(shí)驗(yàn)室中。然而光計(jì)算 機(jī) 的前景是顯而易見的，尤其是在取代大型機(jī)和在科研機(jī)構(gòu)使用中有著光明的 未 來。 對(duì)于是否會(huì)取代我們現(xiàn)在所熟悉的個(gè)人電腦，我覺得這是個(gè)沒必要去深 究的 問題，至少現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)的處理速度還能滿足我們使用了，至少現(xiàn)在 光計(jì)算 機(jī)還沒法走向我們的桌面。然而當(dāng)技術(shù)足夠成熟了，當(dāng)我們對(duì)計(jì)算機(jī)有 了更為苛 刻的要求的時(shí)候，便自然會(huì)有新的產(chǎn)品走向我們的桌面了，至于這產(chǎn) 品是不是光 計(jì)算機(jī)，我想只有時(shí)間才能夠去驗(yàn)證了。 伴隨這上個(gè)世紀(jì)激光技術(shù) 的問世，這個(gè)世界被激光深深的變革