1. 绪言
随着半导体器件技术的进步，计算机技术得到日新月异地空前飞跃。计算机技术的不断开拓，又促进了新的计算机应用技术的进一步发展，从而又提出开发新的超高性能计算机的要求。当然，这种要求不仅仅限于高速处理和庞大的数据量处理。在信息处理世界，往往存在“供给不足，需求过剩”的矛盾。
现在影响计算机进步的主要问题有两点：（1）集成化的限度；（2）体系结构上的限度。
为改善这些问题，目前正在进行并联计算机和相联存储器、多值逻辑等方面的研究。作为其中的研究课题之一，就是正在大力开发的用光代替电子的光并联逻辑运算处理系统。用光代替电子可以获得以下几点出色特征：
（1）电磁噪音减少。
（2）实现并联原理作为线路设计的主导思想。
（3）能使信息传递实现高速化，等等。
眼下正在全力研究具有以上优点的具体器件技术和机体结构，随着大规模并联运算方法的开发，并联光学器件和高速光开关器件以及光学布线（光互连）技术的发展等，有关的各类光学技术正在研究开发中。在这一背景下，人们对开发正规化的光运算系统（光计算机）的渴求和期待的热情逐渐高涨起来。
本文仅就近年来机械技术人员的需要，以光计算机的最新课题和动向为内容作一概述。
2. 光计算机的基本方式
就光计算机来说，现在的研究开发主要侧重于以下3种方式。
（1）时序数字运算方式
以现在的冯 · 诺伊曼型结构为基础的计算机，采用光学逻辑元件，实现了时序数字运算方式。将数字式电子计算机的各个单元、逻辑运算元件、存储器、配线等，由电子形式转换成光学方式，仍可以原封不动地利用原来电子计算机的结构格式和软件之特点。通过从电子传播往光子传播这一过程的转换，可获得解决浮动容量问题和不受电磁噪音影响的出色特征。不仅如此，而且还可以利用光来实现信息的空间分配、波长分配、偏振光分配等多样化（并联化）的处理。另外，与电子器件相比，采用光学器件，还有可能实现高速转换和降低电力消耗。这是光计算机的一大优点。
采用时序数字运算方式的光计算机，在提高运算速度方面所采用的元件是光学双稳态元件。由于光计算机以非线性光学现象和光反馈为主要工作原理，所以它具有光逻辑运算功能和光存储、光放大等机能。从某种意义上说来，光学双稳态元件起着一种光晶体管的作用。从开关速度和电力消耗两方面来看，这种器件的优越性有可能会像人们期待的那样，大大超过硅器件和约瑟夫逊元件。
（2）并联模拟运算方式
并联模拟运算方式，是将二维或三维模拟图像数据仍按原来并联方式进行处理的一种方式。并联模拟运算，主要取决于利用光衍射现象的光学空间光频滤光技术。也就是说，当使如同激光那样的干涉性高速光穿透物体时，通过透镜来观测物体受光情况。在光的聚焦面上，可获取物体的傅里叶变换图像，进而实现两种图像的相关运算。
采用这种并联模拟方式，不仅能实现傅里叶变换机能，而且还可以进行图像间的加减乘除、微分积分、逻辑运算等的基本运算和各种滤光操作。数字式电子计算机不容易实现灵活性并联运算，在光学系统中却能发挥自如，使运算过程得以高速完成。这是光计算机的又一大特点。
迄今为止，利用这种方式已开发出具有实用价值的缺陷检测装置、信息检索装置、光谱解析机、相关器等一系列特殊用途的光学系统。
并联模拟光运算方式，堪称一种最大限度发挥利用光学所谓并联性——这一最出色特征的方式。因为它属于模拟运算，故计算的精度还不太理想。为弥补这一缺陷，目前正在研究的混合方式是：对于必需要求高精度的运算部分用数字式电子计算机完成，或采用后面将介绍的并联数字式光运算方式进行。对于精度要求不那么高而需要高速并联处理的那一部分，则采用并联模拟方式完成。
（3）并联数字方式
