光學運算會是未來發展方向嗎?

作者 : Bill Schweber,Planet Analog

儘管還有一些研究在進行當中,但不可否認,類比運算的時代已漸漸遠去。我們大可不必將自己局限於類比、數位甚至量子運算。但是,為什麼要停止開發這些技術呢?因為人們正在進行光學運算的研究…

多年以前,「運算(computing)」只屬於類比電路領域。它們不能把多列數字累加起來,卻可以求解複雜的微分方程式和其他方程式。一旦透過手動增益控制和接線板設置好,其即時性還是不錯的(當然在其頻寬限制範圍之內),如圖1所示的電腦。

圖1 Donner 3500是一款小型台式類比電腦。其他全類比電腦可能佔滿整個機架甚至一個小房間。(圖片來源:Time-Line Computer Archive)

類比功能(加法、減法、乘法、除法,以及微分和積分)的核心功能模組都採用了真空管運算放大器,例如George A. Philbrick Researches (GAP/R)的傳奇K2-W,如圖2所示。但它們很快就被離散電晶體運算放大器所替代,最終由積體電路(IC)取代。

圖2 GAP/R的K2-W運算放大器實物及原理圖,原理圖中的數值單位為meg-ohms和pF。(圖片來源:GAP/R校友Dan Sheingold)

電腦已經超越了電子學範疇。大約50年前,人們甚至激動地討論過「流控(fluidic)」電腦,其基本原理是利用康達效應(Coanda effect),即流體有離開本來流動的方向而改為隨凸出的物體表面流動的傾向。它們利用塑膠管中的水或空氣來實現邏輯閘,邏輯閘之間透過標準柔軟的塑膠管相連,其優點是抗噪性好,缺點有很多,其中一個缺點是體積龐大、外形笨拙。一個典型的四輸入「AND」或「OR」閘大約就有撲克牌一半大。基於空氣的流控運算仍然是蝕刻微通道研究課題(勿與廣泛使用的醫療儀器流體微通道混淆),但我們要面對現實——它很難與摩爾定律(Moore’s Law)抗衡。

儘管還有一些研究在進行當中,但不可否認,類比運算的時代已漸漸遠去。現在,我們將「運算」與「數位」關聯在一起(當然,從電子學和物理學的本質來看,數位電路本身就是類比功能的一個細分子集,但這是另外一回事了)。最近出現了大量關於量子運算(quantum computing)的高階研究專案,大量資金流入其中,然而我們並不清楚這是不是炒作,有多少希望,是否能夠實現。我們還是靜觀其變,讓那些比我更瞭解量子運算的專家來判斷吧。

我們大可不必將自己局限於類比、數位甚至量子運算。一些研究人員認為「生物(biologic)」運算才是真正的下一代運算,如果能研究出來的話。當然,它的速度可能比較慢(就像人腦),但它會是一個靈活、通用、適應性強的自學「機器」,然而短期內這不會實現。畢竟,人類還沒有真正弄清大腦的一些基本工作原理,例如大腦是怎樣(而不是在哪裡)保存影像和資料,或者在回憶一件事情時,為什麼有時候立刻就能想起來,有時要等幾小時這件事才忽然「蹦」到腦海裡。或者想一想實現自動駕駛車需要的所有運算力和電力,幾乎任何人都可以利用自己3磅重(1.4公斤)、功耗小於25W的超慢「生物電腦」,也就是大腦,透過學習然後運算出來。

但是,為什麼要停止開發這些技術呢?因為人們正在進行光學運算的研究,鑒於光的頻寬和速度,光學電腦可能運作速度快且功能強大。但控制和切換光通道確實是個難題。一些設計採用了MEMS微鏡(其原理類似於德州儀器的數位光處理技術),但即便如此,它仍然包含微型運動元件,並伴有速度與密度問題。

當然,研究人員正在尋找其他方法來發掘全光學運算的潛力。最近有一篇論文描述了一種奇妙的方法,是由麥克馬斯特大學(加拿大)與哈佛大學(Harvard) John A. Paulson工程與應用科學學院(SEAS)的研究人員合作開發。他們採用一種新型水凝膠材料來實現膨脹與收縮,這兩個過程是可逆的。較低的雷射功率會使這種材料的折射率發生變化,而水凝膠材料還充當光管使光能保留在光絲中,這一點與光纖相似,如圖3所示。「切換」功能是這樣的:當聚焦的雷射照射到水凝膠的某個區域時,該區域會略微收縮,使折射率發生變化;當雷射關閉時,水凝膠恢復到原來的狀態。

圖3 實驗室工作台上的光學裝置看起來不像一台「電腦」,事實上技術發展的最終成果很少與其最初形態相似。(圖片來源:麥克馬斯特大學)

儘管光學電腦確實可以拍出好照片,但它能做的卻不僅僅是改變折射率和光通道,如圖4所示。當多束光穿過水凝膠材料時,即使光束之間相距很遠,或者光場沒有重疊,它們也會相互作用並影響彼此的強度。論文合著者兼專案負責人、麥克馬斯特大學副教授Kalaichelvi Saravanamuttu說:「儘管光束是分開的,但它們仍然彼此可見並發生改變。」透過改變折射率,可以停止、啟動、管理和瞭解多條光絲之間的相互作用,從而產生可預測的輸出—在邏輯功能的切換和開發中,這是重要的第一步。

圖4 (A)水凝膠的光異質化機理;(B)包含水凝膠材料的彩色球;(C)紫外線-可見吸收光譜顯示溶液中的可逆異構化;(D)上面是實驗裝置圖,用於探測由於光誘發水凝膠局部收縮而引起的雷射自陷,下方是原理圖。雷射光束聚焦到水凝膠的入射面,其穿出面則成像到CCD相機。(圖片來源:麥克馬斯特大學)

若想進一步瞭解相關資訊,可以參閱發表在《Proceedings of the National Academy of Science》上的論文,一共7頁,標題頗為晦澀,為「Opto-chemo-mechanical transduction in photoresponsive gels elicits switchable self-trapped beams with remote interactions」,還可參考長達47頁的補充資訊資料和一個10秒的視訊。

我們能想到半導體以外的運算嗎?未來幾十年內有沒有任何可能我們將看到非電子運算?如果可以,會透過哪種物理過程與現象?

(參考原文:Is Optical Computing in Our Future?,by Bill Schweber)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年9月號雜誌

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