光計(jì)算使用光進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和傳輸，與傳統(tǒng)電子計(jì)算相比，提供更快的速度和更低的能耗。但是，如果好處如此明顯，為什么它還沒有成為主流呢？

什么是光計(jì)算？

光學(xué)計(jì)算使用光子（光粒子）來執(zhí)行數(shù)字計(jì)算、傳輸數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)信息。它利用光的物理特性，如高速、并行和低傳輸損耗，實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)電子計(jì)算更大的帶寬和數(shù)據(jù)吞吐量。

與依賴電流流經(jīng)晶體管的傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)不同，光計(jì)算使用光波導(dǎo)、非線性材料、光調(diào)制器和諧振器執(zhí)行邏輯運(yùn)算。這些材料通過使一個(gè)光信號(hào)控制另一個(gè)光信號(hào)來促進(jìn)全光開關(guān)，從而有效地復(fù)制電子晶體管的功能。

由于光子的相互作用不如電子強(qiáng)烈，因此光學(xué)計(jì)算系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)密集并行處理，減少熱量產(chǎn)生和最小的電磁干擾。這使得光學(xué)計(jì)算成為高性能、高能效計(jì)算的有力候選者。

廣泛采用光計(jì)算的障礙

盡管光計(jì)算具有潛力，但在更廣泛采用方面仍面臨一些障礙。其中一些限制是由于該領(lǐng)域的早期發(fā)展階段造成的，可以通過持續(xù)的研究和創(chuàng)新來解決。

其他問題則與使用光的基本限制有關(guān)，這需要與現(xiàn)有電子系統(tǒng)進(jìn)行權(quán)衡或重大技術(shù)突破。

1.易失性光學(xué)大規(guī)模存儲(chǔ)器

開發(fā)和集成全光存儲(chǔ)器仍然是光計(jì)算中的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，主要是因?yàn)楫?dāng)前的非線性光學(xué)元件缺乏實(shí)際實(shí)施所需的集成密度和效率。

波分復(fù)用等技術(shù)在小規(guī)模應(yīng)用中顯示出前景，但不能很好地?cái)U(kuò)展用于更復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。易失性光存儲(chǔ)器的保留時(shí)間也往往非常短，通常在納秒范圍內(nèi)，需要不斷刷新并增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

盡管進(jìn)行了數(shù)十年的研究，但使用光學(xué)非線性匹配電子存儲(chǔ)器密度的努力尚未成功。這仍然是光計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸。快速可靠地重置內(nèi)存是另一個(gè)重大挑戰(zhàn)。物理替換不切實(shí)際，而化學(xué)或熱重置太慢，限制了虛擬內(nèi)存的可擴(kuò)展性。機(jī)械尋址會(huì)帶來額外的復(fù)雜性，通常迫使在可靠性和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行權(quán)衡。

盡管 5D 存儲(chǔ)等一次寫入多次讀取 （WORM） 技術(shù)提供了顯著的容量增益，但它們作為易失性內(nèi)存的應(yīng)用需要架構(gòu)創(chuàng)新來有效地管理頻繁的寫入作。

2.內(nèi)存域的互連

光計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是在單個(gè)系統(tǒng)中集成多種光存儲(chǔ)器類型。當(dāng)前的技術(shù)缺乏無縫連接不同內(nèi)存域的方法，通常需要類似于電子學(xué)中基于小芯片的設(shè)計(jì)的異構(gòu)架構(gòu)。

由于系統(tǒng)將指令存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和處理單元分開（每個(gè)單元都可能依賴于不同的光學(xué)機(jī)制），互連延遲和帶寬成為關(guān)鍵限制因素。在避免馮·諾依曼瓶頸的同時(shí)實(shí)現(xiàn)近數(shù)據(jù)處理需要低延遲、高吞吐量的光互連，以保持不同光子域的信號(hào)完整性。