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在新型計算機的內部，一束微小的 LED 發出綠光。這些燈有自己的工作。它們在進行計算。現在，這些數學運算正在告訴計算機如何識別手寫數字影象。
該計算機是研究專案的一部分。
該裝置沒有外殼。“你可以把手伸進電腦裡擋住光線，”Hitesh Ballani 說。他解釋說，一旦他這樣做，“它就不知道自己在解決什麼問題了。”
突然間，計算機不再正確地說出數字，而是吐出“隨機猜測”，巴拉尼說。然後他把手拿開。現在流光再次正確計算。“看到它真的很令人滿意，”他說。
Ballani 是英國劍橋微軟研究院的計算機科學家。他的工作是開發這臺機器，即模擬光學計算機。顧名思義，它使用光進行計算。模擬意味著它的操作與數字相反。
在數字計算機中，訊號要麼是 1，要麼是 0。它就像一個只能開啟或關閉的電燈開關。模擬訊號更像是一個調光開關。完全開啟和完全關閉之間的任何光強度都是可能的。
需要明確的是，光已經是數字計算的重要組成部分。光纖電纜以光束的形式在計算機之間來回傳輸資料。但要真正進行計算，這些計算機必須先將光轉換成電能。
電子計算機已經到達極限。提高其速度和功率變得越來越困難。與此同時，人工智慧等新技術需要越來越多的計算能力。巴拉尼指出，“對計算能力的需求正在激增”。這些系統也消耗越來越多的能源。
模擬光學計算機和其他新型光計算技術可能有助於滿足此類需求。該技術還可以透過減少所需的能源來幫助綠色人工智慧和其他新興技術。
一些簡單的數學知識
你戴眼鏡嗎？如果你戴，恭喜你！你有自己的光學計算機。
當場景中的光線照射到這些鏡片上時，它就會變形。場景從模糊變得清晰。無論你看什麼，眼鏡都會計算出場景的變化。“而且他們這樣做不需要任何能源成本——除了製造玻璃和彎曲它的原始成本，”查爾斯·羅克斯-卡姆斯說。他在加州斯坦福的斯坦福大學和劍橋的麻省理工學院從事光學計算工作。
鏡頭濾鏡也會對光線進行簡單的計算。透明濾鏡允許所有光線透過。Ballani 解釋說，這相當於將光線強度乘以一。在另一側，你總會得到相同的強度。
黑色濾光片會阻擋所有光線，因此乘以零。有色濾光片就像一副太陽鏡，只會阻擋部分光線。他解釋說，這相當於“將光的強度乘以 0 到 1 之間的值”。你也可以新增光線。在智慧手機相機的晶片中，許多光束的強度都落在同一個區域上，這會使影象中的那個點變亮。
乘法或加法發生在濾光片或相機晶片的整個區域。許多不同的光束會同時改變。
對大量數字進行簡單運算恰好是人工智慧非常重要的一部分。但在數字計算機的中央處理器 (CPU) 中，所有這些計算通常都是逐一進行的。這會耗費時間和能源。光學計算機可以更輕鬆地同時執行此類數學運算。請注意，人工智慧中使用的某些專用電子晶片（稱為圖形處理單元 (GPU) 和張量處理單元 (TPU)）也可以同時進行大量數學運算。
超智慧鏡片
一些新型光學計算機將眼鏡或相機鏡頭的概念提升到一個新的水平。
艾多甘·奧茲坎是加州大學洛杉磯分校的一名工程師。他的團隊設計了一種感測器，他稱之為衍射光學處理器。“把它們想象成未來派的鏡頭，”他說。
每個處理器都有多層玻璃或其他材料，光線可以穿過這些材料。每層都包含許多微小結構。每個結構都會以不同的方式改變光線。儘管它們可以執行復雜的任務，但這些處理器不需要能量來執行。
工廠可能會用它來查詢所生產產品的缺陷。
“假設我正在生產某種抗癌藥物，”奧茲坎建議道。找到任何有缺陷的藥物很重要，這樣它們就不會被送到患者手中。幾乎所有的藥物都是無缺陷的。然而，如今的工廠使用計算機來處理每一批藥物的影象，掃描偶爾出現的缺陷。這浪費時間和精力。
“歸根結底，資料太多了，”奧茲坎說。“我們被資料淹沒了。”
智慧光學處理器可以改變這種情況。它可以觸發相機自動檢測缺陷。然後，工廠只需拍攝有缺陷的藥品。
Ozcan 的團隊為這項任務設計了一個光學處理器。為了測試它是否能在現實情況下發揮作用，他們用方形矽樣品代替工廠可能生產的產品。矽是一種半導體材料，用於標準計算機晶片。其中一些樣品上蝕刻有缺陷。工程師們必須弄清楚在處理器的各層中新增哪些微小結構，以便處理器能夠發現這些缺陷。
為了實現這一目標，研究人員建立了一個虛擬光學處理器，其層中具有隨機結構。他們還建立了原始矽塊的虛擬模擬。然後，他們又在 20,000 多個虛擬矽塊中添加了缺陷。
他們在一臺普通電腦上使用機器學習來訓練他們的新虛擬處理器。他們向它展示了虛擬樣本。起初，它只能隨機猜測是否存在缺陷。但每次成功或失誤之後，處理器許多微小部件的厚度（改變其透過的光量）都會進行調整，以使未來更有可能得到正確答案。
最後，虛擬光穿過有缺陷的樣本時的強度與穿過良好樣本時的強度不同。
