你想知道光速運轉(zhuǎn)的電腦什么樣嗎？你可知未來的數(shù)據(jù)中心將變成芯片那般大??？什么技術將引領未來軍事變革和社會發(fā)展？請看——

光子芯片：信息戰(zhàn)之“最強大腦”

■陸天歌　張乃千　唐嘉

光子芯片可用于電子信息對抗、武器裝備研究、大數(shù)據(jù)處理和生命科學探索等領域，是未來實現(xiàn)神機妙算、引領時代變革的核心技術之一。

在與韓國棋手李世石的圍棋大戰(zhàn)中，雖然智能機器人最終取得勝利，但也由于棋局復雜、數(shù)值計算量大而頻現(xiàn)漏洞，充分暴露了電子芯片在數(shù)據(jù)處理能力和高速穩(wěn)定運行方面的短板。隨著大數(shù)據(jù)時代和信息化戰(zhàn)爭的到來，各種作戰(zhàn)和保障數(shù)據(jù)相互交織，對實時信息處理提出了更高要求。

美國科羅拉多大學科研人員日前研制成功世界上第一款依靠“光子”傳輸資料的微處理器芯片。光計算主要利用光的物理性質(zhì)進行大容量信息處理，一旦投入運行，將徹底改變智能手機、超級計算機和大型運算中心的計算與網(wǎng)絡構架，在軍事和民用領域具有廣泛的應用前景。目前，美國海軍和美國導彈防御局先后投入巨資開展光子芯片的研制。作為未來信息戰(zhàn)爭的“最強大腦”，光子芯片在電子信息對抗、軍事多維物聯(lián)網(wǎng)、戰(zhàn)場數(shù)據(jù)處理、戰(zhàn)場氣象預報及作戰(zhàn)數(shù)字通信系統(tǒng)等領域有廣泛發(fā)展前景，是新軍事變革的重要信息化裝備。

快速靈敏神機妙算

光粒子是一定物理層面上速度最快的粒子，光波具有不同的波長、頻率、偏振態(tài)和相位信息，可以用來代表不同數(shù)據(jù)。利用光子芯片構建光計算系統(tǒng)，運算速度快、信息失真小、消耗能量低。理論上，光學計算機可以在啟動的一瞬間完成所有信息處理，可對高復雜度、大數(shù)據(jù)量計算實時并行處理。

光子芯片具有明顯的速度優(yōu)勢。以光速進行的高效計算，只要在數(shù)字信號處理器上附加一個光學加速器，就可以制成光學數(shù)字信息處理器，可使傳統(tǒng)電子芯片的運算速度得到巨大提升。由于傳輸所造成的信息畸變和失真極小，光器件的開關速度比電子器件快得多，因此光計算機的運算速度在理論上可達每秒千億次以上，其信息處理速度比電子計算機要快數(shù)百萬倍。Intel公司研制的光信號數(shù)據(jù)傳輸樣機，傳輸?shù)乃俾矢哌_10GB/s，是普通USB線速率的20倍。

美國科羅拉多大學研制的光子芯片，依靠“光子——電子”系統(tǒng)協(xié)同運轉(zhuǎn)，單個芯片上整合了超過7000萬個電晶體以及850個光子元件，具有邏輯處理電路、內(nèi)存等功能，比現(xiàn)有的電子芯片運行速度快50倍。據(jù)科學估算，未來單個光子芯片將能同時執(zhí)行100萬個并行任務，大量光子芯片并行運算，數(shù)據(jù)處理能力可達到目前最龐大的電子芯片計算機的1000倍。

