“光信息技术”向我们大步走来

光子计算机未来计算机光子计算机►1.后摩尔时代与电子计算机的极限►2.光子计算机的原理和现状►3.光子计算机的优势和前景►4.未来计算机展望

►电子计算机发展背景●1946年2月14日，世界上第一台电脑ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生，它每秒能进行5000次加法运算。●

参数

这部机器使用了18800个真空管，长50英尺，宽30英尺，占地1500平方英尺，重达30吨●缺点

￭高耗电量￭真空管高损耗率......ENIAC►电子计算机发展背景经过60多年的发展，传统计算机无论在体积，功耗，速度等方面均早已今非昔比。美国国际商业机器公司(IBM)最新研制的超级计算机“红杉”的峰值更是达到每秒20132万亿次。但是仍难以满足大规模高速度的运算要求。摩尔定律与电子计算机的极限摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（GordonMoore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。尽管这种趋势已经持续了超过半个世纪，摩尔定律仍应该被认为是观测或推测，而不是一个物理或自然法。预计定律将持续到至少2015年或2020电子计算机发展瓶颈伴随着集成电路技术发展从一维模式向多维模式转变,对物理学基础理论提出了挑战,也对物理学研究提出了新的更高要求。进入到纳米尺度,集成电路技术面临着系列物理限制的挑战,有来自于基本物理规律的物理极限,也有材料、技术、器件、系统和传统理论方面物理挑战。而光子携带信息传递的速度比电子快计算机内的芯片之间用光子互连不受电磁干扰影响，互连的密度可以很高。随着芯片的速度越来越快，芯片间需要更多的连接以获得足够的数据。

仅仅使用电子连接会使提高速度变得非常困难。

摩尔定律与电子计算机的极限一、是基本物理规律挑战。计算机处理信息是一个进行布尔逻辑运算的过程,涉及到布尔逻辑间的转换。计算机或集成电路处理信息过程是一个物理过程,需满足物理规律限制[3]。包括电磁学、量子力学测不准、热力学限制。这些是不可逾越的集成电路技术的物理极限。二、是材料方面的挑战。传统微电子材料硅衬底、二氧化硅、多晶硅和金属导电材料等无法满足集成电路技术发展需要，需要寻找新材料。三、是技术方面的挑战。传统的集成电路的光学光刻工艺、离子注入工艺等快接近物理极限,器件无法进一步缩小，需寻找新工艺方法和途径，包括新一代的替代光刻工艺等。四、是器件方面的挑战。按摩尔定律预测,mos器件开关仅需少数几个电子参与,mos器件经典理论将不适用，须采用新器件结构和新器件工作原理。五、是系统方面的挑战。包括互连延迟、系统散热问题等挑战。在集成电路实现光互连,尚有许多基础物理和技术问题需解决[4]。六是传统物理理论的挑战。传统微电子学理论的挑战。微电子学大部分理论基础是基于经典物理理论，需利用量子力学理论等。光子计算机简介

●什么是光子计算机？光子计算机以光子作为传递信息的载体，光互连代替导线互连，以光硬件代替电子硬件，以光运算代替电运算，利用激光来传送信号，并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路，从而进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长、频率、偏振态及相位的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。

光子计算机组成光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。它由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理，以光子代替电子，光运算代替电运算。光子计算机组成光由光子代替电子或电流，实现高速处理大容量信息的计算机。其基础部件是空间光调制器，并采用光内连技术，在运算部分与存储部分之间进行光连接，运算部分可直接对存储部分进行并行存取。突破了传统的用总线将运算器、存储器、输入和输出设备相连接的体系结构。运算速度极高、耗电极低。►光子芯片传统计算机发展受限：主要是来自芯片的集成度为了突破传统计算机的运算极限，人们开始研发新的计算机芯片。图为intel公司的光子芯片光子与电子的比较光子与电子的比较光子学与电子学在发展模式上也有或将有惊人地相似之处电学→电子学→电子回路→电子集成→电子系统→电子工程→电子产业光学→光子学→光子回路→光子集成→光子系统→光子工程→光子产业

