光计算机:优越性、应用限制及科罗拉多大学原理证明机

2023-11-15 理论教育版权反馈

【摘要】：与电子计算机使用的集成电路相似，光计算机基本组成部件是集成光路。光计算机之所以引起人们的兴趣，是因为光与电子相比具有显著优越性。如果要得到一台光计算机，就可以选用集成光路进行组装，而光导纤维则能用作光计算机之间直接通信线。然而，光模拟计算机精度不高，又不能处理时间变化的数据，使应用受到极大限制。科罗拉多大学研制成功的这台通用光计算机，被称为“原理证明”机。

光计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机。与电子计算机使用的集成电路相似，光计算机基本组成部件是集成光路。光计算机之所以引起人们的兴趣，是因为光与电子相比具有显著优越性。首先，光速是每秒30万千米，而电子的运行速度只有理想情况下才接近光速。在实际应用中，硅集成电路执行开关操作时，电子的运动会受到各种各样的阻碍，其运动速度要比光速至少要快1000多倍。并且电子在运动过程中遇到阻碍时还会释放热量，即消耗能量，而光在传播过程中是没有这个现象的。另外，电子是带有负电荷的粒子，其运动时电磁场都会对它产生影响，而光子的运动是自由的，甚至相互交叉时也不会发生影响。还有，电子开关器件一次只能处理一个信号，如果将计算机的器件改为光器件，则一次能够执行多个开关操作，因为它可以被多束光同时驱动，而各束光之间完全可以保持相互独立，互不干扰。

从20世纪70年代起，光学领域兴起一门新的分支学科——集成光学，这是一门专门研究、设计、制造集成光路的科学。运用集成光路技术，可以把光开关或光存储等器件集积在一块芯片上，制成单一功能的集成光路；也可以将光源、光波导（用以构成集成光路中的连接文件）、光开关、光存储等器件集积在一块芯片上，以组成一个完整的光系统。如果要得到一台光计算机，就可以选用集成光路进行组装，而光导纤维则能用作光计算机之间直接通信线。

由于技术上的原因，首先在光模拟计算机方面取得了较大的进展，开发研制出了各种小型光模拟计算机。1989年，日本三菱电机公司试制成功的世界上第一台能识别26个英文字母的光神经计算机就是其中一种。这种光模拟计算机已被用于测试雷达信息处理、石油勘探、地震预测、遥感技术等不同的方面。然而，光模拟计算机精度不高，又不能处理时间变化的数据，使应用受到极大限制。因此，近年来各个国家都把研究的重点放在光学数字计算机上。

1991年，美国贝尔研究所曾经演示了一台简单的光处理器。但是，贝尔研究所这套系统中采用了一台外部电子计算机来进行程序控制。(www.chuimin.cn)

1993年，美国科罗拉多大学的研究者们完成了一种用光代替电的计算机——第一台通用光计算机，从而使光计算机向前迈出了历史性的又一大步。科罗拉多大学研制成功的这台通用光计算机，被称为“原理证明”机。它既能处理信息又能存储数据，它的体积只有桌子那样大小，上面布满了光导纤维线路开关。这台光计算机的特点是它突破了数据以物理形式存储的界限，而以光脉冲形式在运行。

美国电子学家比尔·沃尔什预言：“2000年以后，光计算机将取代电子计算机，而且将成为主要的计算机技术。”

光计算机:优越性、应用限制及科罗拉多大学原理证明机

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