應用廣泛潛力無限

經(jīng)過近半個世紀的遵從摩爾定律的加速發(fā)展，傳統(tǒng)電子芯片逐漸遇到性能瓶頸。電子處理器依靠邏輯電路傳輸數(shù)據(jù)，隨著數(shù)據(jù)傳輸量與日俱增、傳輸速度需求越來越高，電子芯片漸漸不堪重負。此外，由于光路在空中交叉?zhèn)鬏斢只ゲ桓蓴_，光計算具有天然的并行性，可在一個時間段內(nèi)同時進行多路計算，不僅速度快而且結果精準。光子芯片的自身能耗非常低，利用光子輸入/輸出端口傳輸1Tb數(shù)據(jù)僅消耗電能1.3瓦。實驗證明，同樣的電量下光子芯片的數(shù)據(jù)傳輸和計算能力更強。

光學器件微型化腳步正悄然而至。2003年以色列l(wèi)enslet公司公開展示了全球首枚嵌入光核心的商用光學數(shù)字處理器。該光處理器利用光柵卷積原理，實現(xiàn)了每秒8萬億次的數(shù)值運算。美國的IBM公司宣稱已研制出微米級別的光開關，可利用比發(fā)絲還細的碳管實現(xiàn)光束數(shù)據(jù)傳輸，Intel公司也加大了硅光集成芯片的研發(fā)力度。

采用光子芯片不僅可以提升計算機的運算速度，更可以輕松實現(xiàn)對人腦思維的模擬，人工智能水平將得到巨大提升。由布里斯托大學和日本電報電話公司共同研制的量子光學芯片，將光子當成可自由組合的“積木”一樣編碼排列，能快速切換數(shù)據(jù)狀態(tài)，可使機器設備變得更“聰慧”。

事實上，光子芯片還有許多潛力待挖掘。在信息處理中人們通常只利用了光路傳輸這一基本光學特性，而光信號的折射、干涉、衍射、偏振等很多特性還遠未被有效利用。譬如，美國一家公司推出的全廣播光交換機，利用了光的散射和空間不相干特性，有效解決了令電子芯片“頭疼”的多維數(shù)據(jù)交換難題。

信息戰(zhàn)場大顯神通

隨著光電子技術的飛速發(fā)展，未來光子芯片將在軍事安全、多媒體和智能終端、超級計算等領域大有用武之地。利用光子芯片搭建量子計算機，能靈活模擬現(xiàn)有數(shù)字計算機的任意工作狀態(tài)，將廣泛應用于武器裝備設計制造、情報獲取和分析處理、戰(zhàn)爭設計與戰(zhàn)場模擬、衛(wèi)星導航定位等諸多領域。美國航空局目前正在研制新一代超級計算機系統(tǒng)，光子芯片正是其中的“智慧大腦”。

光子芯片在戰(zhàn)場上也將展示“大智慧”。Enlight光子芯片就是為軍事應用量身打造的，它可在短時間內(nèi)審查大量數(shù)據(jù)，迅速識別出非常隱秘的潛在威脅。依靠光纖通信和光子連接技術運行的光交換設備、光探測器和調(diào)制器，將進一步優(yōu)化現(xiàn)有電子裝備系統(tǒng)的性能。未來光子元件將與電子元件同時效力，各類武器裝備將隨著光波導和光子技術的應用得到性能上的巨大提升。由美國海軍空戰(zhàn)中心和導彈防御局授權美國公司研究的先進光學處理器，主要用來加強大型軍用雷達的芯片計算和處理能力，將在雷達探測領域得到重要應用。

光學計算是影響未來信息技術發(fā)展的戰(zhàn)略性工程。科學家正在將微電子技術與光子技術結合，研制新型光電集成系統(tǒng)，可廣泛應用于大型多媒體廣播系統(tǒng)、機場安全檢查系統(tǒng)和醫(yī)學數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在移動通信領域可消除同一基站內(nèi)用戶間的相互干擾，在生物科技方面可大大縮短運算必須的基因數(shù)據(jù)配對時間。未來光子芯片還將用于軍事通信加密、軍用新材料和非傳統(tǒng)武器的開發(fā)，對軍事變革和社會發(fā)展產(chǎn)生強有力助推。