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)用在人類社會(huì)的各行各業(yè)。本文淺談當(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)。 

關(guān)鍵詞：光子學(xué)；光子計(jì)算機(jī)；光子元件；集成光路 

引言

目前，世界上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家正在大力開發(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]。

20世紀(jì)40年代，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)(University of Pennsylvania)第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生以后，此后幾十年間，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)的歷史主要有以下發(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)算速度的要求達(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 von Neumann)的串行“瓶頸”問題，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)帶寬有限問題，對(duì)信息傳輸系統(tǒng)來說載波頻率和信號(hào)頻率帶寬之比為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。由于脈寬越窄，頻率帶寬會(huì)變寬，電子計(jì)算機(jī)的頻帶寬度不是無限的，要求信號(hào)的脈寬不能過窄，同時(shí)在傳輸過程中脈沖將會(huì)展寬，使得電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度提高是困難的。

(3)時(shí)鐘歪斜問題，這是由于超大規(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)。

(4)電阻電容電路問題，由于電阻電容電路的響應(yīng)時(shí)間τ-RC，通常為10^-9秒，這就阻礙了我們的核心元件―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)――光子計(jì)算機(jī)的專家不斷涌現(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運(yùn)行的，而光子運(yùn)動(dòng)的速度要比電子快得多。光子計(jì)算機(jī)速度非�？�，要比已制造的高速電子計(jì)算機(jī)(每秒13億次)快上千倍。從理論上說，電子運(yùn)動(dòng)的速度可以接近光子，即每秒30萬公里，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)是一種通過光信號(hào)來進(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)這一偉大征程由美國(guó)麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology)的研究者拉開了序幕，第一臺(tái)光子計(jì)算機(jī)在1984年6月制造出來，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年制造了一臺(tái)光子計(jì)算機(jī)，它由棱鏡、透鏡和激光器等元器件完成，貝爾實(shí)驗(yàn)室走出了光子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵步伐。由歐盟的幾個(gè)高校合作，已開發(fā)完成的光子計(jì)算機(jī)，處理速度是電子計(jì)算機(jī)的1000倍。光子計(jì)算機(jī)主要有三大類：光模擬信號(hào)計(jì)算機(jī)(也叫光模擬機(jī))、全光數(shù)字信號(hào)計(jì)算機(jī)(也叫光數(shù)字機(jī))、光智能形式計(jì)算機(jī)，光子計(jì)算機(jī)起始于模擬機(jī)，模擬機(jī)具有并行快速計(jì)算和大信息容量的特點(diǎn)，在光學(xué)信息領(lǐng)域(如光編碼測(cè)距)獲得應(yīng)用[6]。1990年至今，我們?cè)O(shè)計(jì)的全光子計(jì)算機(jī)，結(jié)構(gòu)基本都是按照電子的傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)的，它用光控制器、光存儲(chǔ)器和光運(yùn)算器組合而成，相互之間和各自內(nèi)部以光互連這種方式來通信�，F(xiàn)在全光數(shù)字計(jì)算機(jī)處在研究過程中，要用到的相關(guān)技術(shù)難題已經(jīng)有了答案，主要問題是如何開發(fā)更高利用率的光學(xué)元器件。光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)處理研究中，它具有人工智能的系列優(yōu)點(diǎn)，帶給研究人員極大興趣，光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的研究同時(shí)取得了非常好的進(jìn)展[7]。但是理論模型還需要進(jìn)一步細(xì)化，要研制出利用率更高的空間調(diào)制器和性能更好的光開關(guān)列陣，其實(shí)真正實(shí)用的光子計(jì)算機(jī)還有很多路要走。當(dāng)前全光數(shù)字計(jì)算機(jī)與光電混合計(jì)算機(jī)正在不斷發(fā)展，數(shù)字光計(jì)算的研究將成為所需要的光電器件的重要支撐。