در دنیای امروز، کامپیوترها و دستگاه‌های الکترونیکی نقش بسیار مهمی در زندگی ما ایفا می‌کنند. از تلفن‌های همراه کوچک گرفته تا ابرکامپیوترهای عظیم، همه آن‌ها برای پردازش اطلاعات از مدارهای الکترونیکی استفاده می‌کنند. اما دانشمندان به دنبال راه‌های جدیدی برای افزایش سرعت و کارایی این دستگاه‌ها هستند. یکی از این راه‌ها استفاده از نور به جای الکتریسیته برای پردازش اطلاعات است که به آن “فوتونیک” می‌گویند. این فناوری جدید می‌تواند انقلابی در دنیای محاسبات ایجاد کند.
قانون مور و محدودیت‌های آن
برای چندین دهه، سرعت و قدرت کامپیوترها به طور چشمگیری افزایش یافته است. این افزایش سرعت و قدرت، تا حد زیادی مدیون “قانون مور” بوده است. قانون مور بیان می‌کند که تعداد ترانزیستورها (اجزای اصلی مدارهای الکترونیکی) که می‌توانند روی یک تراشه قرار بگیرند، تقریباً هر دو سال دو برابر می‌شود. این افزایش تعداد ترانزیستورها منجر به افزایش سرعت و کاهش اندازه کامپیوترها شده است.
اما اکنون، این روند رو به پایان است. دانشمندان به محدودیت‌های فیزیکی رسیده‌اند. دیگر نمی‌توان ترانزیستورها را به همین راحتی کوچک‌تر کرد و تعداد آن‌ها را افزایش داد. یکی از دلایل این محدودیت، گرمای زیادی است که توسط این قطعات بسیار کوچک و فشرده تولید می‌شود. این گرما می‌تواند باعث اختلال در عملکرد دستگاه‌ها شود. در نتیجه، سرعت پیشرفت کامپیوترها کند شده است، در حالی که نیاز ما به قدرت محاسباتی بیشتر، به خصوص با ظهور فناوری‌هایی مانند هوش مصنوعی و یادگیری ماشین، روز به روز در حال افزایش است.
فوتونیک: راه‌حلی برای غلبه بر محدودیت‌ها
برای حل مشکل محدودیت‌های قانون مور، دانشمندان به دنبال راه‌حل‌های جدیدی هستند. یکی از امیدوارکننده‌ترین این راه‌حل‌ها، استفاده از “فوتونیک” است. فوتونیک شاخه‌ای از علم است که به مطالعه و کاربرد نور می‌پردازد. در محاسبات فوتونی، به جای استفاده از جریان الکتریکی برای انتقال و پردازش اطلاعات، از نور استفاده می‌شود.
مزایای استفاده از فوتونیک
استفاده از نور برای پردازش اطلاعات مزایای زیادی دارد، از جمله:
- مصرف انرژی کمتر: نور برای انتقال اطلاعات به انرژی بسیار کمتری نسبت به الکتریسیته نیاز دارد. این موضوع می‌تواند باعث کاهش مصرف برق دستگاه‌های الکترونیکی شود.
- سرعت بالاتر: نور با سرعت بسیار بالاتری نسبت به الکتریسیته حرکت می‌کند. این موضوع می‌تواند منجر به افزایش چشمگیر سرعت انتقال و پردازش اطلاعات شود.
- تأخیر کمتر: تأخیر به مدت زمانی گفته می‌شود که طول می‌کشد تا اطلاعات از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل شود. استفاده از نور می‌تواند این تأخیر را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
محاسبات درون حافظه و حافظه‌های فوتونی
یکی از رویکردهای مهم در محاسبات فوتونی، “محاسبات درون حافظه” است. در این روش، پردازش اطلاعات در داخل حافظه انجام می‌شود، نه در یک واحد پردازش جداگانه. این کار باعث افزایش سرعت و کاهش مصرف انرژی می‌شود. برای انجام محاسبات درون حافظه با استفاده از نور، به “حافظه‌های فوتونی” نیاز است. این حافظه‌ها اطلاعات را به صورت نور ذخیره و پردازش می‌کنند.
چالش‌های پیش روی حافظه‌های فوتونی
اگر چه ایده حافظه‌های فوتونی بسیار جذاب است، اما ساخت این حافظه‌ها با چالش‌هایی روبرو بوده است. دو چالش اصلی عبارتند از:
- سرعت سوئیچینگ پایین: سوئیچینگ به تغییر وضعیت حافظه (از صفر به یک و بالعکس) گفته می‌شود. سرعت پایین سوئیچینگ می‌تواند باعث کاهش سرعت پردازش اطلاعات شود.
- قابلیت برنامه‌ریزی محدود: برخی از حافظه‌های فوتونی فقط می‌توانند یک نوع عملیات را انجام دهند و قابلیت برنامه‌ریزی مجدد برای انجام عملیات‌های دیگر را ندارند.
پیشرفت جدید در فناوری‌های فوتونی
به تازگی، یک تیم بین‌المللی از محققان توانسته‌اند با ساخت یک “پلتفرم فوتونی” جدید، بر این محدودیت‌ها غلبه کنند. این پلتفرم جدید از ماده‌ای خاص به نام “گارنت آهن ایتریم جایگزین شده با سریم” (Ce:YIG) استفاده می‌کند. این ماده خاصیت جالبی دارد و آن هم اینکه خواص نوری آن با تغییر میدان مغناطیسی خارجی تغییر می‌کند.
ویژگی‌های حافظه‌های فوتونی جدید
حافظه‌های فوتونی ساخته شده با این پلتفرم جدید دارای ویژگی‌های زیر هستند:
- سرعت سوئیچینگ 100 برابر بیشتر: این حافظه‌ها 100 برابر سریع‌تر از بهترین حافظه‌های فوتونی موجود، می‌توانند وضعیت خود را تغییر دهند.
- مصرف انرژی 10 برابر کمتر: این حافظه‌ها فقط یک دهم انرژی حافظه‌های فوتونی معمولی را مصرف می‌کنند.
- قابلیت برنامه‌ریزی مجدد: این حافظه‌ها می‌توانند بارها برنامه‌ریزی شده و وظایف مختلفی را انجام دهند.
- طول عمر بسیار بالا: در حالی که حافظه‌های نوری معمولی طول عمر محدودی دارند، این حافظه‌های جدید می‌توانند بیش از 2.3 میلیارد بار بازنویسی شوند که به معنای طول عمری تقریباً نامحدود است.
یکی از کاربردهای مهم این فناوری جدید، در زمینه هوش مصنوعی و شبکه‌های عصبی است. این حافظه‌ها می‌توانند عملیات پیچیده‌ای مانند “ضرب ماتریس-بردار” را که در هسته شبکه‌های عصبی قرار دارد، با سرعت و کارایی بسیار بالایی انجام دهند.
این پیشرفت جدید در فناوری فوتونیک می‌تواند آغازگر انقلابی در دنیای محاسبات باشد و راه را برای ساخت کامپیوترها و دستگاه‌های الکترونیکی بسیار سریع‌تر، کم‌مصرف‌تر و قدرتمندتر هموار کند.
