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光子計算機是一種由光信號進行數字運算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計算機。它由激光器、光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件和設備構成,靠激光束進入反射鏡和透鏡組成的陣列進行信息處理,以光子代替電子,光運算代替電運算。光的并行、高速,天然地決定了光子計算機的并行處理能力很強,具有超高運算速度。光子計算機還具有與人腦相似的容錯性,系統中某一元件損壞或出錯時,並不影響最終的計算結果。光子在光介質中傳輸所造成的信息畸變和失真極小,光傳輸、轉換時能量消耗和散發熱量極低,對使用環境條件的要求比電子計算機低得多。

1 光子計算機 -簡介

光子計算機光子計算機

1990年初,美國貝爾實驗室製成世界上第一台光子計算機。光子計算機是一種由光信號進行數字運算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計算機。光子計算機的基本組成部件是集成光路,要有激光器、透鏡和核鏡。
由於光子比電子速度快,光子計算機的運行速度可高達一萬億次。它的存貯量是現代計算機的幾萬倍,還可以對語言、圖形和手勢進行識別與合成。
目前,許多國家都投入巨資進行光子計算機的研究。隨著現代光學與計算機技術、微電子技術相結合,在不久的將來,光子計算機將成為人類普遍的工具。

2 光子計算機 -優點

(1)超高速的運算速度。光子計算機并行處理能力強,具有更高的運算速度。電子的傳播速度是593km/s,而光子的傳播速度卻達3×10↑5km/s,對於電子計算機來說,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,即使在最佳的情況下,電子在固體中的運行速度也遠遠不如光速,儘管目前的電子計算機運算速度不斷提高,但它的能力極限還是有限的;此外,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,散發的熱量也在逐漸增加,從而制約了電子計算機的運行速度;而光子計算機的運行速度要比電子計算機快得多,對使用環境條件的要求也比電子計算機低得多。

(2)超大規模的信息存儲容量。與電子計算機相比,光子計算機具有超大規模的信息存儲容量。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有電話電纜通道的許多倍。

(3)能量消耗小,散發熱量低,是一種節能型產品。光子計算機的驅動,只需要同類規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的熱量,而且為光子計算機的微型化和便攜化研製,提供了便利的條件。科學家們正試驗將傳統的電子轉換器和光子結合起來,製造一種「雜交」的計算機,這種計算機既能更快地處理信息,又能克服巨型電子計算機運行時內部過熱的難題。

目前,光子計算機的許多關鍵技術,如光存儲技術、光互連技術、光電子集成電路等都已經獲得突破,最大幅度地提高光子計算機的運算能力是當前科研工作面臨的攻關課題。光子計算機的問世和進一步研製、完善,將為人類跨向更加美好的明天,提供無窮的力量。

3 光子計算機 -電子計算機弊端

我們知道,任何金屬導線都存在電阻和電容。從電磁學基本知識也知道,電阻和電容的結合會給在導線中傳播的電子產生「阻力」,減低它在導線中傳播的速度(傳播速度大約只有光波在真空中傳播速度的千分之一),這個現象又稱時鐘扭曲。由於存在這樣一些問題,相應地也就出現這樣的後果:電子對迅速的外來變化反應「遲鈍」。當傳遞信息的載波頻率很高(即信號變化速率很快)時,在導線上傳遞的電信號實際上跟不上要傳遞的信息信號變化。結果呢,就如同相聲演員念繞口令,念得過快,舌頭反應跟不上,念錯了或走了調那個樣子,被傳遞的信號要發生畸變,計算機的運算髮生錯誤。其次,電子計算機的中央處理機雖然能夠迅速處理數據,主存貯器能夠吞吐大量的數據。但因為所有的數據信號都必須經過匯流排傳遞,而匯流排的電流密度如果太大,產生的電磁干擾也大。因此,電子計算機也會出現類似於高速公路交匯口由於狹窄,車輛通行速率受限制的現象,計算機和運算速度也受到了限制。還有,計算機使用的集成電子器件,它們因為受量子效應干擾,集成密度受到限制,理論上的集成密度最高為每塊晶元10億個晶體管(在實際上達到的數量比這個數還要低許多)。光計算機優勢不用電子,用光子做傳遞信息的載體,就有可能克服前面談到的那些限制,製造出性能更優異的計算機。用光子做傳遞信息的載體有以下幾方面的好處:
1、光子不帶電荷,它們之間不存在電磁場相互作用。在自由空間中幾束光平行傳播、相互交叉傳播,彼此之間不發生干擾,千萬條光束可以同時穿越一隻光學元件而不會相互影響。一隻的光學系統,能夠提供5*10^5行傳輸信息通道;一隻質量好的透鏡能夠提供條信息通道。如果用光波導傳輸,光波導也可以相互穿越,只要它們的交叉角大於左右就不會有明顯的交叉耦合。上述的性質又稱光信號傳輸的并行性。
2、光子沒有靜止質量,它既可以在真空中傳播,也可以在介質中傳播,傳播速度比電子在導線中的傳播速度快得多(約1000倍),也就是說,光子攜帶信息傳遞的速度比電子快計算機內的晶元之間用光子互連不受電磁干擾影響,互連的密度可以很高。在自由空間進行互連,每平方毫米面積上的連接線數目可以達到5萬條,如果用光波導方式互連,可以有萬條。所以,用光子做信息處理載體,會製造出運算速度極高的計算機,理論上可以達到每秒1000億次,信息存儲量達到10^18位。這種計算機稱為光子計算機。
3、超高速的運算速度。光子計算機并行處理能力強,因而具有更高的運算速度。電子傳播速度是593km/s,而光子的傳播速度卻達3×10

