光腦,即光計算機(jī)(Photon Computer),將是未來更加先�(jìn)的計算機(jī),利用光的傳播速度比電子速度快的原理制成。目前軍用光�(xué)CPU已被成功研制�
美國哈佛大學(xué)的科�(xué)家在2006年宣布,用超低溫原子來“冷凍”并控制光線,就能構(gòu)成光�(xué)電腦的“心臟”——中央處理器(CPU)。光腦以比傳�(tǒng)電子�(shè)備快10倍的�(shù)�(jù)傳輸速度,一舉沖破了硅技�(shù)的速度極限�
這項(xiàng)研究是利用光線代替電子�(jìn)行信息處理的超速電腦開�(fā)方案的重大突�。作為全球“慢光”研究的�(quán)威之一,哈佛大�(xué)的Lene Hau教授�(lǐng)�(dǎo)的研究小組由于能有效降低光線速度而聞名世�。他們用一種含有超低溫鈉原子團(tuán)的設(shè)備,把光速由每秒30萬千米(真空中的光速)降低到自行車的正常騎行速度,甚至成功地“凍�(jié)”了光線。Hau�,這項(xiàng)技�(shù)可用來制作下一代光�(xué)電腦的存儲設(shè)備�
Hau的一個研究項(xiàng)目是直接針對光學(xué)電腦的相�(guān)技�(shù)開發(fā)。她通過計算證明,一種稱為玻色—愛因斯坦凝聚(BEC)的超低溫原子團(tuán),可用于光線的“可控連貫�(shù)�(jù)處理”。在普通物�(zhì)�,光脈沖的振幅和相位都會逐漸變淡,儲存的一切信息隨之損�。而Hau博士的“慢光”實(shí)�(yàn)研究證明,在BEC中光線的這些屬性都被保留下來,而這樣的設(shè)備終有一天能“�(jìn)化”成光學(xué)電腦的CPU�
隨著技�(shù)�(fā)展,傳統(tǒng)電子計算�(jī)的體積和速度不斷逼近理論上限,“集成電路集成度�18個月翻一番”的摩爾定律終將難以為繼。不少科�(xué)家相�,總有一天光�(xué)電腦將憑借其更小的體�、更快的速度,帶來一場新的技�(shù)革命�
光腦是由光導(dǎo)纖維與各種光�(xué)元件制成的計算機(jī)。它不像普通電腦靠電子在線路中的流動來處理信息,而是靠一小束低功率激光�(jìn)入由反射鏡和透鏡組成的光回路來�(jìn)行“思維”的,但同樣具有存儲、運(yùn)算和控制等功��
計算�(jī)的“本�(lǐng)”大�,主要決定于兩個因素:一是計算機(jī)部件的運(yùn)行速度;二是它們的排列緊密程度。在電磁波里�,光比現(xiàn)在計算機(jī)�(nèi)部的工作頻段要高得多,可以攜帶更多的信息,且傳播損耗較小,這使得光通信系統(tǒng)吞吐率極�,能耗極�。另�,超大型集成電路�,一些片狀器件的線腳已�(dá)300多只,排列密度受到限�。而光束可以相互穿�,互不干�,這使得科�(xué)家能夠在極小的空間內(nèi)開辟很多的信息通道。例�,貝爾實(shí)�(yàn)室的光學(xué)�(zhuǎn)換器就可以做得很�,以致在不到2毫米直徑的器件中,可裝入2000多個通道�
從理論上講,光腦的運(yùn)算速度比現(xiàn)代的電腦還要快上千�;其�,光腦器件還有信息量大的�(yōu)�(diǎn),一束光可以同時傳送數(shù)以千計的通道的信�。然而,光腦的制造在理論上和技�(shù)上還有許多問題沒有解�。作為步,科�(xué)家利用光腦驅(qū)動能量小的特�(diǎn),把電子�(zhuǎn)換器同光�(jié)合起�,制造一種光與電“雜交”的計算�(jī)�
�(guān)于光�,人們對它也許還很陌�,但制造光腦的嘗試,科學(xué)界早在上個世紀(jì)50年代就開始了,直到80年代后期可以說才有了決定意義的突�.上世紀(jì)90年代中期,世界上臺光腦已由歐共體的英國、法�、比利時、德�、意大利�70多位不同國籍的科�(xué)家研制成�.
