光速的未来

乏味 · 发表于 2010-10-31 11:44:46

2010年7月，英特尔公司在美国加州圣克拉拉宣布了一项重大技术进步——使用光束替代电子在计算机内部及周边进行数据传输，这也就意味着英特尔开发出了世界上首个集成了激光器的硅基光电数据联结系统研究原型。与目前的铜缆技术相比，它可以实现更长距离的数据传输以及数倍的速度提升，每秒可传输高达50GB的数据——相当于一部完整的高清电影，这也许将彻底改变未来计算机的设计方式及数据中心的架构方式。
1880年，亚历山大.贝尔曾经发明过光话，以阳光为光源，以空气为介质，以硒晶体为接收器，通话距离超过两百米。看起来像是不错，但是能够支持更长通信距离的电话出现后，这种通信方式就被人们遗弃了。
在接近一个世纪之后，它们卷土重来。上个世纪60年代初，人们终于开发出实用的激光器，远距离的光通信也开始慢慢向我们走来。现在我们已经有了光纤构成的互联网主干，而在未来的十年之内，我们也许能够看到更多更快的光通信设备，例如安装在计算机内部的光缆线路、利用可见光传输数据的局域网，甚至是使用光而非电子来传递信号的光脑。

世界的神经系统用一根筷子斜插进一碗水中，就会看到筷子像是奇怪地弯折了。这是因为在不同密度的透明介质边界处，光会产生折射和反射。人们从19世纪就开始试图利用这种原理让光线可以在玻璃中传递信息，但是直到1966年，才开始有了实质性的进展。那一年7月，来自国际电报电话公司英国标准通信研究所一位年轻博士的论文终结了这一困境。在那篇名为《光频率的介质纤维表面传导》的论文中，时年33岁的高锟博士列举了在长距离和大容量信息传输的情况下，介质所必需的结构和材料特征，认为如果要降低耗散，则应在材料、纯度以及折射率上进行相应的调整，并且给出了详细的计算过程和数据。四年之后，康宁玻璃公司终于通过化学气相沉积法制造出了符合要求的材料，今天这种名为光纤的玻璃纤维，已经延伸到世界上的大多数地区，让人们传递的消息瞬间可达。而高锟博士也因为这样的贡献，和其他两位物理学家一起分享了2009年的诺贝尔物理学奖。
今天我们所使用的光纤，依然是基于高锟博士的研究而设计的。用于长距离传输的单模光纤仅比头发粗一倍，却可以承载每秒钟数千兆乃至十万兆字节的数据，并且将之传递到数百公里以外的地方;而用于短距离的多模光纤更粗一些，成本低而传输距离和带宽也要更少。中国互联网络信息中心在今年7月份发布的《中国互联网络发展状况统计报告》中提供的数据表明，现在我国与其他国家之间的连接已经达到了974G位，每秒钟可以传递30部数字版的《大不列颠百科全书2010版》。
虽然已经够快，但是人们追求更多的欲望永远不会被满足，更多的光通信设备正在开发之中。英特尔发布的集成激光器的硅芯片级激光发射和接收器，能够稳定实现每秒50G位的数据传输。这种技术能够在一块硅片上一次制造数千个激光器，让过去这类器件的高昂成本降低到可以广泛使用的程度，让计算机之间甚至计算机内部的数据传输也可以通过细如发丝的光纤连通，大量数据瞬间即可传输完毕。
在城市之间的骨干网络方面，日本电信公司KDDI的研发实验室和日本国立信息与通信研究院合作，在去年9月已经开发出了传输带宽能够达到每秒钟30T位的光纤电缆，是现在最高光纤速度的10倍。如果一部DVD电影的容量是4.4GB的话，这意味着这种新型电缆可以在一秒种的时间内传递850部以上的电影，并且能够在240公里远的距离上依然保证信息的完整。日本计划在2012年将主要城市之间的光纤连接都换成这种新产品，就像是把小水管扩成一条河流。在这种时候，拖慢信息传递速度的瓶颈将不再是传输介质，而会转移到中继器、交换机和路由器上。这些是如今通信所必需的设备，就像是我们的传统邮局一样。投进邮筒的信件会被收集到邮局，然后再根据不同的目标地点打包运送，在到了目的地之后会被分拣，然后再分发到收件人的信箱当中。光纤相当于火车或者飞机这样的交通工具，中继器相当于燃料，路由器相当于选择最合适的传送路径，而将我们的信息发出而收集、分拣的工作就需要由交换机来完成。
在过去，这些设备需要通过光电转换来工作，先将接收到的光信号转变为电信号，然后再重新转化成光。这样处理不仅速度慢，而且能量消耗惊人。如果能够让信息在传递过程中不需要涉及到光电转化，将会好得多。

