上大自主研發三值光學計算機運算能力堪比23萬個常用CPU

　　傳統電子計算機通常用“1”和“0”代表電位高與低兩種物理狀態，以二進制運算。但如果“二”變成“三”，有3個物理狀態值參與運算，將會給計算機世界帶來怎樣的顛覆？本屆工博會高校展區，上海大學研究團隊將向大眾展示完全自主創新的一台三值光學計算機原型機，以光的力量突破傳統計算機運算能力提升瓶頸。

　　計算機發展史上，4位電子CPU出現在1971年﹔直至2006年才出現64位CPU。由於電子器件存在絕緣解決方案的瓶頸，傳統原理的計算機處理器增加位數越來越難，不得不依靠在單核基礎上做加法，以多個處理器的“多核”提高計算能力。

　　然而，隨著計算機應用需求的拓展，針對各種全新機制的計算機研究崛起，其中包括量子計算機、生物計算機、DNA計算機、超導計算機等。上海大學團隊自主研發的三值光學計算機獨樹一幟。什麼是三值光學計算機？團隊負責人金翊介紹，光有著不同於電的物理特性。在他們的研究中，光的物理狀態以“暗態”“亮態”來表達，其中“亮態”還可分為兩個正交的偏振態，如同兩隻眼睛不同視角可看到立體電影一般。如此3個狀態，使得光學定義上一個數據位可以有三個取值，突破了“1”和“0”的限制。“可別小看這多出的一個取值。”金翊說，傳統的2值邏輯運算可以有16種結果，而3值的話，這一數字就能達到3的9次方即19683種，在計算機應用領域意味著更廣闊的應用范圍。

　　傳統電子計算機單核處理器的運算能力已很長時間停留在64位。初出茅廬的三值光學計算機用液晶陣列控制光束的偏振方向，配合偏振片來完成信息處理。由於液晶陣列的像素非常多，又不存在絕緣瓶頸，所以三值光學計算機的數據位數非常多，可輕易達百萬位。另一方面，數百萬像素液晶屏的功耗也在毫瓦級，決定了三值光學計算機耗能很小。更值得一提的是，基於光的特性，研究人員專門研發了名為MSD的特殊加法器，用神奇的方式省去計算機加法運算中的進位過程。“無進位”加法的使用，令計算機運算過程中百萬位級別的加法與“1+1”的運算耗時一樣長。

　　目前不少國家都在發展超級計算機。超高級別的運算能力、能耗及速度需求，令它們無一不需要超大空間，有時甚至需要近萬平方米。然而，全新開發的三值光學計算機令超級計算機裝進行李箱成為可能。

　　“不久的將來，我們使用14英寸高清液晶顯示器工藝和近年出現的超高速液晶材料，可制造出3百萬位、主頻達1GHz的三值光學處理器，估計其耗電量與筆記本電腦相當，體積與兩台筆記本電腦摞起來相當。若將其運算能力折合到64位、主頻2GHz的處理器，則相當於2.3萬個當前常用的CPU。”據介紹，去年12月，基於三值光學計算機構架的系統SD16完成三值邏輯光學處理器構造和實測。今年3月28日23時47分，SD16的0號機完成48位TW型MSD並行加法器運算測試。在研究團隊眼中，這代表著三值光學計算機的0年0時0分0秒，是一個新的起點。

　　目前多個國家已啟動這方面的研究，上海大學是唯一能夠制造三值光學計算機硬件和軟件完整系統的單位。目前這個領域的各項專利都屬於上海大學。

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