光子计算机的发展与应用

2020-11-28谢禹庄

科技与创新 2020年1期

谢禹庄

光子计算机的发展与应用

谢禹庄

（西南交通大学物理科学与技术学院，四川成都 610031）

光子计算机以光束代替电子进行计算和存储，运算速度快，应用广泛。20世纪中期，科学家们开始研究光子计算机。光子计算机具有信号传输通畅、互连密度高、运算速度快、信息容量大、处理精度高、能量消耗小等特点。因一些关键技术和成本问题，光子计算机目前尚未实现微型化、集成化。目前，相关技术和新材料研究取得突破，未来光子计算机发展具有可期待的发展前景。

光子计算机；研究状况；制约瓶颈；发展前景

1 引言

光子计算机为一种依靠光而非靠电进行信息存储、处理、运算、操作的新型的计算机，它以光子代替电子，以光运算代替电运算。光子运动速度比电子快得多，因而光子计算机速度非常快，比现有高速电子计算机快上千倍[1]。

光子计算机在电话传输、预测天气和气候等领域应用非常广泛，为抢占光子计算机研究和应用先机，当前全球各国都不惜投入巨资研制。

2 光子计算机的运行原理及基本构成

光学计算机与电子计算机传递信息的载体有显著不同，它利用激光传送信号，以光互连代替导线互连，以光硬件代替电子硬件，以光运算代替电运算，实现数据运算、传输和存储。

构成光子计算机的光学器件和设备包括激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等。光子晶体管、光逻辑元件、光子存储器件、光子探测器件、光空间调制器件等功能元器件通过调整相位、偏振、振幅、强度或波长等参数形成。将多种光电元器件集中在一块芯片上，形成光子集成器件，进行光信号高速传输与处理[2]。

光子计算机包括光模拟信号计算机、全光数字信号计算机、光智能计算机三类[3]。光模拟信号计算机直接利用光学图像的二维性，结构简单，但为并行快速计算，且信息容量大，广泛用于卫星图片处理和模式识别等。全光数字信号计算机采用电子计算机的结构，但用光学逻辑元件（光控制器、光存储器和光运算器等）取代电子逻辑元件，用光子互连代替导线互连。光智能计算机以并行处理（光学神经网络）为基础，是基于人工智能的最新技术。

3 光子计算机的研究状况及成果

1969年，美国麻省理工学院研究人员开启光子计算机研究。1982年，英、法、德、意大利、比利时等国8所高校启动合作研究，并于90年代中期研制出第一台光子计算机。1984-06，IBM研发第一台能够正常工作的光子计算机，但只能在接近绝对零度的环境下工作。1990年，贝尔实验室成功研制一台由棱镜、透镜和激光器等元器件构成的光电混合型计算机。2006年，哈佛大学的研究者通过“冷冻”超低温原子控制光线，形成光学电脑中央处理器（CPU）。 2008年，英特尔公司研究者使用基于硅的雪崩光电探测器实现创世界纪录的高性能，奠定了降低光学链路成本的基础。2012年，美国宾夕法尼亚大学研究者用硫化镉纳米线研制出全光光子开关。美国加利福尼亚大学（UC）圣地亚哥分校研究者研制出能使光停住并长时间保留在光腔中的超材料设备[4]。2015年，美国杜克大学研究者研发出每秒钟能够开关900亿次的 LED灯管，奠定了光子计算机的硬件基础[5]。2015年，麻省理工学院的研究者研制出一种可以与传统的计算机结合进行深度学习的新型光学计算芯片。2017年，美国普林斯顿大学研究者研制出首枚可实现超快速度计算的光子神经形态芯片，利用光子解决了神经网络电路速度受限的难题。

中国一些高校和科研机构也积极开展光子计算机研究。2000年，上海大学金翊教授研究提出三值光学计算机（Ternary Optical Computer，简称 TOC）[6]。2017年，金翊教授研究团队完成三值光学计算机原型机并行运算测试。

4 光子计算机的主要特点

与电子计算机相比，光子计算机具有很多优势和鲜明的特点[7]，主要包括以下特点。

4.1 信号传输通畅

光子不带电荷，不存在电磁场相互作用。光信号传输具有并行性，在自由空间中平行或相互交叉传播，彼此不发生干扰。光波频率约是电信号频率的104～105倍，以光波为载波，信号带宽可达106～107 MHz，将拥有非常多的通道数量。

