光波不打架 運算好處多 光子取代電子 運算新時代來臨

中國時報 B4/科學周報 2008/08/24

【唐鎮宇/專題報導】
  準備好迎接「光學電腦」時代了嗎?科學家為了因應「摩爾定律」未來可能面臨的崩解,過去30年來投入相當多的心血,企圖打造「光學電腦」成為新世代電腦規格。
  「光學電腦」顧名思義,就是利用光子取代電子,進行數字運算、邏輯操作、資訊儲存及處理。由於光的速度比電流快多了,如果研發成功,運算速度可以比目前最快的電腦快上1000倍。
  光學電腦會這麼快,除了倚靠光的傳播速度快外,交大光電系教授賴(日英)杰解釋,由於不同波長的光彼此行進間不會互相干擾,所以在資料傳輸與運算上,可以平行處理不同的計算工作,等於好幾個運算單位同時運作,比現行電子電腦僅靠有電流通過與否來分辨「開與關」,當然快上許多。
  電子電腦易短路 光學成新寵
  光學電腦用什麼「光」為工具呢?賴(日英)杰說,光的波長選擇大多由所用的材料與元件來決定,要達成運作光學電腦的條件,必須找到適合的元件來產生雷射光源,透過雷射光源將電子的0與1訊號轉換成光子的0與1訊號,再加上一個光邏輯閘(Optical Logic Gate)來做邏輯運算以及其他適合的光偵測器、光開關與光邏輯閘,構成完整的系統。
  科學家研究光學電腦的基本出發點之一是根據「摩爾定律」的預測,但物理定律告訴我們,電晶體不可能一直小下去,等到最後電晶體內的矽結構如分子般大小時,電子會直接從一個單位跳到另外一個單位,造成嚴重短路。許多科學家預言,摩爾定律將在10年內面臨瓶頸,因此各國相繼投入研發可能替代的技術,包括量子電腦、DNA電腦 …。其中,人類目前最能掌控的技術,就是光學電腦。
  賴(日英)表示,目前一些大型高速電腦系統中,光的應用多半是資料交換方面,要使用光來進行一般的邏輯運算,各國仍在努力中。
  交換元件材料 科學家研發中
  光學電腦研究早期主要面臨製作光學晶體的材料以及提供電力來源的元件體積過大,導致整台電腦如果真的達到如現今個人電腦一樣的功能,至少必須要像汽車那樣大小才有辦法達成。現在有科學家結合各種奈米結構來改變物質特性,探尋輕薄短小、可做大量生產的元件。目前多使用矽與砷化鎵等材料來製作更高速及密度更大的交換元件,這兩項材料目前算是比較成熟的技術。
  賴(日英)杰說明,現有的光連結(Optical Interconnect)應用應可讓資料傳輸速率達到每個傳導通道每秒40GB的等級,如再搭配技術,總位元傳輸率有機會超過每秒TB的等級。至於光學計算方面,原則上單一光邏輯閘的速度已可小於10的負-12次方/秒,目前無法做大規模光學計算。
  (GB=10億位元組,TB=兆位元組)