یک موفقیت مهندسی،‌ نویدبخش دستیابی به سوپرکامپیوتر نوری‌

در مقایسه با روش معمول انتقال اطلاعات از طریق الکتریسیته که مصرف انرژی بالایی را به همراه دارد، استفاده از نور در این رابطه نه تنها مصرف انرژی را کاهش می دهد، بلکه انتقال اطلاعات دیجیتال بیشتری را نیزممکن می سازد.

مهندسان دانشگاه استندفورد بدنبال آنند تا از طریق کاهش حجم کار قطعات )تراشه های( دخیل در انتقال اطلاعات، کیفیت عملکرد کامپیوترها را بهتر کرده و سرعت آنها را بالا ببرند.

در کامپیوترهای امروزی، اطلاعات از طریق سیم کشی داخلی‌ در قالب جریان الکترون منتقل می شود. انتقال اطلاعات به این روش انرژی بسیاری را می طلبد. از همین رو است لپ تاپها سریعاً گرم می شوند.

به گفته مسٔول این پروژه مهندسی‌: “چند سال پیش، همکاران ما به دقت مصرف برق کامپیوترها را مورد مطالعه قرار دادند و به این نتیجه قابل توجه رسیدند که نزدیک به ۸۰ درصد انرژی صرف انتقال داده ها از طریق سیم می شود”.

در مقاله انتشار یافته در مجله “Nature photonics”، مسٔول این گره پژوهشی راجع به پروسه عملی‌ سازی انتقال اطلاعات در کامپیوتراز طریق نور توضیح می دهد، که در جای خود انقلابی در علوم کامپیوتر به حساب می آید.

فن آوری اثبات شده

بطور خلاصه مهندسان این پروژه به دنبال آنند تا با استفاده از نسخه کوچک شده فناوری اثبات شده اینترنت، که در آن اطلاعات از طریق فیبرنوری منتقل می شوند، به اهداف خود برسند.

انتقال نوری اطلاعات در مقایسه با انتقال الکترون از طریق سیم ، انرژی کمتری نیاز دارد.

به علاوه در مقایسه با استفاده از سیستم سخت افزاری – تراشه ای کامپیوتر، سیستم نوری قادر به انتقال بیش از ۲۰ برابر اطلاعات است.

در تئوری این کار امکان پذیر است؛ چرا که سیلیکون اجازه عبور نور مادون قرمز از خود را می دهد، به همان گونه ای که شیشه نسبت به نور قابل رؤیت عمل می کند.

در این چهار چوب می‌توان ارتباطات نوری را جایگزین سیم کشی فعلی‌ کرد، ساختاری سیلیکونی به منظور حمل نور مادون قرمز.

تا امروز، مهندسان فقط توانسته ا ند در آن واحد شکلدهی‌ یک ارتباط نوری را ممکن سازند. با توجه به گستره ا ی از هزاران ارتباط در یک سیستم الکترونیکی‌، انتقال نوری اطلاعات در وضعیت موجود عملی‌ به نظر نمی رسید.

حال مهندسان دانشگاه استندفورد بر این باورند که راه حلی‌ برای این تنگنا یافته ا ند، روشی‌ که بر آن الگوریتم طراحی معکوس نام نهاده اند.

روش کار این الگوریتم همان گونه است که از اسمش بر می آید: مهندسان مشخص می کنند مدار نوری چه باید انجام دهد. سپس نرم افزار وظیفه تهیه جزییات این را که چگونه ساختار سیلیکونی لازم برای انجام وظیفه تعریف شده ساخته شود، بر عهده می‌گیرد.

تا کنون از این الگوریتم برای ساخت چندین مدار نوری در لابراتوار استفاده شده است.

محققین این پروژه بر این عقیده اند که این الگوریتم، پتانسیل کاربرد بالقوه در دیگر موارد را نیز داراست، از جمله ارتباط پهنای باند نوری، سیستمهای میکروسکوپی‌ و ارتباط کوانتومی فوق العاده امن.

نور و سیلیکون

کار دانشگاه استندفورد بر پایه این واقعیت شناخته شده عمل می کند که نور از داخل سیلیکون عبور می‌کند همان گونه که نور خورشید از درون شیشه می درخشد. نیز همان گونه که منشور، نورهای قابل رؤیت را منحرف می کند تا رنگین کمان رنگها هویدا شود، ساختارهای مختلف سیلیکونی قادرند مسیر حرکت نورهای مادون قرمز را با هدفی‌ مشخص تغییر دهند.

این الگوریتم قادر است چنان ساختار سیلیکونی را طراحی کند که بیش از ۲۰ قطعه سیلیکونی در کنار هم در قطری به اندازه موی انسان جا بگیرند.

ارتباطات سیلیکونی می توانند یک فرکانس مشخص نور مادون قرمز را به نقطه ای مشخص هدایت کنند تا جایگزین سیم خاصی‌ شوند.

از طریق وارد کردن اطلاعات در داخل این فرکانسها، این سیستم قادر است سوئچ، خط لوله یا هر آنچه را که برای انجام وظایف لازم است، تولید کند.

این الگوریتم طراحی معکوس است که باعث می شود از طریق توصیف چگونگی و مقدار منشور سیلیکون که به تغییر مسیر نور مادون قرمز منجر می شود، ارتباطات نوری برقرار شوند.

پس از آن که الگوریتم، قالب مناسب را برای انجام وظیفه محاسبه کرد، مهندسان قادرند با استفاده از پروسه های صنعتی، الگوها را به قطعات سیلیکونی تبدیل کنند.

این ساختار به مانند پنیر سویسی می ماند، به این مفهوم که از هر آنچه که تا به حال ساخته شده، بهتر عمل می‌کند.

مسٔول این پروژه و همفکرانش چندین ارتباط نوری را تا کنون ساخته اند و محدویتی در این که الگوریتمشا ن قادر به ساختن مورد خاصی‌ نباشد، نمی بینند.

در مقاله منتشره در مجله “Nature photonics”، نویسندگان این مقاله اشاره می کنند که اتوماتیک سازی طراحی گسترده مدارها به مهندسان این امکان را می دهد تا کامپیوترهای پیچیده امروزی را بسازند.

آنها بر این عقیده ا‌ند که از طریق اتوماتیک سازی پروسه طراحی ارتباط نوری، زمینه برای تولید نسل بعدی کامپیوترهای باکیفیت تر و سریعتر که در آن اطلاعات بجای کانال الکتریسیته از طریق کانال نوری انتقال یابد، ایجاد شده است.