無需輔助散熱
多數(shù)人對電腦的深入原理并沒有太深了解,但是當(dāng)家里的電腦使用時間比較長,或者天氣較熱的情況�,機(jī)箱中往往就會傳來刺耳的噪音。其�(shí)讓你感到刺耳的噪音也同樣在煩惱著計算機(jī)科學(xué)家們。因?yàn)樵陔娔X�,計算機(jī)速度越快、效率越高,熱量�(chǎn)生越大。高溫會阻礙電子元件的工作效�,所以熱量的問題就成為“電”腦速度提高的一個無法逾越的障礙�
“光”是解決這個問題的好辦�。首先,光信號在傳播�(zhì)中傳播時,所因做功而產(chǎn)生的熱是十分少的,這些微弱的熱僅需自然�(fā)散即�,無需像傳�(tǒng)計算�(jī)需要風(fēng)冷水冷等散熱�(shè)備來�(jìn)行輔助散熱;其次,因?yàn)榘l(fā)熱極為微�,所以不會因溫度而對性能造成�。光腦同�,使用過寬帶上網(wǎng)的人也有體會,接入光纖的寬帶�(yuǎn)�(yuǎn)比接入其他線路的寬帶速度要快得多,這是�?yàn)楣獾念l率要比非可見光頻段的電磁波高得多,可以攜帶更多的信息。如果使用的是光�,那么本身就會比電腦快上許多��
用光的明暗傳�(dá)信息
在我們今天使用的電腦不同,流通在電路中的是“電�,通過元件對電流“開”和“關(guān)”的控制來表�(dá)�(fù)雜的信息。而在光腦中取而代之的則是用光來傳遞信號,光的“明”和“暗”則可以代表信息的傳�。當(dāng)然,首先你必須使得芯片可以發(fā)�,而芯片所采用的材料主要是�,所以科�(xué)家們需要得到的是一束硅激��
更小的計算機(jī)
日常生活的經(jīng)�(yàn)告訴我�,當(dāng)幾束不同顏色的光相遇�,能夠相安無事、互不干擾的穿越,這樣不同頻率的光就可以攜帶不同的信息在同一條光纖通道中穿�,而電則不行。因此如果我們的“電”腦能夠變成光腦,那么當(dāng)我們同時打開許多窗口玩游戲、聽音樂和聊天的時�,甚至讓一臺計算機(jī)同時肩負(fù)多種�(fù)雜工作的時候,也不會有急劇的速度變慢�(xiàn)象了�
對于計算�(jī)來說,越快代表越聰明,低散熱問題,就意味著可以更�。因�,當(dāng)用上光腦之后,我們才有可能將整個房屋的全部事務(wù)委托給一臺小盒子那么大的計算�(jī)控制,而不是像�(xiàn)在使用穿衣柜一樣的一排計算機(jī)來管�。我們可能會使用科幻片中帶著極高速度自動行駛的汽車來緩解城市交通的壓力,而實(shí)際控制的也許是個比手掌大不了多少的計算�(jī)�
“光腦”漸�
與叫了幾十年的“電腦”相�,“光腦”似乎更時髦,而且充滿著科幻色�。試�,計算機(jī)如果以光子傳遞信息,即使光線相交也互不影�,而速度卻至少提高三個數(shù)量級,突破電子邏輯門開關(guān)的速度極限。那�,我們再也沒有金屬導(dǎo)線的高延遲,沒有令人頭疼的高�(fā)熱量,計算機(jī)更小更快、傳輸信息量更大……諸多優(yōu)越性背后的技�(shù)支撐是硅光電子學(xué)�
英特爾將硅光電子�(xué)作為其戰(zhàn)略性技�(shù)開展研究,并多次公開�(fā)表研究成��2008年年�,英特爾在《自然》上�(fā)表了在光電探測器方面的新突破,讓“光腦”再激千層�,我們多久可以擁有它,五年、十年還是更�?一時間,“光腦”話題再度升�。盡管完全“光腦”還不可�,但作為�,我們已�(jīng)看到科學(xué)家把電子�(zhuǎn)換器同光�(jié)合起�,制造出光與電混合的新一代計算機(jī)的曙��
為何鐘情硅光�
硅光子學(xué)喚起了太多人的熱�。硅光子�(xué)既是半導(dǎo)體光子學(xué)中的新興研究課題,也在發(fā)展中逐漸成為物理�(xué)、材料學(xué)、計算科�(xué)、通信�(xué)等多�(xué)科綜合的一門交叉�(xué)�。硅光電子學(xué)專門研究在硅及硅基異�(zhì)�(jié)材料中的光子行為和規(guī)�,并且非常注重硅光子器件。成熟的硅工藝為硅光子學(xué)提供了堅�(shí)的技�(shù)支持,加速了硅光子學(xué)的形成和�(fā)展�
一方面是現(xiàn)代微電子�(chǎn)�(yè)的基石——硅基半�(dǎo)體的�(fā)展接近極�,以英特爾為代表的半�(dǎo)體廠商都在尋找并引入高科技新材�,以�(shí)�(xiàn)延長基于硅的摩爾定律的壽�;而另一方面,光電子技�(shù)作為一�(xiàng)快速發(fā)展且前景光明的技�(shù),吸引眾多國�(nèi)外專家學(xué)者的�(guān)�,他們致力于將光子技�(shù)和微電子技�(shù)�(jié)合起��
硅光子器件將是繼集成電路之后最有應(yīng)用前景的�(shí)用元器件,這一�(chuàng)新將在后硅材料時代引�(lǐng)技�(shù)革命。我國的硅光子學(xué)研究專家、中科院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)�(shí)�(yàn)室研究員余金中指�,成熟的硅光子學(xué)將在信息�(lǐng)域和社會生活中起到重要作用,特別是推動光計算�(fā)�。在未來十幾年重�(diǎn)攻關(guān)后,在信息功能材料及器件、傳感器�(wǎng)�(luò)及智能信息處�、激光技�(shù)、納米研究等�(xiàng)目推�(jìn)中,硅光子學(xué)具有廣闊�(fā)展空��
�(fā)展硅基光子科�(xué)和技�(shù)的意義是如此重大,這就不難理解為何有一定科研實(shí)力的國家都把這一�(xué)科作為長�(yuǎn)的技�(shù)�(fā)展目�(biāo),這以美國最為突出。我國的863計劃�973計劃,也都把硅基光電子研究的相關(guān)課題列入計劃,中國科�(xué)院微電子研究所、中國科�(xué)院半�(dǎo)體研究所光電子研究發(fā)展中�、浙江大�(xué)硅材料國家重�(diǎn)�(shí)�(yàn)�、吉林大�(xué)集成光電子國家重�(diǎn)�(shí)�(yàn)室等研究性機(jī)�(gòu),都在這一前瞻性研究的硅基材料、器件實(shí)用化等方面取得了突出成果�
成本是個大問題
我們期待硅光子技�(shù)突破,主要就是要解決提高傳輸速度的問題,尤其是�(jìn)入單芯片萬億次計算時代后,這個問題就更加突出,與萬億次計算相匹配的還�(yīng)該有萬億次通信。這個問題在未來的高性能計算�(lǐng)域同樣存�,計算機(jī)需要找到一種更快的方法,以便在芯片�(nèi)部及芯片之間傳送大量數(shù)�(jù),業(yè)界把突破通信瓶頸的希望寄托在硅光子通信��
我們對“高帶寬、低延遲”的期待可以從光纖談�。目�,長距離傳輸由光纖通信�(shí)�(xiàn),主要是城域和長距離傳輸,長度約�0.1km�80km。機(jī)架到�(jī)架也開始采用光纖傳輸,長度約�1m�100m。而從板卡到板�、芯片到芯片,采取的還是�(dǎo)線傳�。目前硅光子�(xué)研究就是要把光傳輸從長距離向超短距離傳輸�(kuò)��
從目前發(fā)展情況來�,持�(xù)改�(jìn)的技�(shù)只是問題的一個方面,另一個重要問題是成本。舉例來說,以銅�(dǎo)線連接為例,每年需要連接的器件數(shù)量在�(shù)十億以上,對光模塊的需求量非常�。而目前,多數(shù)光子器件都采用砷化鎵和磷化銦之類的特殊半�(dǎo)體制�,成本過于高�、處理與封裝也十分復(fù)雜,很難用于單臺計算�(jī)甚至本地�(wǎng)�(luò)。英特爾院士兼光子學(xué)技�(shù)�(shí)�(yàn)室總�(jiān)Mario Paniccia在接受記者采訪時說:“我們要把光通信技�(shù)的優(yōu)勢帶到芯片級平臺�,不只要有技�(shù),還要把這個技�(shù)做到低成�,這樣才可能把技�(shù)�(guī)?�?,這是我們研究的推動�?�?BR> Mario Paniccia說的這項(xiàng)技�(shù)就是硅光電子�(xué),其愿景是要研究使用廉價、制造工藝簡單的硅作為基�(chǔ)材料開發(fā)光子器件,并在現(xiàn)有的晶圓工廠中,采用�(biāo)�(zhǔn)的批量生�(chǎn)的硅制造技�(shù)來實(shí)�(xiàn)。這樣帶來的優(yōu)勢就是能為光通信帶來�(guī)模經(jīng)�(jì)效應(yīng)。英特爾在開展這項(xiàng)研究的數(shù)年來取得了一系列成果,尤其是�2005年開�,逐漸�(jìn)入了成果收獲��
一舉兩得的選擇
硅光子學(xué)從研究到最終產(chǎn)�(yè)�,是一�(xiàng)系統(tǒng)工程,英特爾把通過光傳輸方式收�(fā)�(shù)�(jù)的過程分解為以下步驟來實(shí)�(xiàn):一是先解決光源問題,就是生成光束的激光器,要能發(fā)出連續(xù)�;二是解決傳輸路徑問�,就是光波導(dǎo),就如同讓光在硅平臺上傳播的高速公路網(wǎng)�(luò);三是光�(diào)制器,把光束分成代表�(shù)�0�1的開/�(guān)信號,光的變化就攜帶了傳輸信息;四是光探測器,光傳輸?shù)侥康牡睾螅枰泄馓綔y器探測到脈沖光信�,把附加在光上面的信息下載下�,重新轉(zhuǎn)換成電信��
在這些技�(shù)問題都解決了之后,就是考慮生產(chǎn)與產(chǎn)�(yè)化的問題�,即�(shí)�(xiàn)低成本封裝和CMOS工藝批量制�?,F(xiàn)在基于硅的制造工藝已�(jīng)非常成熟,這能�?qū)崿F(xiàn)低成本的大規(guī)模生�(chǎn)。而根�(jù)不同的應(yīng)用需�,我們還可以像搭積木一�,對這些模塊�(jìn)行組合,以實(shí)�(xiàn)不同的功��
維庫電子通,電子知識,一查百��
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