4 光子計算機 -研製子計算機

科學家研製光子計算機巴斯大學(UniversityofBath)的物理學家正在進行一個項目,想研製出一種計算機,可以用光子代替傳統的電子來運作。

這個項目由工程及物理科學研究理事會(EngineeringandPhysicalSciencesResearchCouncil)發起,總投資82萬英鎊。這項研究將推動光子物理的發展,同時也給了物理學家從原子級別觀察世界的一次機會。

在過去四十來年裡,摩爾定律一直在發揮它的威力,晶元廠商們將產品越做越小,以至於晶體管之間的相互作用會造成嚴重影響。於是工程師們開始將目光投注在光子方面,想利用光子來傳輸信息。

他們採用新型光子晶體光纖作為傳輸器材,比其傳統光線來,新材料的損耗要小得多。「如果成功,這將是近五十年來計算機技術的一次革命」項目領導者Benabid博士說。

5 光子計算機 -計算機展望

相信在看這篇文章的人對PC已經有一定的認識,對PC的過去我也就不多說了,摩爾定律完全掌握著我們可以遇見的未來,而摩爾定律失效將會出現在0.2nm工藝製作晶元的時候,因為那已經一個原子的直徑了。但在這之前或之後很短的時間內光子計算機將會取代電子計算機,那時光子計算機就像我們現在使用的電子計算機一樣流行,因此我對未來的PC的預測是建立在光子計算機的基礎上:PC將會分為兩個支線,一個是台式機,台式機不會被淘汰,它繼續以高性能價格比佔據著市場的大部分。現在的PDA將會是另一個分支的雛形,它甚至會將手提電腦淘汰,原因下文我說到。(下文所提到的計算機除特別指出,否則都是指光子計算機)

我先來說說未來的台式機,台式機不會因為PC的極度發展而消失,相反它比任何一種其他機型更能適應市場的發展需求,台式機將會以高性能,低價格作為發展之路,光子台式機的整個架構將會是以光信號取代現在的電信號,光信號經輸入設備觸發,經傳送到CPU處理后,再按輸出。其實原理跟現在的電子計算機一樣,只不過所有通信都是有光信號完成。下面簡單預測每個配件。

CPU:作為光子計算機核心,它仍然會作為一個獨立產品來被開發和研究,至於它的材料應該會是一種存儲量大,當規模生產之後會變得相當便宜的物質。

主板:或者說是光信號生成或傳送器更加貼切一些,但這個物件可能會消失。在未來主板不再與現在的主板同等重要,因為光信號生成可能會在電源中完成,而光信號傳送途徑可以簡單地透過CPU與其他物件的連接實現。這樣主板就不再有存在的理由了。

硬碟與內存:光子計算機中硬碟會完成現在內存和硬碟的工作,內存將消失。現在計算機的原理被改變,處理器直接可以在高速硬碟中讀取、運行、處理數據。但現有的光存儲器的速度實在不可以實現,因此現在的光儲存器在將來只會作為廉價的備份或複製轉移設備。新的儲存器將會是一種可透光的液態存儲器,數據直接紀錄在每個原子上,以高速運動的原子實現數據的高速讀取,從而取代內存。

顯卡與顯示器:顯卡將會與顯示器集成,或消失,現在的液晶顯示器是未來顯示器的雛形,未來的顯示器將會是無點距液態顯示器,同樣是像現在的顯示器一樣是超薄顯示器,顯示器面板上將會有一種受激會發光的物質,以每一原子為發光單位來顯示圖形,實現無點距顯示。

