带有光学器件的CPU可能是高速计算机发展的核心
与当前发展趋势相反，未来计算机的中央处理器（CPU）可能变得更大。
未来的CPU体积可能更大，但内部的晶体管的密度要低得多。 为什么？ 因为光学晶体管的诞生。
纯光学计算机和混合电子光学计算机的想法并不新鲜。 但最近的一系列进展证明人类可能正在进入一个光学处理的计算机时代。
光学计算机有两个属性使它们具有吸引力。 首先是它们很快：光脉冲是以光速传播。 光学晶体管出现，其速度非常快（想想飞秒，为千万亿分之一秒）。 这两个属性相结合，使光学计算机比电子计算机快得多。
光学计算机的缺点是使用光来切换数据通常效率低下，这意味着需要花费大量精力进行计算。 同样地，光传播速度很快，但它也会扩散，这意味着组件必须分开很远的距离。
解决方法是混合设备。光携带信息，但是以电子方式执行切换。 必须吸收光以产生电流。然后，所产生的电流用于调制另一光信号以产生光学晶体管。
能够吸收光（并产生电子）的材料通常非常大，从电子的角度来看，这需要大电容器。 电子响应受到电容器充电和放电所需时间的限制。 在调节光流方面，同样的故事重演：一块材料必须充电和放电。
不仅电容器的充电和放电需要时间，而且还需要能量。 虽然片上晶体管每比特可能使用大约1毫微焦耳（ 10-15焦耳）的能量，但光学系统可能会使用数千倍的能量。 这就是光学互连仅在数据中心（或更大规模）的计算机之间才有意义的原因。
为了获得如此卓越的性能，研究人员利用了光子晶体技术。 在这种情况下，光子晶体基本上是硅片，其中钻有许多孔。 试图穿过平板的光线会撞击这些洞并散射。 但是孔的间距和大小意味着无论光波走向哪个方向，它都会遇到与其完全不同相似的波。 结果是没有光。 换句话说，填孔板是一个完美的镜子。
如果从板上移除一行孔，则光被引导到缺失孔的轨道上。 研究人员在波导的末端放置了一点点光吸收材料。 当光线照射到吸收材料上时，会产生大量电子。 这使波导成为高速光电二极管。
研究人员设法以40Gb / s传输数据，这是大容量多波长链路的标准。 值得注意的是，这是用单一波长完成的，并且通过吸收材料的微小电容可以实现速度。
然而，研究人员做的事情比传输数据更聪明。 他们用快速光电二极管创建了一个设备。 接下来，他们放置了一个完全被孔包围的活性材料，产生（差）激光。 当通电时，激光将光泄漏到第二波导轨道中。另一方面，当激光器的有源区域中没有电子时，它将充当吸收器并从波导中吸出光。
有源区电连接到光电二极管（片上，不需要导线）。 当光电二极管吸收光时，它将电子发送到有源区，在那里它放大沿第二波导传播的任何信号。 当没有光照射到光电二极管时，光在第二波导中被吸收。因此，组合的光电二极管和调制器用作光学晶体管。
研究人员表明，他们可以调制10Gb / s的信号，这大约是光通信的标准速率。 他们还表明，光电二极管和调制器的电容低于2fF，比目前为止的其他任何东西都要小一个数量级。 然而，看起来优化电气负载可能会使数据速率显着提高。
更妙的是，光学晶体管都非常节能。 研究人员表明，他们的技术消耗不到0.1fJ / bit，使其成为片上使用的争夺者。
这并不意味着我们很快就会得到光学计算机。下一步将是混合。 研究人员建议，他们的光学晶体管对于保持多核CPU中的高速缓存之间的一致性非常有用。 它可能还对分配时钟信号很有用。
这也意味着芯片将变得更大。 在不远的将来，将某些功能移动到基于这些混合光学晶体管的计算单元是有意义的。 但是，如果Core i7处理器（内含19亿个晶体管）以光学方式实现，芯片的面积将为48平方米。 在组合光学和电子设备时，需要仔细考虑速度，功率和尺寸之间的平衡。