专栏科技周漫谈
激光如何能让计算机速度提升整整十万倍?

激光如何能让计算机速度提升整整十万倍?

  • 新的进步


      你能想象得到,未来的计算机可能会比我们现在所用的设备要快足足 10 万倍吗?一个研究团队宣称自己发现了这种可能性,因为他们在所谓的“光波电子学”领域上获得了突破。

      据了解,该科学家团队已经将他们的研究成果发表在了科学杂志上。研究者让仅仅 100 飞秒(1 飞秒等于一千万亿分之一秒)激光脉冲通过一个半导体晶体,并且做到控制它。

      科学家们的这个突破非常重要,因为计算机所产生的热应该归咎于电子的碰撞,产生能量。这种新的方法能够让电子以快到不可思议的速度移动,但同时又非常精准,让它们在工作中不至于互相碰撞。

      “在过去的几年中,我们和其他的小组发现,超短激光脉冲形成的振荡电场能让电子在固体中来回移动。”带领此次实验的德国雷根斯堡大学物理学教授鲁伯特·胡贝尔(Rupert Huber)说,“这件事马上就让所有人都兴奋了起来,因为我们未来或许可以利用这种特性,来打造一种时钟频率快得史无前例的未来计算机 —— 它的速度甚至比今天最先进的电子设备还要快上万倍,十万倍。”

      就目前来说,我们普通消费者能够接触到的最好的处理器应该就是英特尔的第七代 Core i7 了吧。它最大的时钟频率(或者说计算速度)是 4.2GHz,相当于每秒 4200000000 次时钟周期。如果说能够让计算机的处理速度快上 10 倍,这就已经算是突破性的进展了;如果是 10 万倍,那将会导向怎么样的未来,真的是难以想象。
  • 量子的世界


      在所谓的光波电子学概念里,科学家们提出的理论是电子能够用超快的激光脉冲来引导,而这很有可能将带来量子计算机领域上突破。

      我们都知道,传统的计算机世界是 0 和 1 的世界,也就是开和关。尽管计算机技术发展多年,看似性能上从来都是在不断突飞猛进,但几十年来它所基于的原理相同,也就谈不上真正的科学突破。

      然而量子计算机却不同,它所利用的是量子理论,能够提供近乎无限的可能性,因为人们能够“激活”一个电子,让它同时处于多个状态,或多个位置上。这就是所谓的“叠加(Superposition)”。

      “我们尝试让一个电子同时通过两个激发通道,这在古典的计算机理论里是不可能发生的,”美国密歇根大学发表该研究结果的联合作者马克基洛·奇拉(Mackillo Kira)描述说。“这就是量子世界……在量子世界里,什么怪事儿都可能会发生。”

      当一个电子处于激发态的时候,它会表现得就像一束波。当来自它的两个状态的波互相干涉时,就会在飞秒级别的脉冲下留下所谓的“指纹”。奇拉表示,这种真实的量子效应将被视为一种全新的,可控的振荡频率和方向。而最关键的就在于,飞秒级别的激光脉冲足够快速,能够在电子进入激发态的间隙拦截它,让它的叠加能够被加以利用,实现更多的运算。
  • 计算机的现状


      我们知道,微处理器由不同材质的几个叠层构成,它们有序地堆积在一起就成为了电子元件。这些电子元件非常小,小到只能使用显微镜才能够看到。它们在方形网格中充当开关,控制计算。因为电子元件间的距离是用纳米来计算的,所以它们彼此之间的距离越小,一个芯片里能够放置的东西也就越多。

      为什么制程工艺变得越来越小以后,不仅性能可以变得更加强大,能耗也会变低呢?缩短电子元件之间的距离会使得晶体管终端的电流容量降低,提升交换频率。晶体管在切换电子信号的时候,它的能耗和电流容量直接相关,因此能耗自然会更低。

      然而现在我们要面临的问题就在于,尽管厂商们现在仍然可以通过不断提高制程工艺,不断优化架构来获得性能以及能耗上的提升,但这样的提升是非常缓慢,而且有限的。首先,受制于切割工艺,在不破坏硅原子的前提下,芯片制造是有理论极限的,那就是 0.5 纳米。然而 0.5 纳米实际上几乎可以说是不可行的,比这大得多的制程都出现了良品率低和漏电率低的问题。

      另外还有一个完全不能忽略的现象,那就是所谓的量子隧穿。当芯片工艺小于一定程度的时候,半导体就将不能再将电子束缚住,后者突然开始畅通无阻。我们需要对电子的控制,以实现开和关,也就是 0 和 1。如果无法实现“0”了,那么现代计算机赖以维持的体系就将不复存在。根据业内人士的说法,这个界限应该就是卡在 5 纳米上。

      当然了,如今各个大厂都已经意识到了这个问题的存在,并且正在着手解决中。英特尔此前就公开了一种新材料,据说能够比现有的半导体性能更加优越,使得工艺继续变小的同时防止量子隧穿的发生。如果不出意外,摩尔定律在未来一段时间里还将继续适用。

      然而不管怎么说,我们现在能够做到的仍然只是在已有技术的基础上不断优化,还无法做到真正的突破。好在科学家已经在不断努力,而且让人们看到了成果。
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