接下來，團隊必須測試這種設計是否也能在現實世界中發揮作用。他們用3D 列印技術列印了處理器，並用一組 10 個真正的矽片進行了測試。該團隊已經在其中 9 個矽片上蝕刻了缺陷。
處理器正確識別了所有有缺陷的晶圓，而忽略了正常的晶圓。Ozcan 的團隊在 2023 年 10 月發表在《自然通訊》上的一篇論文中報告了這一成功。
該團隊還設計了用於許多其他型別任務的光學處理器。他們最新的一款處理器具有可旋轉的層。這可以幫助它加密資料。
數百萬次乘法
一旦智慧鏡片透過 3D 打印出來，其結構就不會改變。因此，每項新任務都需要設計一個新鏡片。Ozcan 指出，你可能只需要重新列印其眾多層中的一兩層。但它並不像當今典型的計算機那樣真正可程式設計。
相比之下，微軟的模擬光學計算機可以重新程式設計。但與 Ozcan 的智慧鏡片不同，它無法直接捕捉物體或場景發出的光。相反，它從電子數字影象檔案中識別手寫影象。一種稱為調製器的元件透過改變系統綠色 LED 的亮度將這些電子資料轉換為光。
這些 LED 現在照射到晶片上。它就像老師在教室裡使用的投影儀內的晶片一樣。該投影儀晶片會調亮或調暗每條光線，以進行程式設計所需的數學運算。
Ballani 指出：“該晶片上有 400 萬畫素。”這意味著“當光線穿過時，”他說，“理論上你可以 [同時] 進行 400 萬次乘法運算。”
數以百萬計的乘法不斷重複發生。每個數學問題的答案都會反饋到系統中，以新的方式使燈光變亮或變暗。計算完成後，計算機將光轉換回數位電子訊號。這成為初始問題的答案。
所以它是一臺光學/數字混合計算機。
透過 LED 和投影儀晶片迴圈傳輸的光只能執行特定型別的計算。其他型別的光則透過計算機的電子部件傳輸。該部件的工作原理也與普通計算機中的 CPU 截然不同。它處理模擬電訊號，而不是數字電訊號。
其他公司也在研究製造同時使用數位電子和光學技術的混合計算機的方法。
總部位於加州山景城的 Lightmatter 正在開發一款人工智慧晶片。它採用鐳射進行基於光的乘法運算。所有其他型別的計算都將透過典型的電子晶片進行。總部位於波士頓的 Lightelligence 公司製造了一款名為 Hummingbird 的計算機處理器。它利用光在處理器內的不同電子元件之間快速傳輸資料。
教授輕鬆的新技巧
完全光學的通用計算機目前還不存在。這是有原因的。光子比驅動普通計算機計算的電子更難控制。
在典型的數字計算機內部，元件管理著電流的流動。這有點像控制道路上的交通流量。電晶體可以快速啟動和停止電流或增加電流速率。二極體則強制電流只朝一個方向流動。
大多數型別的計算都需要這種精確的交通控制。
然而，光子卻不遵循同樣的規則。很難讓它們停止、開始或只朝一個方向流動。“大多數光子根本不喜歡與周圍環境互動，”詹妮弗·迪翁說。她是斯坦福大學的材料科學家。
控制光子通常需要體積龐大的材料，比如大磁鐵。但計算機晶片卻非常小。如果無法控制光在這些小尺度上的行為，“我認為我們將陷入計算的黑暗時代，”迪翁說。
值得慶幸的是，她是尋找控制光線新方法的專家。2019 年，她的團隊設計了一種新型二極體。它非常小。但它可以讓光只朝一個方向流動。迪翁讓這種二極體的材料像磁鐵一樣發揮作用。
“當光子穿過材料時，感覺就像在磁場中一樣，”她解釋說，“因此只能朝一個方向傳播。”
自 2019 年以來，她的團隊一直在研究用於切換光強度的材料。“我們已經證明，我們可以以非常快的速度開啟和關閉光，”她說。
她的團隊已將其與新二極體結合起來。她的博士生哈米什·卡爾·德爾加多 (Hamish Carr Delgado) 現在計劃將其開發成產品。它可能不會立即用於光學計算機。但它在資料中心可能非常有用，迪翁說。在那裡，它可以幫助引導資料（以光的形式移動）在各種電子計算機元件之間移動。
迪翁說，為了在未來繼續改進計算機，我們需要採用一系列不同的方法。光學顯然是一種很有前途的方法。但它遠非唯一。還有量子計算。以及模仿大腦運作方式的計算機。
這兩種型別的量子計算機可能都會將光作為其部分操作的一部分。例如，總部位於加利福尼亞州帕洛阿爾託的 PsiQuantum 公司已經開發出一種利用單光子進行量子操作的方法。他們製造了能夠產生和檢測單光子的微型元件。他們還製造了控制光子的元件。
到目前為止，他們已經將數以萬計的此類元件組裝到餐盤大小的矽片上。該公司聯合創始人皮特·沙德博特 (Pete Shadbolt) 表示，在顯微鏡下觀察這些矽片時，有些部件看起來“有點像外星飛船”。
很多新方法層出不窮。它們共同表明光可能會改變計算的未來。
如有矽光流片需求，
歡迎掃碼，將有專人對接。
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