并联模拟方式的缺点是精度不高，通过引入数字处理而使这一弊病得以克服，这就是并联数字方式。基本上可以按二维并联方式完成AND（与）、OR（或）、NOT（非）的逻辑运算。全部逻辑运算，通过AND、OR、NOT的组合就能实现。利用半加器，可以进行合成数值运算。与前面介绍的两种运算方式相比，通过采用并联数字运算方式来设计光计算机，眼下尚处初级阶段。进一步说，欲实现并联数字运算，无论是算法、结构格式，还是器件技术，目前几乎都还是一纸空白。值得庆幸的是，近年来仍有许多建议，研究和开发课题纷纷出台，使得上述三种方式在技术方面有了显著发展。
3. 用于光计算机的器件技术
在执行并联光运算时，需要能够实现二维并联数字暂时存储、并联转换、并联逻辑运算等的器件。需要能够应用具有存储、读取、消除功能的二维信号器件，这就是空间光调制器（SLM）。这种空间光调制器有各种各样的型号，大致可分为用光控制光信号的光址方式和电子控制的电子定址方式。作为光址方式的空间光调制器，采用的是由光传导性强的感电体（BL12SiO20）制成的器件，具有代表性的是采用液晶制出的器件等。作为电子定址方式的空间光调制器，以前一直采用的是艾多夫投影武器件，只是在近年，才出现用于液晶电视机中的改进型空间光调制器等。此外，随着光半导体器件技术的发展，光双稳态元件预计也会得到广泛应用。因此，目前正在研制开发以光转换技术为主要目的的光开关器件，或作为存储器件使用的光学器件。同时还在进行光双稳态器件二维阵列化的研究，它作为光计算机的空间调制器，开发和应用前景是十分乐观的。
（1）液晶空间光调制器（LCSLM）
图1示出液晶空间光调制器的一例。这一器件的光导体，是Cds与CdTe的异质面结型构体。为防止读取光射入Cds，CdTe起着遮光层的作用。读取光在感电体反射镜的作用下被反射回来。液晶，采用的是向列液晶，利用扭转向列效果和复合折射效果，在它们的混合电场效应状态下实现运算。
图1
将输入图像投射进光导体，光射入到的部分使光导体的阻抗下降，与光没有射入到的那部分相比，受光部分被施加了高电压，这样，根据输入图像的强度分布，电压加入液晶中，由于混合电场效应而使读取光的偏振光状态发生变化，再用检偏镜检测变化情况。
（2）微通道屏极空间光调制器（MSLM）
由光电面、微通道屏极（MCP）和电光学结晶构成的空间光调制器，就是MSLM。光电面、加速－聚焦电极以及微通道屏极的构造，与通常的稳定放大器结构一样，只是使用电光学结晶代替荧光面。另外，在与MCP结晶之间，为了控制结晶表面电荷，设置了网状电极。
输入图像照射在光电面上，在微通道屏极作用下，使产生的光电子从数千倍放大到1万倍，在结晶表面上形成电荷图形。对应于这种电荷图像，给结晶施加电场图像。由于电光效应使读取光的偏振光状态发生变化，进而可以再通过检偏镜检测这种变化情况。
这种器件不仅可以作为不相干 - 相干转换元件应用，而且还可以作为并联逻辑元件和阈值元件使用。
（3）光双稳态器件
把对应于一种输入光强度而使输出强度形成二种稳定状态的现象叫做光双稳定。作为光双稳定器件目前面世的各种类型，大致可分为以下几种。（a）由光非线性介质和光共振器构成的纯光学型器件；（b）用电子回路作为反馈回路的混合型器件；（c）如同半导体激光器那样，将可饱和吸收体封闭在元件内部的单块型器件里，等等。
（4）光连接
使运算元件间或存储器之间的连线用光执行光互相连接，它具有以下电子连线所不具备的几大出色特征。
（1）信号线之间几乎不存在相互干扰。
（2）元件不需要呈平面状（空间布线）。
（3）可以并联结线。
（4）易于实现可编程序的布线。
近年来，不仅有并联数字式光计算机采用的光连接方式，而且也把这种光连方式应用到了大规模集成电路（LSI）芯片内的布线上了。将光连接用于芯片内的元件间布线，可实现立体直接配线，同时能节省配线条数和缩短布线长度。
波导型连接，其布线的可编程序性和并联程度，必须根据应用对象，适当降低和提高光带幅度。
4. 光计算机的结构格式
迄今为止提出的和正在进行研究的并联光计算机的结构方案可分为以下几大类。
