光子計算機是一種由光信號進行數(shù)字運算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計算機。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，靠激光束進入反射鏡和透鏡組成的陣列進行信息處理，以光子代替電子，光運算代替電運算。光的并行、高速，天然地決定了光子計算機的并行處理能力很強，具有超高運算速度。光子計算機還具有與人腦相似的故障容許度，系統(tǒng)中某一元件損壞或出錯時，并不影響最終的計算結(jié)果。光子在光介質(zhì)中傳輸所造成的信息畸變和失真極小，光傳輸、轉(zhuǎn)換時能量消耗和散發(fā)熱量極低，對環(huán)境條件的要求比電子計算機低得多。隨著現(xiàn)代光學(xué)與計算機技術(shù)、微電子技術(shù)相結(jié)合，在不久的將來，光子計算機將成為人類普遍的工具。
優(yōu)勢
不用電子，用光子做傳遞信息的載體，就有可能克服前面談到的那些限制，制造出性能更優(yōu)異的計算機。用光子做傳遞信息的載體有以下幾方面的好處：
光子不帶電荷
它們之間不存在電磁場相互作用在自由空間中幾束光平行傳播、相互交叉?zhèn)鞑ィ舜酥g不發(fā)生干擾，千萬條光束可以同時穿越一只光學(xué)元件而不會相互影響。一只20×20c㎡的光學(xué)系統(tǒng)，能夠提供5×10^5條并行傳輸信息通道；一只質(zhì)量好的透鏡能夠提供10^8條信息通道。如果用光波導(dǎo)傳輸，光波導(dǎo)也可以相互穿越，只要它們的交叉角大于10°左右就不會有明顯的交叉耦合。上述的性質(zhì)又稱光信號傳輸?shù)牟⑿行浴?/p>
光子沒有靜止質(zhì)量
它既可以在半真空中傳播，也可以在介質(zhì)中傳播，傳播速度比電子在導(dǎo)線中的傳播速度快得多（約1000倍），也就是說，光子攜帶信息傳遞的速度比電子快計算機內(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。在自由空間進行互連，每平方毫米面積上的連結(jié)線數(shù)目可以達到5萬條，如果用光波導(dǎo)方式互連，可以有萬條。所以，用光子做信息處理載體，會制造出運算速度極高的計算機，理論上可以達到每秒1000億次，信息存儲量達到10^18位。這種計算機稱為光子計算機。
超高速的運算速度
光子計算機并行處理能力強，因而具有更高的運算速度。電子的傳播速度是593km/s，而光子的傳播速度卻達3×10^5km/s，對于電子計算機來說，電子是信息的載體，它只能通過一些相互絕緣的導(dǎo)線來傳導(dǎo)，即使在最佳的情況下，電子在固體中的運行速度也遠遠不如光速，盡管目電子計算機運算速度不斷提高，但它的能力極限還是有限的；此外，隨著裝配密度的不斷提高，會使導(dǎo)體之間的電磁作用不斷增強，散發(fā)的熱量也在逐漸增加，從而制約了電子計算機的運行速度；而光子計算機的運行速度要比電子計算機快得多，對使用環(huán)境條件的要求也比電子計算機低得多。
超大規(guī)模的信息存儲容量
與電子計算機相比，光子計算機具有超大規(guī)模的信息存儲容量。光子計算機具有極為理想的光輻射源——激光器，光子的傳導(dǎo)是可以不需要導(dǎo)線的，而且即使在相交的情況下，它們之間也不會產(chǎn)生絲毫的相互影響。光子計算機無導(dǎo)線傳遞信息的平行通道，其密度實際上是無限的，一枚五分硬幣大小的枚鏡，它的信息通過能力竟是全世界現(xiàn)有電話電纜通道的許多倍。
能量消耗小，散發(fā)熱量低
是一種節(jié)能型產(chǎn)品。光子計算機的驅(qū)動，只需要同類規(guī)格的電子計算機驅(qū)動能量的一小部分，這不僅降低了電能消耗，大大減少了機器散發(fā)的熱量，而且為光子計算機的微型化和便攜化研制，提供了便利的條件。科學(xué)家們正試驗將傳統(tǒng)的電子轉(zhuǎn)換器和光子結(jié)合起來，制造一種“雜交”的計算機，這種計算機既能更快地處理信息，又能克服巨型電子計算機運行時內(nèi)部過熱的難題。
