激光計算機

電子計算機自誕生後，發展速度是非常快的。由於結構日趨複雜化和高度集成化，於是出現了一系列難以克服的問題。

第一個問題是，儘管在電子元器件中傳輸的是很弱的電流，但隨着元器件的高度密集，工作時不僅產生的熱量會急劇增加，而且相鄰的元件也會彼此干擾。

第二個問題是，電子計算機的元器件中，電信號的傳輸速度（而不是電子的運動速度）約為每秒60千米。即便是在砷化鎵器件中，電信號的傳輸速度也不會超過每秒500千米。也就是説，電信號在導體中最快的傳輸速度遠不及光子流運動速度，這就大大限制了運算速度的提高。

第三個問題是，由於計算機的結構和功能日趨複雜化，組成運算電路的電子元件也日益增多。為了在有限的面積上容納下更多的元件，人們早就將許許多多元件密集起來，做成一個個小方塊。這類方塊就叫集成塊，或叫集成電路。每個集成塊是通過身上的插腳，固定在位置上，並與整個電路相連的。超大規模集成塊的插腳數目是很多的，而且越來越多，已有千餘隻插腳（如英特爾公司的X79和X99芯片組，就採用了2011根引腳）。若干年後，也許會出現有數千個插腳的集成塊，它們會佔據很大的地盤，以致騰不出足夠的宅基來安排它們。

隨着巨型計算機的出現，這些問題會日益嚴重。而要解決這些問題，只有將綜合功能性的計算機裝置逐一分解成許多功能單一的裝置，然後再用專門的聯接裝置將它們一個個地連接起來，但這樣一來，計算裝置就會變得更加複雜化。

電子計算機，是於上世紀40年代出生的。此後不久，科學家們便開始研製光計算機。電子計算機是以電子輸送信息，而光計算機是以光子輸送信息。

計算機問世後，科學家們自然而然地想到使用光元素器件來製造光計算機。可是，設計和進展緩慢，一直沒有結果。於是，當時世界上的光學權威，美國斯坦福大學的卓澤夫．古德曼教授認為，以最樂觀的估計，光計算機的誕生也要遲至21世紀。

1986年，美國有名的貝爾實驗室發明了用砷化鎵製成的光學開關。當然，這種開關不是我們日常使用的機械式扳動開關或撳鈕式開關，這種開關實質上是用光脈衝來控制儀器工作或休息的裝置。

1990年1月底，貝爾實驗室向大家展示了一台用光脈衝來計算的實驗裝置。儘管這台裝置跟普通電子計算機中的簡單程序處理器一樣，但它的問世畢竟説明光計算機的研究，已向前邁進了一大步。

如果用激光計算機，就不存在這些棘手的問題了。在光腦中，輸送信息的是光子，運動速度等於光速度（每秒30萬千米），要比電信號傳輸速度快得多。而且，光子攜帶和傳遞信息的能力也遠遠強於電信號。

美國、日本的不少公司都在不惜巨資研製激光計算機。預計在2025年，將開發出超級光計算機，運算速度至少比現有的電子計算機快1000倍。

以激光為基礎的計算機能廣泛地用來執行一些新任務，例如預測天氣、氣候等一些複雜而多變的過程。再如，還可以應用在電話的傳輸上。因為電話信號正在逐步由光導纖維中的激光束來傳送，如果用光計算機來處理這些信號，就不必再像現在這樣，需要在電話局內將攜帶聲音的光脈衝轉變成電脈衝，經電子計算機處理後再轉換成光脈衝發送出去。即可以省掉光—電—光的轉換過程，直接將攜帶聲音信號的光脈衝加以處理後發送出去，這樣，便大大提高了傳送效率。

由於激光計算機善於進行大量的運算，所以能高效地直接處理視覺形式、聲波形式，以及其他任何自然形式的信息。此外，它還是識別和合成語言、圖畫和手勢的理想工具。這樣，光計算機就能以最自然的形式進行人機對話和人機交流。

1990年1月29日，美國電話電報公司貝爾實驗室的科學家宣佈，貝爾實驗室以美籍華裔科學家黃庚珏為首的小組，研製成功了第一台激光計算機，這種計算機利用激光光束而非電波進行數據計算和資料處理，它的速度比當今最先進的超級電子計算機要快1000多倍，世界計算機科技將發生革命性的突破。

貝爾實驗室最早研製了晶體管，它使電子技術進入了一個嶄新的階段，改變了人們的生活。這個公司又把激光計算機與晶體管的發現相媲美。美國霍爾代爾研究中心信息系統研究室主任寧克認為，激光計算機的研製成功是人類技術史上的一件大事，同萊克兄弟製成世界上第一架飛機相比。美國“硅谷”的計算機專家譽它為“新的計算機里程碑”。

這台激光處理機像餐桌面一樣大小，不到30釐米厚，同傳統的電腦中的電子處理器不同，不再用大量的集成電路和硅片，只是由激光開關、透鏡和平鏡鏡片等一套激光裝置組成。光開關或激光計算的工作原理是，當電壓升到一定程度，光開關即激光發射器變得透明瞭，隨即從中射出一束激光光波，光波由透鏡加以聚集，再經平鏡引導、反射到另外的光開關上，實現數據轉換。然後原有光波馬上減弱，射光停止，一輪光波轉換結束，下一輪以同樣的原理和程序接着開始。這種作為光學處理器核心的光晶體管，被稱為“對稱自光電效應”，它的開關速度一秒可高達100萬次，科學家預計，將來可能製成運算速度每秒幾億次的激光計算機。

激光計算機的核心部分處理機是用激光產生的光波代替電波進行電腦基本0和1的轉換。處理機是計算機的心臟，它接收各種信號或資料，根據程式指令加以處理，然後以新的形式輸出。

由於光本身比電能攜帶更多的信號，而且不易受外界干擾，在傳導途中可以同其他光波交叉，但又不會使它處理的數據或資料遭到破壞。同時，各種激光計算機也更容易相互結合，處理互為交叉的各種問題。由此可見，激光計算機的資料處理與再處理能力以及儲存量等等，都大大超過傳統的電子計算機了。

光計算機有全光學型和光電混合型。上述貝爾實驗室的光計算機就採用了混合型結構。相比之下，全光學型計算機可以達到更高的運算速度。研製光計算機，需要開發出可用一條光束控制另一條光束變化的光學“晶體管”。現有的光學“晶體管”龐大而笨拙，若用它們造成台式計算機將有輛汽車那麼大。因此，要想短期內使光學計算機實用化還很困難。

科學家們預測，在未來的光學計算機中，仍然會用到一些電子元件，而不只是光子元件，是一種混合使用的光電計算機。最早運用的範疇可能並行運算處理器。並行運算的原理是，將一個運算問題劃分為許多個次級運算子題，而並行處理器可以同時處理這次級子題，大大減少了運算的總時間。

美國英特爾公司研製的一種並行計算機，製成了一種超級芯片860，比現有芯片快5倍。科學家估計，到本世紀末，光學計算機可能導致開發出以光為基礎的超級計算機，它的運算速度將比現有計算機快1萬倍。

光電技術已經運用在我們的日常生活中，比如激光唱片和超級市場常用的光學掃描裝置，都是用光子代替電子傳送信息的例子。另外，光纖通信也在逐步取代傳統的銅線電纜通信。