多年以前，“计算”只属于模拟电路领域。它们不能把多列数字累加起来，却可以求解复杂的微分方程和其他方程。一旦通过手动增益控制和接线板设置好，其实时性还是不错的（当然在其带宽限制范围之内），如图1所示的计算机。
图1：Donner 3500是一款小型台式模拟计算机。其他全模拟计算机可能占满整个机架甚至一个小房间。（图片来源：Time-Line Computer Archive）
模拟函数（加法、减法、乘法、除法，以及微分和积分）的核心功能模块都采用了真空管运算放大器，例如George A. Philbrick Researches (GAP/R)公司的传奇K2-W，如图2所示。但它们很快就被分立晶体管运算放大器所替代，最终由集成电路取代。
图2：GAP/R的K2-W运算放大器实物及原理图，原理图中的数值单位为MΩ和pF。（图片来源：GAP/R校友Dan Sheingold）
计算机已经超越了电子学范畴。大约50年前，人们甚至激动地讨论过“流控”计算机，其基本原理是利用康达效应（Coanda effect），即流体有离开本来流动的方向而改为随凸出的物体表面流动的倾向。它们利用塑料管中的水或空气来实现逻辑门，逻辑门之间通过标准的软塑料管相连。其优点是抗噪性好，缺点有很多，其中一个缺点是体积庞大、外形笨拙。一个典型的四输入“与”或“或”门大约就有扑克牌的一半大。基于空气的流控计算仍然是蚀刻微通道研究课题（不要与广泛使用的医疗仪器流体微通道混淆），但我们要面对现实——它很难与摩尔定律抗衡。
尽管还有一些研究在进行当中，但不可否认，模拟计算的时代已渐渐远去。现在，我们将“计算”与“数字”关联在一起（当然，从电子学和物理学的本质来看，数字电路本身就是模拟功能的一个细分子集，但这是另外一回事）。最近出现了大量关于量子计算的高端研究项目，大量资金流入其中，然而我们并不清楚这是不是炒作，有多少希望，是否能够实现。我们还是静观其变，让那些比我更了解量子计算的专家来判断吧。
我们大可不必将自己局限于模拟、数字甚至量子计算。一些研究人员认为“生物”计算才是真正的下一代计算，如果我们能研究出来的话。当然，它的速度可能比较慢（就像人脑），但它会是一个灵活、通用、适应性强的自学“机器”，然而短期内这不会实现。毕竟，人类还没有真正弄清大脑的一些基本工作原理，例如大脑是怎样（而不是在哪里）保存图像和数据的，或者在回忆一件事情时，为什么有时候立刻就能想起来，有时要等几小时这件事才忽然“蹦”到脑海里。或者想一想实现自动驾驶汽车需要的所有算力和电力，几乎任何人都可以利用自己3磅重（1.4千克）、功耗小于25W的超慢“生物计算机”（大脑），通过学习然后计算出来。
但是，为什么要停止开发这些技术呢？因为人们正在进行光学计算的研究，鉴于光的带宽和速度，光学计算机可能运行速度快且功能强大。但控制和切换光通道确实是个难题。一些设计采用了MEMS微镜（其原理类似于德州仪器的数字光处理技术），但即便如此，它仍然包含微型运动部件，并伴有速度与密度问题。
研究人员正在寻找其他方法来发掘全光学计算的潜力。最近有一篇论文描述了一种奇妙的方法，是由麦克马斯特大学（加拿大）与哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员合作开发的。他们采用一种新型水凝胶材料来实现膨胀与收缩，这两个过程是可逆的。较低的激光功率会使这种材料的折射率发生变化，而水凝胶材料还充当光管使光能保留在光丝中，这一点与光纤相似，如图3所示。“切换”功能是这样的：当聚焦的激光照射到水凝胶的某个区域时，该区域会略微收缩，使折射率发生变化；当激光关闭时，水凝胶恢复到原来的状态。
图3：实验室工作台上的光学装置看起来不像一台“计算机”，事实上技术发展的最终成果很少与其最初形态相似。（图片来源：麦克马斯特大学）
尽管光学计算机确实可以拍出好照片，但它能做的却不仅仅是改变折射率和光通道，如图4所示。当多束光穿过水凝胶材料时，即使光束之间相距很远，或者光场没有重叠，它们也会相互作用并影响彼此的强度。论文合著者兼项目负责人、麦克马斯特大学副教授Kalaichelvi Saravanamuttu说：“尽管光束是分开的，但它们仍然彼此可见并发生改变。”通过改变折射率，可以停止、启动、管理和了解多条光丝之间的相互作用，从而产生可预测的输出——在逻辑功能的切换和开发中，这是重要的第一步。
图4：（A）水凝胶的光异构化机理；（B）包含水凝胶材料的彩色球；（C）紫外-可见吸收光谱显示溶液中的可逆异构化；（D）上面是实验装置图，用于探测由于光诱发水凝胶局部收缩而引起的激光自陷，下面是原理图。激光束聚焦到水凝胶的入射面，其穿出面则成像到CCD相机。（图片来源：麦克马斯特大学）
若想进一步了解相关信息，可以参阅发表在Proceedings of the National Academy of Science上的论文，一共七页，标题颇为晦涩，为“Opto-chemo-mechanical transduction in photoresponsive gels elicits switchable self-trapped beams with remote interactions”，还可参考长达47页的补充信息资料和一个10秒的视频。
我们能想到半导体以外的计算吗？未来几十年内有没有任何可能我们将看到非电子计算？如果可以，会通过哪种物理过程与现象？
（原文刊登于ASPENCORE旗下Planet Analog网站，参考链接：Is Optical Computing in Our Future?，由Jenny Liao编译。）
本文为《电子技术设计》2020年10月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
最前沿的电子设计资讯
