| 光學電腦有智慧 應用領域廣泛 |
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【唐鎮宇／專題報導】
被科學家視為電腦未來發展的重要關鍵－光學電腦，未來不論在國防、科學研究、工業與醫學，甚至是人工智慧，都被視為光學電腦可能的重要應用。
你能想像未來的電腦能夠自己思考嗎？光學電腦有可能做到！光學電腦的超高速運算能力，使得未來的電腦有可能操縱資料與語言，還能夠逕行「推理」產生知識，可以自己寫程式；為解決某項問題自行決定步驟，從圖書館吸收資料，從成套的事實中理出規則，進一步發現、解決人們可能還不知情的問題。
運算能力超高速 可自寫程式
光學電腦也能夠接納人類提出意義欠明的問題，然後把計算出來的答案以人們容易瞭解的方式表達。
銘傳大學數位資訊傳播學系主任劉忠陽表示，傳統電腦主要是依靠中央處理器來進行浮動點式運算，依照按部就班的程序，同一時間只能對資料的的「一點」進行運作。但光學電腦每一個「光帶」都可以向對應的部分發送指令，一次可處理多達100萬個指令，加上每秒30 萬公里的高速運行光束，速度絕對可以超越現行電腦甚多，讓人工智慧成為可能。
由於各種不同波長的光在運行間不會互相干擾，所以光學電腦可在同一個傳輸裝置中、同時進行多個邏輯運算。而在長距離資料傳送中，光產生的熱與資料損失也比傳統電流少。
美「星戰計畫」 它是指揮核心
在國防應用部分，美蘇冷戰時期，美國前總統雷根在1983年提出「星戰計畫」(Star Wars Program)，主張在太空對彈道飛彈實施分層攔截，企圖用動能和定向能武器（如微波、雷射、高能粒子束、電磁動能武器等），在飛彈助推階段就將之擊落；地面攔截器則在飛彈落地之前就將它摧毀。這套計畫的核心，就是透過光學電腦擔任指揮反應的角色。
在工業領域方面，光學電腦也可用在透過影像快速分析生產線上的檢驗工作，或檢視核電廠的複雜設備是否有缺陷等。光學電腦也可能有「語言天分」，透過光學的高速傳輸、高速運算與高容量承載，光學電腦甚至可以變成即時語言翻譯機，或處理龐雜的細部設計資料，自動將產品由構想變成放在貨架上的商品。
語言天分高 可成即時翻譯機
劉忠陽認為，雖然現在光學相關應用仍需與電子結合，但從雷射印表機，文字識別器、條碼識別器、傳真機，到醫療開刀、金屬切割等來看，未來隨著光纖與藍光光碟的普及，光學帶來的超大容量資料儲存與高速傳輸，會加速科技的發展，相信在不久的將來，光學電腦的出現是可以預期。
儘管距離光學電腦實際商業化還需要一段時間，但交大光電系教授賴暎杰認為，Board-to-board的光連結目前已有商用產品，儘管光邏輯閘的發展仍屬元件層次（如光子晶體、奈米元件等），但與美、日相比，光連結技術是我未來可進一步跨足的領域。
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光波不打架 運算好處多 光子取代電子運算新時代來臨
【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）
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《小檔案》何謂摩爾定律
【唐鎮宇】
自從以矽做為電腦IC晶片的製作材料後，英特爾(Intel)創辦人之一戈登摩爾(Gordon Moore)在1965年根據自己的長期觀察，提出「同樣大小的積體電路可容納的電晶體數目，約每隔18個月就增加1倍，性能也提升1倍，價格則下降1半。」這個著名的「摩爾定律」，讓孩子們可以合理期待，今年聖誕節買的電玩，性能會比去年買的強1倍。
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4大難題待克服
【唐鎮宇／專題報導】
有關光學電腦的討論已久，美、日等國30年前就開始從事相關研發，但遲至今日仍無法進入實用階段，主要是面臨以下的問題。
問題1：體積過大。要用光束取代電力，必須先做出「光子晶體」，如同傳統電晶體一般的發出光束，研發之初受限於能源供應與材料限制，要做出具備現行桌上型電腦功能的光學電腦，體積可能大到像一台汽車。
1983年，英國的郝瓦大學(Heriot-Watt University)宣稱研發出以銻化銦為材料的光學開關，一開一關僅需萬億分之一秒，較通用矽開關快1000倍；後來美國與日本也相繼投入開發，但因為一些物理上無法克服的困難，目前仍在繼續努力。
清大材料工程系教授周立人與其研究團隊研究LED奈米線時，意外發現將金的奈米顆粒包覆在絕緣材料「氧化鎵」中，再用綠光照射，會使局部表面產生電漿共振效應；不照光或波長不對時，就不會產生電流。「不照光」與「照光」的電流切換，可成為光學電腦的重要元件，將光學電腦的體積大幅縮小。
由氧化鎵包覆的金奈米粒子，黃金的比例超過30％，未來如要大量工業化生產，成本會是關鍵，
問題2：製作環境。有些原料必須在太空，或極低溫下才能製作，都沒有矽晶片方便與便宜。
問題3：記憶體功能。傳統電腦運算時，可以由「電源供應」暫存運算的過程與結果，但光目前在技術上仍缺乏像「記憶體」一樣的東西來「留住光」。
問題4：關鍵元件不易開發。光邏輯閘必須具備低運算、低儲存功率，高運算速率與能積體化，還要能大規模串接形成模組，並能平行化等好幾種困難條件。未來希望藉助奈米化、量子化等新技術克服。
（諮詢對象：清大材料工程系教授周立人、銘傳大學數位傳播學系主任劉忠陽、交大光電系教授賴（日英）杰）
原文轉載自【2008-08-24/中國時報 /B4版/科學周報】 |
| http://tech.chinatimes.com/2007Cti/2007Cti-News/Inc/2007cti-news-Tech-inc/Tech-Content/0,4703,11050901+112008082400168,00.html |
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