乏味 · 发表于 2010-10-31 11:45:25

这就是全光网络，人们已经在这方面做了许多工作。在上世纪90年代，掺铒光纤放大器技术开始进入实用阶段，让光纤通信的中继器不再需要电子器件。三价的铒离子在受到激发时会放出一个全新的光子，并且和原来的光子一模一样，就像是接力跑一样。在这类新技术的激励下，光转发、波长分配技术和编码技术已经成为了通信行业中的热门领域，人们尝试尽可能地减少光纤网络中的电子器件，直到光线能够在整个网络中畅通无阻地传递。最近，南加州大学和斯坦福大学的研究人员开发出了使用光子晶体材料的交换设备，这种微观结构像是几片薄片叠在一起的特殊材料能够让特定波长的光线通过，以此来对光信号进行调制，从而降低光纤网络的成本，并且提升它的效率。
当这种设备更成熟一些的时候，高速的光纤就会直接连接到住宅区或者工作场所，而那个著名的“最后一公里”问题将成为下一个阻碍。

照亮最后一公里“最后一公里”问题是指从交换机到用户计算机的那段连接。就像是电线在接进家门之前需要经过的分线盒一样，光纤会被分接到多根网线上，然后进入每一户住宅。在过去，这一般都是用双绞线来实现的：八根细线被封在一根塑料管中，然后被用特殊的钳子捏在一个俗称为“水晶头”的RJ45网线接口上。这已经成了最司空见惯的方式——至少在无线网络普及之前是这样。然而，有线的网络并不总是很方便，而无线网络的速度并不够快，安全性也面临考验。直接用光纤连接到无线光局域网，看起来像是一个好主意。
无线光局域网也不是很新的技术。使用手电打出SOS的信号可能是每个人小时候都玩过的游戏，这种使用亮或者灭来表示二进制信号，再通过摩斯编码的方式传递出去的可见光通讯方式已经有了相当悠久的历史。在上世纪70年代后期，人们就已经开始尝试使用这种方式来进行短距离的数据通讯，IBM公司的苏黎世实验室在那时就建立了第一个能够真正工作的系统。但是这项技术在很长时间内一直停滞不前，主要原因在于，使用这种方式来高速传递数据，需要有能够迅速点亮和迅速熄灭的光源。
手电筒的白炽灯泡通过给灯丝加热而发光，从通电到发光之间的时间过于漫长。曾经有人尝试制造使用白炽灯来传递信号的系统，在电路系统的控制下，它的带宽可以达到每秒钟数千位，但是没办法更高。我们需要反应更快的光源，它们将会以人眼无法识别的速度迅速闪烁，能够在每秒钟点亮和熄灭数百万次，或者更多。它并不会让人觉得难受——只要每秒钟闪烁数十次以上，我们的眼睛就会认为它是在持续发光。
能够达到这样的要求的光源，只有发光二极管 (LED)能够胜任。这种只有半个世纪历史的固体发光器材虽然还没有大规模进入照明市场，但是它已经成为了最常见的指示装置之一，早就充斥在我们的生活当中。现在，人们已经制造出了纳秒级响应的LED，它们可以在十亿分之几秒内变亮或者变暗。有了这样快的开关，可见光通信的带宽问题，终于可以解决。
今年三月，德国西门子公司发布了最新的研究结果，开发出了带宽能够达到每秒500兆位的可见光无线局域网设备，是之前最高纪录的两倍半。这个数字意味着，考虑到光在空气中传递时的信号损失，这种技术可以5米之内保证最高速度,而随着距离的变长，带宽会有下降，却始终可以保证在每秒钟100兆位的水平上。只要光线能够照射到的地方，就能够上网。
在同一时期，宾夕法尼亚大学通过投射到天花板上的红外线和灵敏的光电传感器实现了每秒钟1G位以上的数据传输，在有些时候甚至达到了1.6G位。这样的速度意味着传输一部D5版本的电影只要30秒，而这一系统的重要意义在于它并不会被人们肉眼所见，也不会被普通的电磁探测器感知到。
医院这样的地方可能会欢迎这样的技术，因为不少医疗设备都会对电磁波敏感，而可见光和红外线则不会有问题。其他对安全性要求突出的场合也会是这种技术的受益者：想要保证安全吗?拉上窗帘就好。
纵横计算的光现在，速度的瓶颈出现在计算机内部了。即使我们已经有了全光网络，但是在计算机上还不得不恢复成传统的电子方式。而我们现在正在逐渐逼近电子计算的密度极限，要提高运算速度开始变得越来越困难，也许是时候考虑让电脑变成光脑。
在刘慈欣的科幻小说《三体》中，想象了另一个外星种族，他们的身体表面覆盖着一层全反射镜面，能够随意变形，并且通过镜面聚焦的光线来交流。在小说中，这个外星种族使用大量人力建立了光计算机，通过对光的通过或阻拦，完成了一次文明的飞跃。实际上，这的确有可能。光学器件可以如同现在的电子器件一样实现各种逻辑操作，以光学器件为基础的计算设备并不存在巨大的技术障碍。

