你想知道光速運(yùn)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?。渴裁醇夹g(shù)將引領(lǐng)未來軍事變革和社會(huì)發(fā)展？請(qǐng)看——

光子芯片：信息戰(zhàn)之“最強(qiáng)大腦”

■陸天歌　張乃千　唐嘉

光子芯片可用于電子信息對(duì)抗、武器裝備研究、大數(shù)據(jù)處理和生命科學(xué)探索等領(lǐng)域，是未來實(shí)現(xiàn)神機(jī)妙算、引領(lǐng)時(shí)代變革的核心技術(shù)之一。

在與韓國棋手李世石的圍棋大戰(zhàn)中，雖然智能機(jī)器人最終取得勝利，但也由于棋局復(fù)雜、數(shù)值計(jì)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(yùn)行方面的短板。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)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(duì)實(shí)時(shí)信息處理提出了更高要求。

美國科羅拉多大學(xué)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(jì)算主要利用光的物理性質(zhì)進(jìn)行大容量信息處理，一旦投入運(yùn)行，將徹底改變智能手機(jī)、超級(jí)計(jì)算機(jī)和大型運(yùn)算中心的計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，在軍事和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，美國海軍和美國導(dǎo)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(qiáng)大腦”，光子芯片在電子信息對(duì)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(yù)報(bào)及作戰(zhàn)數(shù)字通信系統(tǒng)等領(lǐng)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(jī)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(gòu)建光計(jì)算系統(tǒng)，運(yùn)算速度快、信息失真小、消耗能量低。理論上，光學(xué)計(jì)算機(jī)可以在啟動(dòng)的一瞬間完成所有信息處理，可對(duì)高復(fù)雜度、大數(shù)據(jù)量計(jì)算實(shí)時(shí)并行處理。

光子芯片具有明顯的速度優(yōu)勢(shì)。以光速進(jìn)行的高效計(jì)算，只要在數(shù)字信號(hào)處理器上附加一個(gè)光學(xué)加速器，就可以制成光學(xué)數(shù)字信息處理器，可使傳統(tǒng)電子芯片的運(yùn)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(guān)速度比電子器件快得多，因此光計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度在理論上可達(dá)每秒千億次以上，其信息處理速度比電子計(jì)算機(jī)要快數(shù)百萬倍。Intel公司研制的光信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸樣機(jī)，傳輸?shù)乃俾矢哌_(dá)10GB/s，是普通USB線速率的20倍。

美國科羅拉多大學(xué)研制的光子芯片，依靠“光子——電子”系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)，單個(gè)芯片上整合了超過7000萬個(gè)電晶體以及850個(gè)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(yùn)行速度快50倍。據(jù)科學(xué)估算，未來單個(gè)光子芯片將能同時(shí)執(zhí)行100萬個(gè)并行任務(wù)，大量光子芯片并行運(yùn)算，數(shù)據(jù)處理能力可達(dá)到目前最龐大的電子芯片計(jì)算機(jī)的1000倍。

應(yīng)用廣泛潛力無限

經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)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(fù)。此外，由于光路在空中交叉?zhèn)鬏斢只ゲ桓蓴_，光計(jì)算具有天然的并行性，可在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)同時(shí)進(jìn)行多路計(jì)算，不僅速度快而且結(jié)果精準(zhǔn)。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(shí)驗(yàn)證明，同樣的電量下光子芯片的數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算能力更強(qiáng)。

光學(xué)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(xué)數(shù)字處理器。該光處理器利用光柵卷積原理，實(shí)現(xiàn)了每秒8萬億次的數(shù)值運(yùn)算。美國的IBM公司宣稱已研制出微米級(jí)別的光開關(guān)，可利用比發(fā)絲還細(xì)的碳管實(shí)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(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，更可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xué)和日本電報(bào)電話公司共同研制的量子光學(xué)芯片，將光子當(dāng)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(jī)器設(shè)備變得更“聰慧”。

事實(shí)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(xué)特性，而光信號(hào)的折射、干涉、衍射、偏振等很多特性還遠(yuǎn)未被有效利用。譬如，美國一家公司推出的全廣播光交換機(jī)，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(shù)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(jí)計(jì)算等領(lǐng)域大有用武之地。利用光子芯片搭建量子計(jì)算機(jī)，能靈活模擬現(xiàn)有數(shù)字計(jì)算機(jī)的任意工作狀態(tài)，將廣泛應(yīng)用于武器裝備設(shè)計(jì)制造、情報(bào)獲取和分析處理、戰(zhàn)爭設(shè)計(jì)與戰(zhàn)場模擬、衛(wèi)星導(dǎo)航定位等諸多領(lǐng)域。美國航空局目前正在研制新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)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(yīng)用量身打造的，它可在短時(shí)間內(nèi)審查大量數(shù)據(jù)，迅速識(shí)別出非常隱秘的潛在威脅。依靠光纖通信和光子連接技術(shù)運(yùn)行的光交換設(shè)備、光探測(cè)器和調(diào)制器，將進(jìn)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(shí)效力，各類武器裝備將隨著光波導(dǎo)和光子技術(shù)的應(yīng)用得到性能上的巨大提升。由美國海軍空戰(zhàn)中心和導(dǎo)彈防御局授權(quán)美國公司研究的先進(jìn)光學(xué)處理器，主要用來加強(qiáng)大型軍用雷達(dá)的芯片計(jì)算和處理能力，將在雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。

光學(xué)計(jì)算是影響未來信息技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略性工程?？茖W(xué)家正在將微電子技術(shù)與光子技術(shù)結(jié)合，研制新型光電集成系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于大型多媒體廣播系統(tǒng)、機(jī)場安全檢查系統(tǒng)和醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在移動(dòng)通信領(lǐng)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(yùn)算必須的基因數(shù)據(jù)配對(duì)時(shí)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(duì)軍事變革和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生強(qiáng)有力助推。