發(fā)展現(xiàn)狀
美國貝爾實驗室宣布研制出世界上第一臺光學(xué)計算機。它采用砷化鎵光學(xué)開關(guān)，運算速度達每秒10億次。盡管這臺光學(xué)計算機與理論上的光學(xué)計算機還有一定距離，但已顯示出強大的生命力。人類利用光纜傳輸數(shù)據(jù)已經(jīng)有20多年的歷史了，用光信號來存儲信息的光盤技術(shù)也已廣泛應(yīng)用。然而要想制造真正的光子計算機，需要開發(fā)出可以用一條光束來控制另一條光束變化的光學(xué)晶體管這一基礎(chǔ)元件，一般說來，科學(xué)家們雖然可以實現(xiàn)這樣的裝置，但是所需的條件如溫度等仍較為苛刻，尚難以進入實用階段。
美國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)公司目前正與美國航空航天局馬歇爾航天中心合作開發(fā)用來制造光學(xué)計算機的“光”路板，實現(xiàn)對光子移動的控制，并有望在今年取得突破。1999年5月，在美國西北大學(xué)工作的新加坡科學(xué)家何盛中領(lǐng)導(dǎo)的一個有20多人的研究小組利用納米級的半導(dǎo)體激光器研制出世界上最小的光子定向耦合器，可以在寬度僅0.2至0.4微米的半導(dǎo)體層中對光進行分解和控制。
研發(fā)制造
巴思大學(xué)（UniversityofBath）的物理學(xué)家正在進行一個項目，想研制出一種計算機，可以用光子代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子來運作。這個項目由工程及物理科學(xué)研究理事會（EngineeringandPhysicalSciencesResearchCouncil）發(fā)起，總投資82萬英鎊。這項研究將推動光子物理的發(fā)展，同時也給了物理學(xué)家從原子級別觀察世界的一次機會。
在過去四十來年里，摩爾定律一直在發(fā)揮它的威力，芯片廠商們將產(chǎn)品越做越小，以至于晶體管之間的相互作用會造成嚴重影響。于是工程師們開始將目光投注在光子方面，想利用光子來傳輸信息。
他們采用新型光子晶體光纖作為傳輸器材，比其傳統(tǒng)光線來，新材料的損耗要小得多。“如果成功，這將是近五十年來計算機技術(shù)的一次革命”項目領(lǐng)導(dǎo)者Benabid博士說。
相關(guān)展望
相信在看這篇文章的人對PC已經(jīng)有一定的認識，對PC的過去我也就不多說了，摩爾定律完全掌握著我們可以遇見的未來，而摩爾定律失效將會出現(xiàn)在0.2nm工藝制作芯片的時候，因為那已經(jīng)一個原子的直徑了。但在這之前或之后很短的時間內(nèi)光子計算機將會取代電子計算機，那時光子計算機就像我們現(xiàn)在使用的電子計算機一樣流行，因此我對未來的PC的預(yù)測是建立在光子計算機的基礎(chǔ)上：PC將會分為兩個支線，一個是臺式機，臺式機不會被淘汰，它繼續(xù)以高性能價格比占據(jù)著市場的大部分。現(xiàn)在的PDA將會是另一個分支的雛形，它甚至?xí)⑹痔犭娔X淘汰，原因下文我說到。(下文所提到的計算機除特別指出，否則都是指光子計算機)
我先來說說未來的臺式機，臺式機不會因為PC的極度發(fā)展而消失，相反它比任何一種其他機型更能適應(yīng)市場的發(fā)展需求，臺式機將會以高性能，低價格作為發(fā)展之路，光子臺式機的整個架構(gòu)將會是以光信號取代現(xiàn)在的電信號，光信號經(jīng)輸入設(shè)備觸發(fā)，經(jīng)傳送到CPU處理后，再按輸出。其實原理跟現(xiàn)在的電子計算機一樣，只不過所有通信都是有光信號完成。下面簡單預(yù)測每個配件。
