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| 光计算―电脑的未来 |
| 2001/07/13 原载北京科技报 |
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| 光计算，意味着如果将今天硅芯片的处理能力与无与伦比的光速融合在一起，我们得到的将是一种令人震惊的组合，它使电路设计者看到了明天的希望。当我们试图 从银色的芯片中"榨取"更多的东西时，芯片的制造成本也变得更加昂贵，建立一家现代化芯片制造厂的费用竟高达几十亿美元。正像任何事物发展到某个阶段必须 具有革命性的改变才能继续前进一样，芯片也是如此，靠一点一点挖掘芯片技术潜力的方式将再也不能满足人们的需求。所幸现在已有很多新技术供大家选择，其中 最有发展前途的一种就是利用光。 让芯片中充满光。按照诺贝尔奖获得者理查德・费曼的说法，光是世界上纯之又纯的物质。但是，为什么要利用光进行计算呢？这 当然有一些更实际的理由。其中之一是，光线的传播速度，或者更确切地说，连续不断的光子的传播速度比其他任何物质都快。与光子比起来，形成电流的电子的运 动慢得就像蜗牛爬。更重要的是，光子之间不像电子那样相互作用。几条独立的光束相互之间可以直接穿过，因此，可以在同一条狭窄的通道中传输数量大得难以置 信的数据。 听起来很不错，不过还是让我们深入地分析一下。光学晶体管会是个什么样子？我们可以利用光来保存信息吗？先分析一下光电混合式计算机是不是更实际些呢？如 果是这样的话，光电接口该是个什么样子呢？这些都是我们在探讨百万次或万亿次浮点计算的能力前必须解决的基本问题。 来自德国慕尼黑的发明。慕尼黑大学纳米科学中心的威克斯福斯正在对上面提到的一个基本问题进行研究，制作一个触发器的光模拟 系统。我们都知道计算机利用"0"和"1"进行计算，这种非此即彼的逻辑是通过一种名为触发器的固态设备实现的。触发器状态可以为"0"或"1"这两种状 态中的一种。更重要的是，触发器状态必须保持足够长的时间，以便在下一个时钟周期对其进行存取。在目前计算机以千兆赫兹速度运行的情况下，这就意味着触发 器状态需要几微秒的稳定性。只要几微秒！你可能觉得太简单了。然而，事实并不那么简单。在合适条件下当一种材料上出现一个光子时，这个光子会从原子上赶走 一个电子。这时的原子为带正电的原子，而这时你得到的是一种"电荷分离"的条件。其实这时你已经创造了一种"状态"。可是这种状态稳定吗？当然不稳定。仅 仅在千万亿分之一秒后，负电子就会与带正电的原子重新结合。这段时间太短了，根本没有什么用。威克斯福斯和他的小组所做的工作就是在这个材料表面加电，最 后形成一种波形化电场。这种电场使电子可以"随波而动"，使电子在电场消失前人为地与原子分离。该小组已经取得了35秒的分离时间，足够为目前的计算机所 使用了。威克斯福斯既感到高兴又非常谨慎，他说："我们仍处在刚刚起步的阶段。与今天的计算机相比，我们目前的情况就像刚刚发明了电容器。" 全息存储技术。信息的长期存储是否可行呢？压缩光盘是一种光存储形式。一张CD盘可以存储640兆字节的数据，足够保存1小 时15分钟的高保真音乐或30多万页的隔行打印文本。种种迹象表明，这类大规模存储技术进而为研究存储量更大、价格更低廉的介质提出了需求。DVD正是在 这种需求的发展中应运而生的。 在一张CD大小的盘上保存更多的数据（千亿字节数量级）需要采取不同技术，诸如全息照相技术。我们可以把光线看成光波，就像水塘中的水波一样，光敏材料中 的两股或多股光波在交汇点会产生特殊的干涉图案。全息照相存储的主要优势在于可记录三维信息和一次同时读出一整页数据。其结果是给我们带来了一种可以存储 千亿字节数据，能以每秒10亿多比特传输数据，并能以不到100微秒的时间随机选取数据的新介质。 由于信息是保存在干涉图案中的，因此必须发明一种方法来正确地将干涉图案"写入"到介质中。我们可以用一块液晶显示屏幕将"1"、"0"形式的数据转换为 屏幕上透明或不透明的小方块，然后让一束蓝绿激光束照射到这个拼写图的图案上来生成信号，再将此信号与基准信号相干涉，最后将形成的图案记录到通常为水晶 的介质中。重现保存的数据很容易。你所要做的只是利用激光束照射水晶反向重复刚才的步骤，然后将恢复的数据页投射到可以检测亮点和黑点的光电检测器阵列 上，这样一次就可恢复全部数据。 逐步走向成熟。每种技术都有其兴衰的过程，光计算也是这样。在20世纪80年代和90年代，光计算是科学界顶礼膜拜的偶像。但现在不再是这样了。确切地说，更现实和成熟的手段在不知不觉中出现了。 当芯片的速度越来越快时，我们发现关键的问题不是数据的处理，而是移动数据的过程。设计者知道，传统铜线（或者像我们芯片内部的铜线一样，叫内部连线）移 动电信号的速度是有限的。随着数据传输的速度越来越快，内部连线越变越窄，"1"与"0"之间的区别开始模糊。此外，传输电信号的导线还向附近辐射干扰信 号，如何屏蔽这些干扰信号成为重要问题。科研人员正在寻找更好的替代方案。科学家认为光连接是解决问题的关键。 光连接原则上很简单，首先，电信号被转换为"开"或"关"的光信号；然后，将这股闪烁的光流经过由镜子和棱镜组成的网络投射到需要数据的地方。在接收端的 一组镜头将信号聚焦在一个微型的光电池上，这个光电池将闪烁的光信号重新转换为电脉冲序列。一些人甚至谈论在实际的芯片内部采用光学部件。专家认为，光信 号穿过微处理器所需的时间很关键，如果能够在芯片上建立一条光链路，那么将非常有用。 美国国家航空航天局的工程师对待光学部件的态度非常认真。其目标是在2010年能研制出每秒可以进行成千成亿次计算的大规模并行计算机。美国科学家认为，这种机器必须采用光学计算机。 |
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