“光信息技術(shù)”向我們大步走來(lái)

光子計(jì)算機(jī)未來(lái)計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)?1.后摩爾時(shí)代與電子計(jì)算機(jī)的極限?2.光子計(jì)算機(jī)的原理和現(xiàn)狀?3.光子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)和前景?4.未來(lái)計(jì)算機(jī)展望

?電子計(jì)算機(jī)發(fā)展背景●1946年2月14日，世界上第一臺(tái)電腦ENIAC在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生，它每秒能進(jìn)行5000次加法運(yùn)算?！?/p>

參數(shù)

這部機(jī)器使用了18800個(gè)真空管，長(zhǎng)50英尺，寬30英尺，占地1500平方英尺，重達(dá)30噸●缺點(diǎn)

?高耗電量?真空管高損耗率......ENIAC?電子計(jì)算機(jī)發(fā)展背景經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)論在體積，功耗，速度等方面均早已今非昔比。美國(guó)國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司(IBM)最新研制的超級(jí)計(jì)算機(jī)“紅杉”的峰值更是達(dá)到每秒20132萬(wàn)億次。但是仍難以滿足大規(guī)模高速度的運(yùn)算要求。摩爾定律與電子計(jì)算機(jī)的極限摩爾定律是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（GordonMoore）提出來(lái)的。其內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個(gè)月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。盡管這種趨勢(shì)已經(jīng)持續(xù)了超過(guò)半個(gè)世紀(jì)，摩爾定律仍應(yīng)該被認(rèn)為是觀測(cè)或推測(cè)，而不是一個(gè)物理或自然法。預(yù)計(jì)定律將持續(xù)到至少2015年或2020電子計(jì)算機(jī)發(fā)展瓶頸伴隨著集成電路技術(shù)發(fā)展從一維模式向多維模式轉(zhuǎn)變,對(duì)物理學(xué)基礎(chǔ)理論提出了挑戰(zhàn),也對(duì)物理學(xué)研究提出了新的更高要求。進(jìn)入到納米尺度,集成電路技術(shù)面臨著系列物理限制的挑戰(zhàn),有來(lái)自于基本物理規(guī)律的物理極限,也有材料、技術(shù)、器件、系統(tǒng)和傳統(tǒng)理論方面物理挑戰(zhàn)。而光子攜帶信息傳遞的速度比電子快計(jì)算機(jī)內(nèi)的芯片之間用光子互連不受電磁干擾影響，互連的密度可以很高。隨著芯片的速度越來(lái)越快，芯片間需要更多的連接以獲得足夠的數(shù)據(jù)。

僅僅使用電子連接會(huì)使提高速度變得非常困難。

摩爾定律與電子計(jì)算機(jī)的極限一、是基本物理規(guī)律挑戰(zhàn)。計(jì)算機(jī)處理信息是一個(gè)進(jìn)行布爾邏輯運(yùn)算的過(guò)程,涉及到布爾邏輯間的轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)或集成電路處理信息過(guò)程是一個(gè)物理過(guò)程,需滿足物理規(guī)律限制[3]。包括電磁學(xué)、量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)、熱力學(xué)限制。這些是不可逾越的集成電路技術(shù)的物理極限。二、是材料方面的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)微電子材料硅襯底、二氧化硅、多晶硅和金屬導(dǎo)電材料等無(wú)法滿足集成電路技術(shù)發(fā)展需要，需要尋找新材料。三、是技術(shù)方面的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的集成電路的光學(xué)光刻工藝、離子注入工藝等快接近物理極限,器件無(wú)法進(jìn)一步縮小，需尋找新工藝方法和途徑，包括新一代的替代光刻工藝等。四、是器件方面的挑戰(zhàn)。按摩爾定律預(yù)測(cè),mos器件開關(guān)僅需少數(shù)幾個(gè)電子參與,mos器件經(jīng)典理論將不適用，須采用新器件結(jié)構(gòu)和新器件工作原理。五、是系統(tǒng)方面的挑戰(zhàn)。包括互連延遲、系統(tǒng)散熱問(wèn)題等挑戰(zhàn)。在集成電路實(shí)現(xiàn)光互連,尚有許多基礎(chǔ)物理和技術(shù)問(wèn)題需解決[4]。六是傳統(tǒng)物理理論的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)微電子學(xué)理論的挑戰(zhàn)。微電子學(xué)大部分理論基礎(chǔ)是基于經(jīng)典物理理論，需利用量子力學(xué)理論等。光子計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介

