光子計(jì)算機(jī)探析與構(gòu)想

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1、光子計(jì)算機(jī)探析與構(gòu)想任浩辰北京市第二中學(xué)摘要：計(jì)算機(jī)技術(shù)隨著人類社會(huì)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC開(kāi)始，到現(xiàn)在的筆記本電腦和手機(jī)平板，芯片的計(jì)算能力按照摩爾定律在穩(wěn)定地以指數(shù)形態(tài)增加，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越滲透到人類社會(huì)的方方面面。而相對(duì)于電子計(jì)算機(jī)，光子計(jì)算機(jī)是一片新興的領(lǐng)域。本文對(duì)于計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程進(jìn)行了回顧，并對(duì)于光子計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的闡述，探宄了光子計(jì)算機(jī)內(nèi)部的光學(xué)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理，并提出了改進(jìn)光子計(jì)算機(jī)的設(shè)想，最后，對(duì)于光子計(jì)算機(jī)的技術(shù)壁壘與發(fā)展前景進(jìn)行了探討總結(jié)。關(guān)鍵詞：

2、光子計(jì)算機(jī);光子元件;光子計(jì)算機(jī)原理;光子計(jì)算機(jī)特點(diǎn);一、引言1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生，稱為ElectronicNumericalintegratorAndComputer。它被用丁?軍事領(lǐng)域，是當(dāng)時(shí)最快的計(jì)算L具，使科學(xué)家們不必再進(jìn)行繁瑣的運(yùn)算。ENIAC作為第一代計(jì)算機(jī)一一電子管計(jì)算機(jī)，有著占地面積大，耗電量高等缺點(diǎn)。為了解決這些問(wèn)題，人們用晶體管替代電子管，因此第二代計(jì)算機(jī)一一晶體管計(jì)算機(jī)出現(xiàn)了。第二代計(jì)算機(jī)克服了第一代的缺點(diǎn),同時(shí)具有壽命長(zhǎng)、發(fā)熱少等優(yōu)點(diǎn)。20世

3、紀(jì)60年代屮期，半導(dǎo)體技術(shù)的興起，集成電路出現(xiàn)。中小規(guī)模集成電路為第三代計(jì)算機(jī)的核心，使計(jì)算機(jī)的體積和耗電量進(jìn)一步減少。之后，第三代進(jìn)一步發(fā)展，成為第四代:大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。我們能看到的具有人工智能的計(jì)算機(jī)，如“阿爾法狗”，就是第五代計(jì)算機(jī)，是目前最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)使我們不僅在繁雜的計(jì)算方面得到了解脫，而且我們工作、學(xué)習(xí)和生活的方方而而都得到了改善。1.2現(xiàn)階段電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的制約因素隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度要求越來(lái)越高。但是，電子計(jì)算機(jī)具有以下特點(diǎn)，使其運(yùn)算速度遭到限制，很

4、難再滿足人們更高的需求。(1)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)大多是馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)，這種體系結(jié)構(gòu)花在數(shù)據(jù)輸入與處理上的吋間很多，使電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度受限。圖1馮諾依曼結(jié)構(gòu)示意圖下載原圖(2)信號(hào)脈沖的間隔越小，電子計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度就越快，為了使信號(hào)不會(huì)和互重合，我們要把每個(gè)脈沖脈寬變窄。脈寬的長(zhǎng)度和頻率的帶寬成負(fù)和關(guān)。但是電子計(jì)算機(jī)的頻帶寬度有尺、r的限制，不能無(wú)限寬，所以要提高電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度是很難的。(3)在超大規(guī)模集成電路屮，各部件同步時(shí)鐘到各元件的距離差隨元件數(shù)量的增多而增大，這樣會(huì)造成到達(dá)的信號(hào)與未到達(dá)的信

5、號(hào)的等待時(shí)間加長(zhǎng)，如果聯(lián)接距離較大，等待時(shí)間就會(huì)過(guò)長(zhǎng)，從而導(dǎo)致運(yùn)算效率的降低。(4)電子計(jì)算機(jī)的元件存在電阻和電容。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，電阻和電容會(huì)阻礙電路中運(yùn)動(dòng)的電子，使其在導(dǎo)線中的傳播速度減弱。在信息信號(hào)的載波頻率較高吋,就會(huì)導(dǎo)致電信號(hào)跟不上信息信號(hào)的變化，使信號(hào)錯(cuò)誤地傳播，導(dǎo)致運(yùn)算出錯(cuò)。因?yàn)殡娮佑?jì)算機(jī)有上述缺點(diǎn)，所以摩爾定律即將失效，摩爾定律是一種推測(cè)，微處理器的晶體管數(shù)量在將每18個(gè)至2年翻一番，由它們制作的的計(jì)算機(jī)的性能也會(huì)隨之翻倍。里然其為戈登?摩爾(GordonMoore)1965年提出來(lái)的假設(shè)，

6、但是半導(dǎo)體的發(fā)展一直完美地驗(yàn)證著該定律。不過(guò)近年來(lái)業(yè)界一直預(yù)測(cè)該定律即將失效。為了突破電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的瓶頸，人類將研宄方向轉(zhuǎn)向了光子計(jì)算機(jī)。二、光子計(jì)算機(jī)概述2.1概念相對(duì)于電子計(jì)算機(jī)利用電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，光子計(jì)算機(jī)是一種利用光信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)。光子計(jì)算機(jī)主要由集成光路組成。2.2發(fā)展歷程世界上第一臺(tái)光學(xué)計(jì)算機(jī)是由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出的，盡管它在理論上還不是真正的光學(xué)計(jì)算機(jī)。真正的光子計(jì)算機(jī)需要一種基礎(chǔ)元件，這種元件可以用一條光束來(lái)控制另一條光束。雖然有可能研制出這一基礎(chǔ)元件，但是所需的外界條

7、件較為苛刻。2.3特點(diǎn)(1)光在波導(dǎo)中的傳播速度是電子在導(dǎo)線中的傳播速度的千倍數(shù)量級(jí)，因此光子計(jì)算機(jī)有著比電子計(jì)算機(jī)更快的傳輸速度和處理速度；(2)光子之間不會(huì)互相干擾，而電子之間會(huì)通過(guò)電磁場(chǎng)相互干擾。因此光子計(jì)算機(jī)運(yùn)算不易出錯(cuò)；(3)信息儲(chǔ)存容量大；(4)耗能小，散熱低；(5)擺脫了二進(jìn)制的朿縛，可以進(jìn)行三進(jìn)制和四進(jìn)制更復(fù)雜的運(yùn)算。三、光子計(jì)算機(jī)中的結(jié)構(gòu)與原理探析3.1主要元器件(1)光子晶體光子晶體作為一種光子帶隙材料，是一種具有周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)的人造材料。當(dāng)光朿在光子帶隙材料中傳播時(shí)，能量在光子帶隙內(nèi)

8、的光子不能通過(guò)光子晶體，而光子的能量與光的波長(zhǎng)有關(guān)。因此利用光子晶體可以達(dá)到選擇光波波長(zhǎng)的目的。(2)表面等離子體表面等離子體可以使特定頻率從宏觀尺度減小光的傳播速度，形成慢波效應(yīng)，可以達(dá)到減小器件尺寸的目的。(3)波導(dǎo)波導(dǎo)可將不同單元連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)光互連。光互連具有速度快等優(yōu)勢(shì)，而且各光束能夠相互交叉通過(guò)而不被干擾。隨著精密儀器與光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家正在試著模仿集成電路，將光存儲(chǔ)器、光開(kāi)關(guān)、光源集成到在一塊芯