光子具有的优异特性1.光子具有极高的信息容量和效率2.光子具有极快的响应能力3.光子具有极强的互连能力与并行能力4.光子具有极大的存储能力光子计算机的优势一、超高速的运算速度光子计算机并行处理能力强，因而具有更高的运算速度。美国麻省理工学院教授塞斯·罗伊德等提出了用于求解线性方程组的量子算法，认为借助并行性运算带来指数级的加速，将能远远超越现有经典计算机的速度。根据理论预计，求解一个亿亿亿变量的线性方程组，利用GHZ的并行运算的子计算机将只需要10秒钟。而现在世界上最快的超级计算机也至少需要几百年光子计算机的优势二、超大规模的信息存储容量作为信息载体，一般可见光的频率为5×1014Hz，而处于微波波段的电波频率仅为1010Hz量级，前者可承载信息的容量起码比后者高出3～4个量级三、能量消耗小，散发热量低克服巨型电子计算机运行时内部过热的难题。光子计算机发展现状.1990年1月29日,美国贝尔实验室宣布研制出世界上第一台光学计算机。它采用砷化镓光学开关，运算速度达每秒10亿次。尽管这台光学计算机与理论上的光学计算机还有一定距离，但已显示出强大的生命力。光子计算机发展现状美国马萨诸塞州的一家光学技术公司——光导发光元件系统公司目前正与美国航空航天局马歇尔航天中心合作开发用来制造光学计算机的“光”路板，实现对光子移动的控制，并有望在今年取得突破。光子计算机发展现状英国巴斯大学（UniversityofBath）的物理学家正在进行一个项目，想研制出光子计算机。这个项目由工程及物理科学研究理事会（EngineeringandPhysicalSciencesResearchCouncil）发起，总投资82万英镑。这项研究将推动光子物理的发展，同时也给了物理学家从原子级别观察世界的一次机会。光子计算机发展现状据美国物理学家组织网2011年12月14日报道，英国光纤实验室的研究人员通过对普通光纤的直径在纳米尺度上进行微调，让光纤成为了制造光子计算机必需的微谐振器，为研制出光子计算机开辟了新方法。相关研究发表在美国光学学会的《光学快报》上。未来计算机展望《新科学家》:十大最不可思议计算机(组图)--------据英国《新科学家》杂志报道,现今的计算机技术发展日新月异,但科学家们还是试图拓宽新型计算机的开发领域,近年来研制出光子计算机、量子计算机、DNA计算机等十大不可思议的奇特计算机.未来计算机展望1.光子计算机2.量子计算机3.DNA计算机4.可逆计算机5.撞球计算机神经细胞计算机6.神经细胞计算机7.磁共振计算机8.Glooper计算机9.霉变计算机10.水波计算机未来计算机展望个人觉得最有前景的是光子计算机，量子计算机和生物分子计算机。最有可能实现的是光子计算机理由：光电子技术飞速发展各类光子器件取得突破性进展全光通信已成必然趋势未来计算机展望近日，在我国宣布超级计算机“天河一号”服务用户超过300家、成为部分领域核心生产力之际，俄罗斯加入世界超级计算机俱乐部的计划对外曝光，该国科学院开始制造浮点运算速度每秒１万万亿次的本国性能最强的超级计算机。作为超级计算机大国，美国和日本早已在该领域发力，并努力夺取超级计算机头把交椅。然而，这只是在传统计算机的竞争。各国和地区在加紧传统计算机领域竞争，你追我赶的同时，都早已把目光转向在量子力学与现代信息科学“双剑合璧”的全新领域，制造运算速度之快和性能强到不可思议的量子计算机第一台商用量子计算机第一台商用量子计算机：加拿大量子计算公司D-Wave近日正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-WaveOne”，量子电脑的梦想距离我们又近了一大步。总结计算机的发展与人类发展史相比，虽然才仅仅有60多年，但是它却显示了强大的生命力与发展前景。计算机也不在简单的只局限于自身的领域。纵观其发展过程，计算机研究中最突出的特点是物理学的原理和计算机科学的交融和相互促进。计算机不再是一个抽象的数学模型，物理原理对计算机计算能力和效率的限制愈来愈引起人们的重视。总结各类新型计算机还处于发展的初期阶段，太多的技术问题等待着解决。谢谢

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参考文献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