淺談光子計(jì)算機(jī)

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1、淺談光子計(jì)算機(jī)【摘要】以計(jì)算機(jī)為代表的信息產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn)，發(fā)展速度驚人，目前已廣泛應(yīng)用在人類(lèi)社會(huì)的各行各業(yè)。木文淺談當(dāng)前電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度受到了多種因素的制約，介紹了光子計(jì)算機(jī)的概述，研究狀況，光子計(jì)算機(jī)的光器件與光路，光子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)?！娟P(guān)鍵詞】光子學(xué)；光了計(jì)算機(jī)；光了元件；集成光路TalkingaboutthephotoniccomputerYANGYan-niLIUPengLIChuan-jiang(XinjiangInstituteofEngineering,UrumqiXinjiang830091,China)【Abstract]Thespeedofthe

2、computerindustryformorethanexpectedrapiddevelopment,atpresenthasbeenusedinal1stagesofhumansociety?Thisarticlediscussthecomputeroperationspeedisrestrictedbyvariousfactors,thispaperintroducestheoverviewofthephotoniccomputer,researchsituationandthelightofthephotoniccomputerdevicesandoptic

3、alpath,thecharacteristicsofthephotoniccomputer.[Keywords]Photonic；Photoniccomputer；Photoniccomponents；Integratedoptico引言目前，世界上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家正在大力開(kāi)發(fā)第五代計(jì)算機(jī)，其中一個(gè)重要的動(dòng)向是加緊研制光子計(jì)算機(jī)?？茖W(xué)家認(rèn)為，第五代計(jì)算機(jī)要求具有高得多的運(yùn)算速度和更加豐富的邏輯處理系統(tǒng)，而光子計(jì)算機(jī)可以較好地滿足這些要求[1-2]o20世紀(jì)40年代，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)(UniversityofPennsylvania)第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生以后，此后幾

4、十年間，計(jì)算機(jī)制造工藝在不斷的變革中高速發(fā)展。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的丿力史主要有以下發(fā)展階段電子管時(shí)期、晶體管時(shí)期、集成電路時(shí)期和超大規(guī)模集成電路時(shí)期。1電子計(jì)算機(jī)受到的制約隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)在人類(lèi)社會(huì)的各行各業(yè)不斷應(yīng)用著，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷前進(jìn)的進(jìn)程中，計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度超出了人們預(yù)料。在人類(lèi)社會(huì)各行各業(yè)的不斷應(yīng)用中，對(duì)計(jì)算機(jī)性能提出了越來(lái)越高的要求，例如復(fù)雜系統(tǒng)模擬、海量數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、精確制導(dǎo)系統(tǒng)等,其對(duì)運(yùn)算速度的耍求達(dá)到1012次以上，對(duì)數(shù)據(jù)量的要求非常大[3-4]。電子計(jì)算機(jī)的以下這些特點(diǎn)，限制了電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度：(1)馮?諾依曼(John

5、vonNeumann)的串行“瓶頸”問(wèn)題，造成數(shù)據(jù)輸入與處理需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，使電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算處理速度不能進(jìn)一步提升，就像一個(gè)小口瓶里面的水，只能從瓶口慢慢地流出。(2)帶寬有限問(wèn)題，對(duì)信息傳輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)載波頻率和信號(hào)頻率帶寬Z比為100：1,微波頻段內(nèi)，電信號(hào)的頻率范圍在103兆赫茲-104兆赫茲，因而，傳輸信息時(shí)它的頻率帶寬是10兆赫茲-102兆赫茲。為了改善電子計(jì)算機(jī)的處理速度，我們讓信號(hào)脈沖的間隔盡可能小，需要把每個(gè)脈沖脈寬變窄，才不致于使信號(hào)相互重合而分不開(kāi)。由于脈寬越窄，頻率帶寬會(huì)變寬，電子計(jì)算機(jī)的頻帶寬度不是無(wú)限的，要求信號(hào)的脈寬不能過(guò)窄,同時(shí)在傳輸

6、過(guò)程屮脈沖將會(huì)展寬，使得電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度提高是困難的。(1)時(shí)鐘歪斜問(wèn)題，這是山于超大規(guī)模集成電路的元器件數(shù)量大，各部件同步時(shí)鐘到各元件的距離差異比較大，到達(dá)的信號(hào)需要等候未到達(dá)的信號(hào)，聯(lián)接距離一大，時(shí)間就變得很長(zhǎng)。(2)電阻電容電路問(wèn)題，由于電阻電容電路的響應(yīng)時(shí)間t-RC,通常為10-9秒，這就阻礙了我們的核心元件一雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換速度，使傳輸速度和處理速度不能提高。由于電子計(jì)算機(jī)以上這些阻礙運(yùn)算速度的缺點(diǎn)，這些年，研究新的結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)一一光子計(jì)算機(jī)的專(zhuān)家不斷涌現(xiàn)。2光子計(jì)算機(jī)2.1光子計(jì)算機(jī)概述光子計(jì)算機(jī)是靠光而不是靠電來(lái)運(yùn)行的，而光子運(yùn)動(dòng)的速度要比電子快

7、得多。光子計(jì)算機(jī)速度非?？欤纫阎圃斓母咚匐娮佑?jì)算機(jī)(每秒13億次)快上千倍。從理論上說(shuō)，電子運(yùn)動(dòng)的速度可以接近光子，即每秒30萬(wàn)公里，但在硅芯片上電子的實(shí)際速度還不到光速的1%。光子計(jì)算機(jī)是一種通過(guò)光信號(hào)來(lái)進(jìn)行信息存儲(chǔ)、處理、運(yùn)算、操作的新型計(jì)算機(jī)。1969年,研究光子計(jì)算機(jī)這一偉大征程山美國(guó)麻省理工學(xué)院(MassachusettsInstituteofTechnology)的研究者拉開(kāi)了序幕，第一臺(tái)光子計(jì)算機(jī)在1984年6月制造出來(lái)，這是由國(guó)際商用機(jī)器公司研發(fā)的，是一臺(tái)能夠正常工作的光子計(jì)算機(jī)，只是它必須工作在接近絕對(duì)零度的環(huán)境下。貝爾實(shí)驗(yàn)室在1990年制