时代终结者–光子计算机、永别了进度条!

时代终结者–光子计算机、永别了进度条! （转）

在科学发展过程中，人们先研究光，然后才研究电。1947年晶体管的发明，引发了电子学和电子集成电路的快速发展。如今，用硅制作的电子集成电路、计算机已经进入千家万户。计算机的速率已经到达千亿次比特/秒，还能够进一步提高计算机的运行速度吗？人们将目光转向传输速度更快的“光”了。事实上，“电”能够完成的功能就不必采用“光”，而“电”难以完成的功能就需要采用“光”，这就是光子学出现的原因。

地球上硅的含量很多，仅次于氧，而且硅的提纯技术已经达到很高的水平。近年来，人们发现硅不但是很好的电学材料，还是很好的光学材料。用标准CMOS工艺制造的硅光子集成线路，与电子集成电路兼容，成本低、易制造、便于控制，优点是其它光子材料无法比拟的。将光引入到芯片与芯片，以及芯片内各部分之间的数据连接中，形成高速率、低损耗的光互连，这场发生在计算机领域的光子革命由此拉开了序幕。

不久前，英特尔公司成功研制出了世界上第一个集成了激光器的硅光子数据连接系统，它可以实现长距离、高速率的数据传输，传输速率高达500亿比特/秒。这项技术旨在把高带宽、低成本的光通信技术引入到各种计算机设备中，它预示着光子将在计算机领域取代电子成为实现数据连接的主要载体，是计算机发展史上一个重要里程碑。

time terminator photon computer farewell to the progress bar

近年来，硅光子器件接连取得重大突破，如混合型硅激光器、高速硅电光调制器以及硅基长波长光电探测器等。英特尔公司采用不同的硅光子器件组成一个完整的光收发模块，它包含了发射器芯片和接收器芯片。在发射器芯片上，由激光器产生连续激光，随后光进入光调制器，用电脉冲对光作数据编码，速率是125亿比特/秒，一共有4路，都集中到一条光路输出，总容量就达到500亿比特/秒；在接收器芯片上，先将接收到的4条光束分离，分别输入到光电探测器中复原为电信号。由于数据是在光路中传输，因此连接系统的传输带宽大，功耗也很低。

半个世纪以来信息技术的发展表明，用光子代替电子实现数据连接是不可阻挡的历史潮流。光纤逐步取代铜电缆，从骨干网到城域网，再到局域网，直至现在备受关注的接入网，呈现“光进铜退”的大趋势。在计算机技术迅猛发展的今天，光子攻占电子领地，不断向计算机的周围及其内部逼进，在机柜之间、电路板之间、芯片之间、甚至芯片内，传统的电互连正一步一步被光互连所取代。只不过，在芯片上传输光的并不是光纤，而是集成的硅基光波导。

用光子代替电子传输计算机数据，将彻底改变未来计算机系统的设计与构架方式。现在的计算机都是通过金属线互相连接，受制于带宽，金属线的长度十分有限。使用光传送数据，就能把分散在各个角落的组件连接起来，从而帮助数据中心提高性能和容量，节约空间与能源，构建更强大的超级计算机。

国英特尔公司日前宣布，已实现硅光子数据连接，数据传输速度高达每秒500亿比特（50Gbps），相当于每秒传送一部高清晰电影的速度；下一步的目标是实现每秒1万亿比特（1Tbps），这足以将一台计算机上的所有信息在1秒钟内传递到另外一台计算机上。

这项成果是人类在硅光学通信领域取得的里程碑式的进展。随着光通信嵌入芯片处理器之中，构建高能效超级计算机系统的梦想不再遥远。

我们知道，现在的电脑靠电子在线路中的流动来处理信息，电子的速度约为光速的1/1500（光的速度为30万公里/秒），电子在半导体内的传输速度约每秒 60—500公里。在电脑中，电子是通过相互绝缘的铜线路来传导的，随着线路装配密度的提高，信号会出现衰减，散发的热量也在增加，且线路之间还产生电磁作用，致使超大型电路集成度受到限制，从而制约了电脑运行速度的提升。

与电子不同，光子不仅传播速度快，而且具备电子所不具备的频率和偏振等性能，即使在光线相交的情况下，彼此之间也不会相互影响。这使得科学家能够在极小的空间内开辟很多的信息通道（例如，贝尔实验室的光学转换器就可以做得很小，以致在不到2毫米直径的器件中，可装入 2000多个通道）。同时，利用反射镜、棱镜等光导向装置以及光电装置，可随意调节光子流。此外，还有极为理想的光辐射源——激光器可供使用。在此基础上，可以实现基于光学和量子原理的高速高效的计算和通信。

光脑是靠一小束低功率激光进入由反射镜和透镜组成的光回路来进行“思维”的。利用激光产生的光粒子束对信息进行编码，以光波为载波代替电子通信，它同样具有存储、运算和控制等功能。用光路代替电路，用超细超轻的光纤替代铜线，计算机可在更长的距离上、以更高的速度、传输更多的数据；下一步如果以人造有机分子薄膜对光子流进行调节，信息的移动与处理将更加迅速。这将从根本上改变未来计算机的设计模式，以及数据中心的构建方式。

那么光脑比电脑有哪些优点呢？就像光纤与铜线之间的差别一样，光脑能实现平行运算，具有更高的运算速度，光脑的运算速度比电脑快千倍以上，光脑的并行处理能力强，它在 1小时内解决的问题在电脑上需要花费 11年；光脑传递信息的平行通道的密度实际上是无限的，一枚直径5分硬币大小的棱镜，它的通过能力超过全世界现有电话电缆的许多倍，且彼此之间互不干扰；光脑的信息存储量更大，一只12厘米的激光软盘能储存约为25万个印刷页的信息量。另外，光脑只需要电脑所需能量的一小部分就能驱动，可大大减少机器产生的热量。考虑到社会上巨大的计算机使用量，光脑可节约能源数量将是天文数字。

光脑以其强大的功能，将有助于解决现今许多难题。举例来说，在如此高速的资料传输率下，与整面墙一样大尺寸的3D屏幕将进入家庭娱乐市场以及视讯会议，超高分辨率和巨大的通信能力，将营造出身临其境的现场效果。未来的资料中心或超级计算机，其元件可能散布在建筑物、甚至整个园区的四周，照样能进行高速的通信联系。这摆脱了笨重铜线在传输量与距离方面的限制，可使资料中心的使用者，如搜索引擎公司、云端运算供应商、或金融资料中心等用户，不仅得到充裕的效能与容量，还能降低空间与能源带来的成本。

以光脑为基础，未来计算机网络将成为“全光网”，目前电接入方式数据高速传输的“瓶颈”这一世界性难题将迎刃而解。这将引发信息技术领域又一场深刻的革命。
当前，制造光脑的许多关键技术，如光存储技术，光互连技术，光电子集成技术等都已获得突破。科学家们正集中精力研究如何最大限度地增加光计算机的运算能力，即光开关的数量。英特尔公司正在尝试通过提高调制器的编码速度以及增加每块芯片上激光器的数量来让数据的传输速度达到1万亿比特。无需着急，成熟的可实际应用的光脑将会在近期出现。

总之，光脑前景光明，可望也可及，人们完全可以乐观地期盼全光、高速、节能、智能化、人性化的信息新时代很快就要来到。

转自：白开水的博客 » 时代终结者–光子计算机、永别了进度条!