●什么是光子計(jì)算機(jī)？光子計(jì)算機(jī)以光子作為傳遞信息的載體，光互連代替導(dǎo)線互連，以光硬件代替電子硬件，以光運(yùn)算代替電運(yùn)算，利用激光來(lái)傳送信號(hào)，并由光導(dǎo)纖維與各種光學(xué)元件等構(gòu)成集成光路，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長(zhǎng)、頻率、偏振態(tài)及相位的光代表不同的數(shù)據(jù)，這遠(yuǎn)勝于電子計(jì)算機(jī)中通過(guò)電子“0”、“1”狀態(tài)變化進(jìn)行的二進(jìn)制運(yùn)算，可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速的并行處理。

光子計(jì)算機(jī)組成光子計(jì)算機(jī)是一種由光信號(hào)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計(jì)算機(jī)。它由激光器、光學(xué)反射鏡、透鏡、濾波器等光學(xué)元件和設(shè)備構(gòu)成，靠激光束進(jìn)入反射鏡和透鏡組成的陣列進(jìn)行信息處理，以光子代替電子，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。光子計(jì)算機(jī)組成光由光子代替電子或電流，實(shí)現(xiàn)高速處理大容量信息的計(jì)算機(jī)。其基礎(chǔ)部件是空間光調(diào)制器，并采用光內(nèi)連技術(shù)，在運(yùn)算部分與存儲(chǔ)部分之間進(jìn)行光連接，運(yùn)算部分可直接對(duì)存儲(chǔ)部分進(jìn)行并行存取。突破了傳統(tǒng)的用總線將運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出設(shè)備相連接的體系結(jié)構(gòu)。運(yùn)算速度極高、耗電極低。?光子芯片傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)展受限：主要是來(lái)自芯片的集成度為了突破傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算極限，人們開始研發(fā)新的計(jì)算機(jī)芯片。圖為intel公司的光子芯片光子與電子的比較光子與電子的比較光子學(xué)與電子學(xué)在發(fā)展模式上也有或?qū)⒂畜@人地相似之處電學(xué)→電子學(xué)→電子回路→電子集成→電子系統(tǒng)→電子工程→電子產(chǎn)業(yè)光學(xué)→光子學(xué)→光子回路→光子集成→光子系統(tǒng)→光子工程→光子產(chǎn)業(yè)

