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光学计算会是未来发展方向吗?

时间:2020-09-10 作者:Bill Schweber 阅读:
尽管还有一些研究在进行当中,但不可否认,模拟计算的时代已渐渐远去。我们大可不必将自己局限于模拟、数字甚至量子计算。但是,为什么要停止开发这些技术呢?因为人们正在进行光学计算的研究…
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多年以前,“计算(computing)”只属于模拟电路领域。它们不能把多列数字累加起来,却可以求解复杂的微分方程式和其他方程序。一旦透过手动增益控制和接线板设置好,其实时性还是不错的(当然在其带宽限制范围之内),如图1所示的计算机。

图1 Donner 3500是一款小型台式模拟计算机。其他全模拟计算机可能占满整个机架甚至一个小房间。(图片来源:Time-Line Computer Archive)

模拟功能(加法、减法、乘法、除法,以及微分和积分)的核心功能模块都采用了真空管计算放大器,例如George A. Philbrick Researches (GAP/R)的传奇K2-W,如图2所示。但它们很快就被离散晶体管计算放大器所替代,最终由集成电路(IC)取代。

图2 GAP/R的K2-W计算放大器实物及原理图,原理图中的数值单位为meg-ohms和pF。(图片来源:GAP/R校友Dan Sheingold)

计算机已经超越了电子学范畴。大约50年前,人们甚至激动地讨论过“流控(fluidic)”计算机,其基本原理是利用康达效应(Coanda effect),即流体有离开本来流动的方向而改为随凸出的物体表面流动的倾向。它们利用塑料管中的水或空气来实现逻辑闸,逻辑闸之间透过标准柔软的塑料管相连,其优点是抗噪性好,缺点有很多,其中一个缺点是体积庞大、外形笨拙。一个典型的四输入“AND”或“OR”闸大约就有扑克牌一半大。基于空气的流控计算仍然是蚀刻微通道研究课题(勿与广泛使用的医疗仪器流体微信道混淆),但我们要面对现实——它很难与摩尔定律(Moore’s Law)抗衡。

尽管还有一些研究在进行当中,但不可否认,模拟计算的时代已渐渐远去。现在,我们将“计算”与“数字”关联在一起(当然,从电子学和物理学的本质来看,数字电路本身就是模拟功能的一个细分子集,但这是另外一回事了)。最近出现了大量关于量子计算(quantum computing)的高阶研究项目,大量资金流入其中,然而我们并不清楚这是不是炒作,有多少希望,是否能够实现。我们还是静观其变,让那些比我更了解量子计算的专家来判断吧。

我们大可不必将自己局限于模拟、数字甚至量子计算。一些研究人员认为“生物(biologic)”计算才是真正的下一代计算,如果能研究出来的话。当然,它的速度可能比较慢(就像人脑),但它会是一个灵活、通用、适应性强的自学“机器”,然而短期内这不会实现。毕竟,人类还没有真正弄清大脑的一些基本工作原理,例如大脑是怎样(而不是在哪里)保存影像和数据,或者在回忆一件事情时,为什么有时候立刻就能想起来,有时要等几小时这件事才忽然“蹦”到脑海里。或者想一想实现自动驾驶车需要的所有计算力和电力,几乎任何人都可以利用自己3磅重(1.4公斤)、功耗小于25W的超慢“生物计算机”,也就是大脑,透过学习然后计算出来。

但是,为什么要停止开发这些技术呢?因为人们正在进行光学计算的研究,鉴于光的带宽和速度,光学计算机可能运作速度快且功能强大。但控制和切换光通道确实是个难题。一些设计采用了MEMS微镜(其原理类似于德州仪器的数字光处理技术),但即便如此,它仍然包含微型运动组件,并伴有速度与密度问题。

当然,研究人员正在寻找其他方法来发掘全光学计算的潜力。最近有一篇论文描述了一种奇妙的方法,是由麦克马斯特大学(加拿大)与哈佛大学(Harvard) John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员合作开发。他们采用一种新型水凝胶材料来实现膨胀与收缩,这两个过程是可逆的。较低的雷射功率会使这种材料的折射率发生变化,而水凝胶材料还充当光管使光能保留在光丝中,这一点与光纤相似,如图3所示。“切换”功能是这样的:当聚焦的雷射照射到水凝胶的某个区域时,该区域会略微收缩,使折射率发生变化;当雷射关闭时,水凝胶恢复到原来的状态。

图3 实验室工作台上的光学装置看起来不像一台“计算机”,事实上技术发展的最终成果很少与其最初形态相似。(图片来源:麦克马斯特大学)

尽管光学计算机确实可以拍出好照片,但它能做的却不仅仅是改变折射率和光通道,如图4所示。当多束光穿过水凝胶材料时,即使光束之间相距很远,或者光场没有重迭,它们也会相互作用并影响彼此的强度。论文合著者兼项目负责人、麦克马斯特大学副教授Kalaichelvi Saravanamuttu说:“尽管光束是分开的,但它们仍然彼此可见并发生改变。”透过改变折射率,可以停止、启动、管理和了解多条光丝之间的相互作用,从而产生可预测的输出—在逻辑功能的切换和开发中,这是重要的第一步。

图4 (A)水凝胶的光异质化机理;(B)包含水凝胶材料的彩色球;(C)紫外线-可见吸收光谱显示溶液中的可逆异构化;(D)上面是实验装置图,用于探测由于光诱发水凝胶局部收缩而引起的雷射自陷,下方是原理图。激光束聚焦到水凝胶的入射面,其穿出面则成像到CCD相机。(图片来源:麦克马斯特大学)

我们能想到半导体以外的计算吗?未来几十年内有没有任何可能我们将看到非电子计算?如果可以,会透过哪种物理过程与现象?

(参考原文:Is Optical Computing in Our Future?,by Bill Schweber)

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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