乏味 · 发表于 2010-10-31 11:45:44

使用光而非电子来进行运算的好处很多。光脑的发热量会比电脑少，而几束光可以在同一条光路中传递，只要波长和方向不一致就不会相互干扰。这让光脑的设计过程变得更加简单，而且可以在同样的体积内传递更多的信息，在一块芯片内同时进行大量的并行计算，甚至颠覆过去60余年中一直使用的二进制计算方式。目前人们已经实现了使用无光和两束偏振方向成直角的光来进行以三进制为基础的运算，这是电子计算机永远也无法实现的功能。
虽然我们可以使用透镜、滤波器和反光镜等等工具来实现传统电子计算机逻辑运算的功能，而且已经在上个世纪的最后十年成功地实现了光脑，但是传统光学器件的体积决定了今天的光脑还不能成为每个人桌面上的工具。一台能够实现如同我们现在的计算机功能的光脑的体积如同一台卡车一般，如果按照传统的思路来设计光脑，体积并不能有效地减小。
但是如果换一个思路，情况可能会变得不一样。去年9月，美国加州大学伯克利分校的研究者们制造出了纳米级别的激光器，能够发射只有5纳米宽的激光束。而光子晶体技术的迅速发展，让人们对光的控制能够达到之前无法想象的程度。这种具有只让指定波长的光通过的特性，已经帮助人们开发出了多种可能被用于光脑的微型光学器件，包括完全无损耗的反射镜和弯曲光路、低驱动能量的放大器、波长分辨率极高而体积极小的超棱镜、能够进行色散补偿的光子晶体光纤以及更高效率的发光二极管等。这些微小的组件，构成了全光化信息处理的基础，让光运算的微型和集成化成为可能。
也许在未来5年之内，我们就能够看到集成在一块芯片上的光子器件;而再过几年，将会看到光脑出现在商店的橱窗当中，速度更快、效率更高，而能耗更低。在那个时候，基于电子的信息时代将会终结，取而代之的，将是光信息时代的开始。
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光速计算的里程碑20世纪60年代，激光器首次问世，人们就感受到光的巨大魔力，并且利用激光器产生各种超高带宽、超长距离、免受电噪声干扰的激光，以此推动高速通信的巨大发展。如果让在硅材料中传播接近真空光速的激光进入高集成度的硅元件中，进行数据与信号的传输，将为计算与通信带来怎样的革命呢?
作为一项新兴技术，硅光电技术是利用标准硅实现计算机和其他电子设备之间光信息发送和接收。英特尔一直在进行硅光电领域的研发工作，致力通过传统CMOS技术制造光通信产品，从而实现计算平台的革命。从上世纪90年代中期开始，英特尔就开始进行硅光电技术的研究，但由于硅材质更适合电路传输而不是光波，因此通过硅产生激光尤其是连续的激光，是非常困难的事情。
2005年2月，英特尔在美国宣布，运用标准硅组件开发了全球第一套能驱动连续光波的硅组件激光技术,即“连续波拉曼激光器”。该技术利用拉曼效应(Raman effect)与硅晶结构来放大通过硅组件的激光，将外部光源导入实验的芯片后，产生连续完整的激光束。利用该技术能将低成本、高品质的激光以及光组件带入主流的运算、通讯及医疗应用领域，制造出低成本光学组件，以光速在计算机内外部传递数据。
今天你们看到的这款硅基光电联结系统原型，是一个传输速度高达50Gbps的联结系统，看起来也许像一款“概念车”。这将是第一个基于成本低廉且易于制造的硅继续开发利用光束在光纤上传输数据的技术，而不是使用像砷化镓这样的特殊材料做成的成本昂贵、制造困难的元件。未来，我们希望能够更好地利用“硅化”光子，把高带宽、低成本的光通信引入未来的PC、服务器和消费设备中，而这款集成混合硅激光器开发的50Gbps硅基光电联结系统也标志着实现这一愿景的重要里程碑。

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