مقدمه
تقریباً تمام کامپیوترها، موبایلها و پردازندههای امروزی بر پایهٔ الکترون کار میکنند. درون تراشهها میلیاردها ترانزیستور وجود دارد که با کنترل جریان الکتریکی عملیات منطقی و محاسبات را انجام میدهند. اما با کوچکتر شدن ترانزیستورها و افزایش مصرف انرژی و گرما، دانشمندان بهدنبال فناوری جدیدی رفتهاند: «محاسبات نوری» یا Optical Computing.
در این فناوری، بهجای الکترون، نور یا فوتون وظیفهٔ انتقال و پردازش اطلاعات را بر عهده دارد. ایدهٔ اصلی بسیار جذاب است:
نور وارد شود → محاسبه نوری انجام شود → نور خارج شود
بدون اینکه سیگنال در میانهٔ مسیر به الکتریسیته تبدیل شود.
کارشناس سحاب سید محمد جواد سجادی توضیح می دهد:
ترانزیستور نوری چیست؟
در ترانزیستور معمولی، یک جریان کوچک الکتریکی میتواند جریان بزرگتری را کنترل کند. در نسخهٔ نوری نیز تلاش میشود که یک پرتو نور، پرتو نور دیگری را کنترل کند.
به چنین ساختاری «ترانزیستور نوری» یا Optical Transistor گفته میشود.
برای این کار از موادی استفاده میشود که در اثر تابش نور تغییر ویژگی دهند. مثلاً:
- شفاف یا کدر شوند
- ضریب شکستشان تغییر کند
- نور را جذب یا منحرف کنند
در نتیجه یک نور کنترلی میتواند عبور نور اصلی را قطع یا وصل کند.
چرا نور جذاب است؟
نور نسبت به جریان الکتریکی مزایای بزرگی دارد:
- سرعت بسیار بالا
- تولید گرمای کمتر
- تداخل الکترومغناطیسی کمتر
- امکان انتقال حجم عظیم داده
- قابلیت انجام پردازش موازی
به همین دلیل امروزه شبکههای فیبر نوری بسیار سریعتر از کابلهای مسی هستند.
مهمترین چالش
بزرگترین مشکل این است که فوتونها برخلاف الکترونها بهسختی روی هم اثر میگذارند.
الکترونها دارای بار الکتریکی هستند و بهراحتی همدیگر را کنترل میکنند. اما فوتونها معمولاً بدون تعامل از کنار هم عبور میکنند.
به همین دلیل ساخت:
- حافظهٔ نوری
- ترانزیستور نوری
- گیت منطقی نوری
- پردازندهٔ کاملاً نوری
بسیار دشوار است.
گیتهای منطقی نوری
دانشمندان توانستهاند نسخههای نوری گیتهای منطقی را بسازند:
- AND
- OR
- NOT
- XOR
در این سیستمها چند پرتو نور وارد مادهای خاص میشوند و بسته به نحوهٔ تداخل یا تغییر ویژگی ماده، خروجی منطقی تولید میشود.
این فناوری پایهٔ اصلی پردازش نوری محسوب میشود.
مواد غیرخطی نوری
یکی از مهمترین بخشهای محاسبات نوری، «اپتیک غیرخطی» است.
در مواد معمولی: نور فقط عبور میکند.
اما در مواد غیرخطی: نور میتواند ویژگی ماده را تغییر دهد و بر عبور نور دیگر اثر بگذارد.
این مواد میتوانند:
- مسیر نور را تغییر دهند
- شدت نور را کنترل کنند
- فاز نور را تغییر دهند
همین ویژگی اساس ساخت ترانزیستور نوری است.
موجبرهای نوری و مدار فوتونیکی
در تراشههای فوتونیکی بهجای سیمهای مسی از مسیرهای بسیار ریز نوری استفاده میشود که «موجبر نوری» نام دارند.
نور در این کانالها حرکت میکند و:
- تقسیم میشود
- ترکیب میشود
- منحرف میشود
- سوئیچ میشود
این ساختارها چیزی شبیه سیمکشی در مدارهای الکترونیکی هستند اما با نور کار میکنند.
هوش مصنوعی نوری
یکی از جذابترین کاربردهای محاسبات نوری در هوش مصنوعی است.
برخی عملیات شبکههای عصبی مانند:
- ضرب ماتریسی
- جمع برداری
- تبدیل فوریه
بهصورت طبیعی توسط رفتار موجی نور قابل انجام هستند.
در بعضی آزمایشها، تصویر وارد یک سامانهٔ اپتیکی شده و بدون GPU کلاسیک، سیستم توانسته اشیاء را تشخیص دهد.
در واقع خود فیزیک نور بخشی از محاسبه را انجام میدهد.
شرکتها و پروژههای مهم
شرکتها و مراکز بزرگی روی این فناوری کار میکنند، از جمله:
- Intel
- IBM
- NVIDIA
- Lightmatter
- Lightelligence
- DARPA
برخی از این شرکتها تراشههای فوتونیکی ویژهٔ هوش مصنوعی تولید کردهاند.
فوتونیک کوانتومی
مرحلهٔ پیشرفتهتر این فناوری «فوتونیک کوانتومی» است.
در این روش:
- فوتونها نقش کیوبیت را دارند
- از برهمنهی و درهمتنیدگی کوانتومی استفاده میشود
شرکتهایی مانند PsiQuantum و Xanadu در حال توسعهٔ کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر نور هستند.
آیا کامپیوتر کاملاً نوری ساخته خواهد شد؟
از نظر فیزیکی، پاسخ مثبت است. اما از نظر مهندسی هنوز مشکلات بزرگی وجود دارد:
- سختی ساخت حافظهٔ نوری
- دشواری کنترل فوتونها
- کوچکسازی مدارها
- مصرف انرژی منابع نوری
- پایداری سیستم
به همین دلیل فعلاً بیشتر سیستمهای امروزی ترکیبی از: الکترونیک + فوتونیک هستند.
نتیجهگیری
محاسبات نوری یکی از مهمترین فناوریهای آینده محسوب میشود. اگر دانشمندان بتوانند ترانزیستور نوری پایدار و ارزان تولید کنند، احتمال دارد نسل آیندهٔ پردازندهها بهجای جریان الکتریکی با نور کار کنند.
در آن صورت سرعت پردازش بسیار افزایش مییابد، مصرف انرژی کاهش پیدا میکند و تحول بزرگی در هوش مصنوعی، ابرکامپیوترها و شبکههای ارتباطی رخ خواهد داد.
شاید در آینده کامپیوترهایی ساخته شوند که تمام محاسباتشان فقط با نور انجام شود؛ بدون سیمهای مسی و بدون جریان الکتریکی کلاسیک.
