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上大研发光学计算机 运算能力堪比2.3万个常用CPU

2017/10/25 21:06:24   来源:解放日报    

  超级计算机可以装进行李箱

  传统电子计算机通常用“1”和“0”代表电位高与低两种物理状态,以二进制运算。但如果“二”变成“三”,有3个物理状态值参与运算,将会给计算机世界带来怎样的颠覆?本届工博会高校展区,上海大学研究团队将向大众展示完全自主创新的一台三值光学计算机原型机,以光的力量突破传统计算机运算能力提升瓶颈。

  从16种到19683种结果的突破

  计算机发展史上,4位电子CPU出现在1971年;直至2006年才出现64位CPU。由于电子器件存在绝缘解决方案的瓶颈,传统原理的计算机处理器增加位数越来越难,不得不依靠在单核基础上做加法,以多个处理器的“多核”提高计算能力。

  然而,随着计算机应用需求的拓展,针对各种全新机制的计算机研究崛起,其中包括量子计算机、生物计算机、DNA计算机、超导计算机等。上海大学团队自主研发的三值光学计算机独树一帜。什么是三值光学计算机?团队负责人金翊介绍,光有着不同于电的物理特性。在他们的研究中,光的物理状态以“暗态”“亮态”来表达,其中“亮态”还可分为两个正交的偏振态,如同两只眼睛不同视角可看到立体电影一般。如此3个状态,使得光学定义上一个数据位可以有三个取值,突破了“1”和“0”的限制。“可别小看这多出的一个取值。”金翊说,传统的2值逻辑运算可以有16种结果,而3值的话,这一数字就能达到3的9次方即19683种,在计算机应用领域意味着更广阔的应用范围。

  传统电子计算机单核处理器的运算能力已很长时间停留在64位。初出茅庐的三值光学计算机用液晶阵列控制光束的偏振方向,配合偏振片来完成信息处理。由于液晶阵列的像素非常多,又不存在绝缘瓶颈,所以三值光学计算机的数据位数非常多,可轻易达百万位。另一方面,数百万像素液晶屏的功耗也在毫瓦级,决定了三值光学计算机耗能很小。更值得一提的是,基于光的特性,研究人员专门研发了名为MSD的特殊加法器,用神奇的方式省去计算机加法运算中的进位过程。“无进位”加法的使用,令计算机运算过程中百万位级别的加法与“1+1”的运算耗时一样长。

  目前不少国家都在发展超级计算机。超高级别的运算能力、能耗及速度需求,令它们无一不需要超大空间,有时甚至需要近万平方米。然而,全新开发的三值光学计算机令超级计算机装进行李箱成为可能。

  拥有三值光学计算机各项专利

  “不久的将来,我们使用14英寸高清液晶显示器工艺和近年出现的超高速液晶材料,可制造出3百万位、主频达1GHz的三值光学处理器,估计其耗电量与笔记本电脑相当,体积与两台笔记本电脑摞起来相当。若将其运算能力折合到64位、主频2GHz的处理器,则相当于2.3万个当前常用的CPU。”据介绍,去年12月,基于三值光学计算机构架的系统SD16完成三值逻辑光学处理器构造和实测。今年3月28日23时47分,SD16的0号机完成48位TW型MSD并行加法器运算测试。在研究团队眼中,这代表着三值光学计算机的0年0时0分0秒,是一个新的起点。

  目前多个国家已启动这方面的研究,上海大学是唯一能够制造三值光学计算机硬件和软件完整系统的单位。目前这个领域的各项专利都属于上海大学。

编辑:胡立荣    责任编辑:温伟伟

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