CPU：作為光子計算機核心，它仍然會作為一個獨立產(chǎn)品來被開發(fā)和研究，至于它的材料應(yīng)該會是一種存儲量大，當規(guī)模生產(chǎn)之后會變得相當便宜的物質(zhì)。
主板：或者說是光信號生成或傳送器更加貼切一些，但這個物件可能會消失。在未來主板不再與現(xiàn)在的主板同等重要，因為光信號生成可能會在電源中完成，而光信號傳送途徑可以簡單地透過CPU與其他物件的連接實現(xiàn)。這樣主板就不再有存在的理由了。
HDD與內(nèi)存：光子計算機中硬盤會完成現(xiàn)在內(nèi)存和硬盤的工作，內(nèi)存將消失。現(xiàn)在計算機的原理被改變，處理器直接可以在高速硬盤中讀取、運行、處理數(shù)據(jù)。但現(xiàn)有的光存儲器的速度實在不可以實現(xiàn)，因此現(xiàn)在的光儲存器在將來只會作為廉價的備份或復(fù)制轉(zhuǎn)移設(shè)備。新的儲存器將會是一種可透光的液態(tài)存儲器，數(shù)據(jù)直接紀錄在每個原子上，以高速運動的原子實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速讀取，從而取代內(nèi)存。
顯卡與顯示器：顯卡將會與顯示器集成，或消失，現(xiàn)在的液晶顯示器是未來顯示器的雛形，未來的顯示器將會是無點距液態(tài)顯示器，同樣是像現(xiàn)在的顯示器一樣是超薄顯示器，顯示器面板上將會有一種受激會發(fā)光的物質(zhì)，以每一原子為發(fā)光單位來顯示圖形，實現(xiàn)無點距顯示。
現(xiàn)在未來的臺式光子計算機已經(jīng)基本成行了，其他配件也像現(xiàn)在的PC一樣，按自己的需要DIY。未來PC的另一個分支就是未來的PDA，現(xiàn)在PDA已經(jīng)是一個很好的概念了，只是它現(xiàn)在實在是處于發(fā)展的起步，難成氣候。在理論上說，只有工藝足夠高的話，所有原件都可以集成一塊芯片上，于是未來的PDA會從這點出發(fā)，也高度集成性和方便攜帶性而成為PC的另一個分支。說它是PC的一個分支，因為它首先要集成手提電腦的全部功能，它還會集成現(xiàn)在的數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、GPS等的功能，另外它還要實現(xiàn)即時通信功能，如同現(xiàn)在的手機一樣。
未來的PDA大小應(yīng)該比現(xiàn)在的手機小一點點，你可以見到PDA很可能跟現(xiàn)在的手機一樣，只有簡單的幾個按鍵和一個不太大的彩色屏幕。但不要小看它，它將可以實現(xiàn)手提電腦的全部功能，PDA上將會集成一個投射屏幕投射器，投射屏幕能在空氣中、不需要任何其他物品就可以形成影像。PDA可以完全實現(xiàn)聲控功能，萬一有需要時，它還可以透過投射器顯示出來的一個全尺寸鍵盤，你可以在這個投射鍵盤上實現(xiàn)鍵盤輸入。
量子計算機是根據(jù)原子或原子核所具有的量子學(xué)特性來工作，運用量子信息學(xué)，基于量子效應(yīng)構(gòu)建的一個完全以量子位（量子比特）為基礎(chǔ)的計算機。它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動，從而進行運算。
量子計算機有自身獨特的優(yōu)點和廣闊的發(fā)展前景。首先，量子計算機能夠進行量子并行計算，理論上可達每秒一萬億次，足夠讓物理學(xué)家去模擬原子爆炸等復(fù)雜的物理過程。其次，量子計算機用量子位存儲數(shù)據(jù)。再次，量子計算機具有與大腦類似的故障容許度，當系統(tǒng)的某部分發(fā)生故障時，輸入的原始數(shù)據(jù)會自動繞過損壞或出錯部分，進行正常運算，并不影響最終的計算結(jié)果。量子計算機不僅運算速度快，存儲量大、功耗低，而且高度微型化和集成化。