4.2 互连密度高

光子无静止质量，可以在真空、介质中传播，可以交叉互连，抗干扰效果特别好。光子计算机芯片通过光互连，不受电磁干扰，互连密度很高。

4.3 运算速度快

光子的速度为3×108m/s，光子计算机比电子计算机运算处理速度快1 000倍。光子计算机器件可进行四进制计算和三进制计算，因而运算速度成倍提高。

4.4 信息容量大

光子计算机的光辐射源为激光器，光子的传导不需要导线，信息通过能力超过现有电话电缆通道的许多倍[8]。

4.5 处理精度高

因为光子速度快，互连长度延时差小，处理精度非常高。使用光信号运算处理，避免了光信号、电信号相互转化及处理可能的错误，能够智能识别文字、图像、手势以及声音。光子计算机中单个元件失零，不会影响运算处理，容错率很高[9]。

4.6 能量消耗小

驱动光子计算机所需能量远远小于同类规格电子计算机，这也有效降低了电能消耗，减少了计算机运行散发的热量，也为光子计算机微型化、便携化提供了基础。

5 光子计算机的发展瓶颈及突破方向

光子计算是计算科学领域的“明日之星”，但三方面因素制约和影响其规模发展和广泛应用。

5.1 技术问题

光学器件体积一般比较大，要将光路缩小比较困难，要集成到芯片级别更加困难。因而，光学器件的微型化、集成化影响和制约了光子计算机研发及应用。早期的研究中，如何实现电信号与光信号互相转变、如何实现光信号在不同端点处的定向传送、如何实现光信息长期存储等瓶颈问题，一度让研究降温。

5.2 材料问题

光子器件的选材是制造业中非常重要的环节。从功能角度考虑，需要选择对光非线性材料特性系数大、光损阂值高、开关能量耗损小、开关时间短和没有色散的材料。从加工角度考虑，需要选择机械强度高、工作温度范围宽、不易氧化或者腐蚀、不易变形和易于加工，且能成为薄膜状的材料。目前还没有无可应用的、成本低廉的、可重复读写的材料。

5.3 成本问题

光电技术的优势作用与芯片级平台，不仅只要技术，还要实现低成本，才可能把技术规模化。目前大多光子器件都采用砷化镓和磷化铟之类的特殊半导体制造，成本比较高，处理与封装十分复杂，很难用于单台计算机甚至区域网络。用于光存储的记录材料成本也非常高。

随着光电技术的发展和材料科学的进步，近年光子计算机研究逐渐升温。尤其是微纳加工技术的进步，使得一些瓶颈问题可能得以解决。在技术层面，当前按照两方面思路研究：①借鉴传统电子计算机思路。光子计算机主流研究思路是借鉴电子计算机的结构，以光学器件代替电子器件构建计算机。这利用了光的并行性、超高速、低功耗等特点，有赖于光子集成技术，包括单片集成和混合集成技术等。②借鉴光学神经网络思路。人工智能核心就是机器学习，神经网络是实现机器学习的算法之一。随着集成光子技术日益成熟，光运算与光学神经网络相结合的研究取得较快进展，并已经在语音识别等方面取得突破。因而，借鉴人工智能中的光学神经网络结构，以全新的并行处理为基础结构构建光子计算机成为重点研究方向。

6 光子计算机未来发展展望

光子计算机的一些关键技术仍然在不断研究中。因其运行速度快、储存信息量大、容错性强，一旦研制成功，将极大影响当前的新技术革命。

根据当前研究成果及新材料、集成技术的发展趋势，未来光子计算机可望在以下方面实现突破。

6.1 运算高速化

科学家预计，将来可能制成比现有电子计算机快1 000倍的超级光子计算机，运算速度达每秒几亿次。随着光电技术的发展，特别是光子集成技术日益成熟，光子计算机有潜力实现低功耗、高性能，开启崭新的运算时代。

6.2 机身微型化

光集成技术的发展将带来光学器件的微型化、性能稳定化，实现基于光纤或者自由空间的光运算。因而，未来光子计算机将以高性能、低价格适应市场需求。CPU的材料可能为存储量大、规模化生产后成本低廉的物质。现有计算机的主板、内存、显卡等载体未来可能弱化，功能被替代或集成到其他器件，显示器将会是超薄的无点距液态显示器。未来PDA将具有高度集成性和方便携带性，集成手提电脑、数码相机、数码摄像机、卫星定位、即时通信以及屏幕投影等功能。