光子具有的優(yōu)異特性1.光子具有極高的信息容量和效率2.光子具有極快的響應(yīng)能力3.光子具有極強(qiáng)的互連能力與并行能力4.光子具有極大的存儲(chǔ)能力光子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)一、超高速的運(yùn)算速度光子計(jì)算機(jī)并行處理能力強(qiáng)，因而具有更高的運(yùn)算速度。美國(guó)麻省理工學(xué)院教授塞斯·羅伊德等提出了用于求解線性方程組的量子算法，認(rèn)為借助并行性運(yùn)算帶來(lái)指數(shù)級(jí)的加速，將能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度。根據(jù)理論預(yù)計(jì)，求解一個(gè)億億億變量的線性方程組，利用GHZ的并行運(yùn)算的子計(jì)算機(jī)將只需要10秒鐘。而現(xiàn)在世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)也至少需要幾百年光子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)二、超大規(guī)模的信息存儲(chǔ)容量作為信息載體，一般可見光的頻率為5×1014Hz，而處于微波波段的電波頻率僅為1010Hz量級(jí)，前者可承載信息的容量起碼比后者高出3～4個(gè)量級(jí)三、能量消耗小，散發(fā)熱量低克服巨型電子計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部過(guò)熱的難題。光子計(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀.1990年1月29日,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室宣布研制出世界上第一臺(tái)光學(xué)計(jì)算機(jī)。它采用砷化鎵光學(xué)開關(guān)，運(yùn)算速度達(dá)每秒10億次。盡管這臺(tái)光學(xué)計(jì)算機(jī)與理論上的光學(xué)計(jì)算機(jī)還有一定距離，但已顯示出強(qiáng)大的生命力。光子計(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀美國(guó)馬薩諸塞州的一家光學(xué)技術(shù)公司——光導(dǎo)發(fā)光元件系統(tǒng)公司目前正與美國(guó)航空航天局馬歇爾航天中心合作開發(fā)用來(lái)制造光學(xué)計(jì)算機(jī)的“光”路板，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子移動(dòng)的控制，并有望在今年取得突破。光子計(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀英國(guó)巴斯大學(xué)（UniversityofBath）的物理學(xué)家正在進(jìn)行一個(gè)項(xiàng)目，想研制出光子計(jì)算機(jī)。這個(gè)項(xiàng)目由工程及物理科學(xué)研究理事會(huì)（EngineeringandPhysicalSciencesResearchCouncil）發(fā)起，總投資82萬(wàn)英鎊。這項(xiàng)研究將推動(dòng)光子物理的發(fā)展，同時(shí)也給了物理學(xué)家從原子級(jí)別觀察世界的一次機(jī)會(huì)。光子計(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)2011年12月14日?qǐng)?bào)道，英國(guó)光纖實(shí)驗(yàn)室的研究人員通過(guò)對(duì)普通光纖的直徑在納米尺度上進(jìn)行微調(diào)，讓光纖成為了制造光子計(jì)算機(jī)必需的微諧振器，為研制出光子計(jì)算機(jī)開辟了新方法。相關(guān)研究發(fā)表在美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)的《光學(xué)快報(bào)》上。未來(lái)計(jì)算機(jī)展望《新科學(xué)家》:十大最不可思議計(jì)算機(jī)(組圖)--------據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》雜志報(bào)道,現(xiàn)今的計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展日新月異,但科學(xué)家們還是試圖拓寬新型計(jì)算機(jī)的開發(fā)領(lǐng)域,近年來(lái)研制出光子計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、DNA計(jì)算機(jī)等十大不可思議的奇特計(jì)算機(jī).未來(lái)計(jì)算機(jī)展望1.光子計(jì)算機(jī)2.量子計(jì)算機(jī)3.DNA計(jì)算機(jī)4.可逆計(jì)算機(jī)5.撞球計(jì)算機(jī)神經(jīng)細(xì)胞計(jì)算機(jī)6.神經(jīng)細(xì)胞計(jì)算機(jī)7.磁共振計(jì)算機(jī)8.Glooper計(jì)算機(jī)9.霉變計(jì)算機(jī)10.水波計(jì)算機(jī)未來(lái)計(jì)算機(jī)展望個(gè)人覺得最有前景的是光子計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)和生物分子計(jì)算機(jī)。最有可能實(shí)現(xiàn)的是光子計(jì)算機(jī)理由：光電子技術(shù)飛速發(fā)展各類光子器件取得突破性進(jìn)展全光通信已成必然趨勢(shì)未來(lái)計(jì)算機(jī)展望近日，在我國(guó)宣布超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河一號(hào)”服務(wù)用戶超過(guò)300家、成為部分領(lǐng)域核心生產(chǎn)力之際，俄羅斯加入世界超級(jí)計(jì)算機(jī)俱樂部的計(jì)劃對(duì)外曝光，該國(guó)科學(xué)院開始制造浮點(diǎn)運(yùn)算速度每秒１萬(wàn)萬(wàn)億次的本國(guó)性能最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。作為超級(jí)計(jì)算機(jī)大國(guó)，美國(guó)和日本早已在該領(lǐng)域發(fā)力，并努力奪取超級(jí)計(jì)算機(jī)頭把交椅。然而，這只是在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)。各國(guó)和地區(qū)在加緊傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)，你追我趕的同時(shí)，都早已把目光轉(zhuǎn)向在量子力學(xué)與現(xiàn)代信息科學(xué)“雙劍合璧”的全新領(lǐng)域，制造運(yùn)算速度之快和性能強(qiáng)到不可思議的量子計(jì)算機(jī)第一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)第一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)：加拿大量子計(jì)算公司D-Wave近日正式發(fā)布了全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)“D-WaveOne”，量子電腦的夢(mèng)想距離我們又近了一大步。總結(jié)計(jì)算機(jī)的發(fā)展與人類發(fā)展史相比，雖然才僅僅有60多年，但是它卻顯示了強(qiáng)大的生命力與發(fā)展前景。計(jì)算機(jī)也不在簡(jiǎn)單的只局限于自身的領(lǐng)域?？v觀其發(fā)展過(guò)程，計(jì)算機(jī)研究中最突出的特點(diǎn)是物理學(xué)的原理和計(jì)算機(jī)科學(xué)的交融和相互促進(jìn)。計(jì)算機(jī)不再是一個(gè)抽象的數(shù)學(xué)模型，物理原理對(duì)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和效率的限制愈來(lái)愈引起人們的重視?？偨Y(jié)各類新型計(jì)算機(jī)還處于發(fā)展的初期階段，太多的技術(shù)問(wèn)題等待著解決。謝謝

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參考文獻(xiàn)1./kpyd/qy/jinzhan/2./link?url=oLs59q1voj3I18aObtNbN3Djz7x1F8dJFYfacD2sOuWDwlgdOxujhciEi4tRGkIC3./tech/2011-12/16/c_122434197.htm4./2013/0609/442240.shtml5./live/2012-09/08/content_16110676.htm6.Shor,PeterW.．Polynomial-TimeAlgorithmsforPrimeFactorizationandDiscreteLogarithmson