1982年，美國物理學(xué)家費勒曼提出了量子計算機的基本構(gòu)想。2001年底，美國IBM公司的科學(xué)家專門設(shè)計的多個分子放在試管內(nèi)作為7個量子比特的量子計算機，成功地進行了量子計算機的復(fù)雜運算。目前正在開發(fā)中的量子計算機有核磁共振量子計算機、硅基半導(dǎo)體量子計算機和離子阱量子計算機。據(jù)專家預(yù)見，再過30年左右，量子計算機將普及，量子計算設(shè)備將可以嵌入到任何物體當中去，雖然，目前還很難想象放在口袋中的超高速計算機是什么樣子，還有直徑只有幾十厘米的人造衛(wèi)星。
生物計算機，即脫氧核糖核酸（DNA）分子計算機，主要由生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子組成的生物芯片構(gòu)成，通過控制DNA分子間的生化反應(yīng)來完成運算。運算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)相互作用的過程。其轉(zhuǎn)換開關(guān)由酶來充當，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中明顯表示出來。上世紀70年代，人們發(fā)現(xiàn)DNA處于不同狀態(tài)時可以代表信息的有或無。DNA分子中的遺傳密碼相當于存儲的數(shù)據(jù)，DNA分子間通過生化反應(yīng)，從一種基因代瑪轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N基因代碼。反應(yīng)前的基因代碼相當于輸入數(shù)據(jù)，反應(yīng)后的基因代碼相當于輸出數(shù)據(jù)。只要能控制這一反應(yīng)過程，就可以制成脫氧核糖核酸計算機。
生物計算機以蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的生物芯片作為集成電路。蛋白質(zhì)分子比電子元件小很多，可以小到幾十億分之一米，而且生物芯片本身具有天然獨特的立體化結(jié)構(gòu)，其密度要比平面型的硅集成電路高五個數(shù)量級。生物計算機芯片本身還具有并行處理的功能，其運算速度要比當今最新一代的計算機快10萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的十億分之一。生物芯片一旦出現(xiàn)故障，可以進行自我修復(fù)，具有自愈能力。生物計算機具有生物活性，能夠和人體的組織有機地結(jié)合起來，尤其是能夠與大腦和神經(jīng)系統(tǒng)相連。這樣，植入人體的生物計算機就可直接接受大腦的綜合指揮，成為人腦的輔助裝置或擴充部分，并能由人體細胞吸收營養(yǎng)補充能量，成為幫助人類學(xué)習(xí)、思考、創(chuàng)造和發(fā)明的最理想的伙伴。
美國計算機科學(xué)家倫納德·艾德曼已成功研制出一臺脫氧核糖核酸計算機，他說：“DNA分子本質(zhì)上就是數(shù)學(xué)式，用它來代表信息是非常方便的，試管中的DNA分子在某種酶的作用下迅速完成生物化學(xué)反應(yīng)。28.3克DNA的運行速度超過了現(xiàn)代超級計算機的10萬倍。”DNA計算機的外形象普通小盒子。有非常薄的玻璃外殼，里面裝著肉眼看不見的多層蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)間由復(fù)雜的晶格連結(jié)。這種精巧的蛋白質(zhì)晶格里是一些生物分子，也就是生物計算機的“集成電路”。專家普遍認為，DNA分子計算機是未來計算機的發(fā)展方向之一。
參考資料 >