現在未來的台式光子計算機已經基本成行了,其他配件也像現在的PC一樣,按自己的需要DIY。未來PC的另一個分支就是未來的PDA,現在PDA已經是一個很好的概念了,只是它現在實在是處於發展的起步,難成氣候。在理論上說,只有工藝足夠高的話,所有原件都可以集成一塊晶元上,於是未來的PDA會從這點出發,也高度集成性和方便攜帶性而成為PC的另一個分支。說它是PC的一個分支,因為它首先要集成手提電腦的全部功能,它還會集成現在的數碼相機、數碼攝像機、GPS等的功能,另外它還要實現即時通信功能,如同現在的手機一樣。

未來的PDA大小應該比現在的手機小一點點,你可以見到PDA很可能跟現在的手機一樣,只有簡單的幾個按鍵和一個不太大的彩色屏幕。但不要小看它,它將可以實現手提電腦的全部功能,PDA上將會集成一個投射屏幕投射器,投射屏幕能在空氣中、不需要任何其他物品就可以形成影像。PDA可以完全實現聲控功能,萬一有需要時,它還可以透過投射器顯示出來的一個全尺寸鍵盤,你可以在這個投射鍵盤上實現鍵盤輸入。
計算機

量子計算機是根據原子或原子核所具有的量子學特性來工作,運用量子信息學,基於量子效應構建的一個完全以量子位(量子比特)為基礎的計算機。它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態,利用激光脈衝來改變分子的狀態,使信息沿著聚合物移動,從而進行運算。

量子計算機有自身獨特的優點和廣闊的發展前景。首先,量子計算機能夠進行量子并行計算,理論上可達每秒一萬億次,足夠讓物理學家去模擬原子爆炸等複雜的物理過程。其次,量子計算機用量子位存儲數據。再次,量子計算機具有與大腦類似的容錯性,當系統的某部分發生故障時,輸入的原始數據會自動繞過損壞或出錯部分,進行正常運算,並不影響最終的計算結果。量子計算機不僅運算速度快,存儲量大、功耗低,而且高度微型化和集成化。

1982年,美國物理學家費勒曼提出了量子計算機的基本構想。2001年底,美國IBM公司的科學家專門設計的多個分子放在試管內作為7個量子比特的量子計算機,成功地進行了量子計算機的複雜運算。目前正在開發中的量子計算機有核磁共振量子計算機、硅基半導體量子計算機和離子阱量子計算機。據專家預見,再過30年左右,量子計算機將普及,量子計算設備將可以嵌入到任何物體當中去,雖然,目前還很難想象放在口袋中的超高速計算機是什麼樣子,還有直徑只有幾十厘米的人造衛星。

生物計算機

生物計算機,即脫氧核糖核酸(DNA)分子計算機,主要由生物工程技術產生的蛋白質分子組成的生物晶元構成,通過控制DNA分子間的生化反應來完成運算。運算過程就是蛋白質分子與周圍物理化學介質相互作用的過程。其轉換開關由酶來充當,而程序則在酶合成系統本身和蛋白質的結構中明顯表示出來。上世紀70年代,人們發現DNA處於不同狀態時可以代表信息的有或無。DNA分子中的遺傳密碼相當於存儲的數據,DNA分子間通過生化反應,從一種基因代瑪轉變為另一種基因代碼。反應前的基因代碼相當於輸入數據,反應后的基因代碼相當於輸出數據。只要能控制這一反應過程,就可以製成DNA計算機。

生物計算機以蛋白質分子構成的生物晶元作為集成電路。蛋白質分子比電子元件小很多,可以小到幾十億分之一米,而且生物晶元本身具有天然獨特的立體化結構,其密度要比平面型的硅集成電路高五個數量級。生物計算機晶元本身還具有并行處理的功能,其運算速度要比當今最新一代的計算機快10萬倍,能量消耗僅相當於普通計算機的十億分之一。生物晶元一旦出現故障,可以進行自我修復,具有自愈能力。生物計算機具有生物活性,能夠和人體的組織有機地結合起來,尤其是能夠與大腦和神經系統相連。這樣,植入人體的生物計算機就可直接接受大腦的綜合指揮,成為人腦的輔助裝置或擴充部分,並能由人體細胞吸收營養補充能量,成為幫助人類學習、思考、創造和發明的最理想的夥伴。

美國計算機科學家倫納德·艾德曼已成功研製出一台DNA計算機,他說:「DNA分子本質上就是數學式,用它來代表信息是非常方便的,試管中的DNA分子在某種酶的作用下迅速完成生物化學反應。28.3克DNA的運行速度超過了現代超級計算機的10萬倍。」DNA計算機的外形象普通小盒子。有非常薄的玻璃外殼,裡面裝著肉眼看不見的多層蛋白質,蛋白質間由複雜的晶格連結。這種精巧的蛋白質晶格里是一些生物分子,也就是生物計算機的「集成電路」。專家普遍認為,DNA分子計算機是未來計算機的發展方向之一。

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