（1）并联模拟运算处理机；
（2）时序并联数字处理机；
（3）单块阵列处理器；
（4）线性数值运算处理器；
（5）神经回路网络处理器；
（6）光交换机。
本文仅以大规模并联处理器为一例，就（3）单块阵列处理器、（4）线性数值运算处理器作一阐述。
（1）并联光逻辑运算
当两个输入图像处于两种数值的时候，如图2那样，根据各基准点的值（1或0），对应于上下或左右一分为二的图像，使各个明暗光点实现数码化，眼下正在进行这一课题的研究。将如同这种数码化了的两个图像A与B重叠起来，再将4个光发射二极管发出的点光源适当组合一起分别使半面像素互相移动，形成如同重合的投影图案。一边观测，一边反复调节这一投影图案，直到能够对应于A与B进行两种数值的二变量逻辑函数16运算为止。这样，采用极简单的线路结构，就能实现并联数字运算，也可以说是使光的并联特性得到较为灵活应用的一种方式。这种方法，对于输入图像执行相同逻辑运算是一种空间不变型运算方式。再就是并联实现空间可变型的逻辑运算，即空间可变运算方式，目前也有人提了出来。
图2
（2）向量 - 矩阵运算
用光实现信息处理的特征之一，就是能够利用空间并联处理二维信息。特别是最近几年，根据光的调制，应用乘算或透镜等方法，应用空间积分或累积型检测器等，利用时间积分基础上的加算，使得高速处理庞大的巨量数值等一系列应用性研究十分盛行。
向量的向量积运算，各向量的各个单元，无不与计算目标的向量之总准则密切相关。另外，使输出变成本质上能进行二维并联运算的矩阵，用光学手段也易于实现它的整个演绎过程。其运算有可能用所谓的像散光学系统执行。所谓像散光学系统，就是在与光轴垂直的内面x轴和y轴上，由于焦点距离不同，从而导致成像位置也不同。例如，利用球面透镜与圆筒透镜的钽合，就能实现成像位置不相同。
（3）单块阵列处理器
所谓单块阵列处理器，就是将多个具有相同结构的处理器排列起来，使各处理器间的通信仅限于相互之间的一种结构形式。主要应用于处理图像的处理器。图4是一位名叫米尼克的学者提出的方案，示出的是一个单块阵列处理器。所谓各单元处理器，以图3（a）的构造为例，对应于两个输入x与y，形成两个输出x与y。输入x，完全在横向单元处理器中传输。输出z，是输入x与z的简单逻辑运算结果。进行逻辑运算时，只需通过控制变量（a，b，c，d）就可以决定9种类型的运算。采用米尼克的阵列，可以全部合成得到两种数值的双变量逻辑形式。图4示出用光学方法实现这种逻辑并构成系统的范例。在光并联逻辑运算部分，可以执行米尼克的9种类型的运算。在光连接部分，可以实现单元处理器单块之间的连线。采用单块阵列处理器，由于只能进行相邻处理器之间的通信，所以连接的图形只能是简单的。
图3
图4
5. 计测与光计算机
如上所述，既然光计算机的概念尚不十分明确而且又属于未涉足的尖端技术，那么，我们介绍的超并联型计算机的诞生，在应用领域的前景会是怎样的呢？除过去已经明确了的诸如图像处理、人工智能、大规模科学技术计算等领域外，应该指出的是，光计算机面向各种计测技术的应用，是不容忽视的很有发展前景的应用领域。
特别是在光图像计测、音响压力温度分布计测以及将它们组合在一起的多维实时计测方面，要求必须在极短时间内处理完大批量的并联数据。将光计算机概念引入多维数据实时处理系统，或者引进前端处理装置，无疑是重要的课题。
以上笔者从结构单元和结构格式两大方面阐述丁光计算机技术的现状。这一领域的研究，可以说刚刚有了一个开端即刚刚起步。今后的任务是，必须形成一种系统的超并联数据处理基础概念和理论，再就是全力进行高度并联化的高速运算器件技术等广泛的技术开发。总之，人们越来越热切要求具有权威性的标准光计算机问世，并对其应用前景充满无限的期望。从硬件、软件两大领域着手进行全面深入的研究开发，乃当务之急。
[机械の研究（日），1991年12月]