تغییر محاسبات با ظهور نور
محاسبات نوری یک فناوری انقلابی است که این پتانسیل را دارد طرز فکر ما را در مورد محاسبات تغییر دهد. بر خلاف کامپیوترهای سنتی که از سیگنال‌های الکتریکی برای انجام محاسبات استفاده می‌کنند، محاسبات نوری از نور استفاده می‌کنند. این امکان فرکانس بسیار بالاتری از پردازش داده‌ها را فراهم می‌کند و انجام محاسبات بزرگ و پیچیده را با سرعت‌های فوق العاده سریع ممکن می‌سازد. یکی از فناوری‌های کلیدی محاسبات نوری، محاسبات فوتونیکی است که از فوتون‌ها برای انجام محاسبات به جای الکترون‌ها استفاده می‌کند و موجب تغییر محاسبات با ظهور نور خواهد شد. این امکان یک رویکرد کارآمدتر و ترکیبی را برای محاسبات فراهم می‌کند، زیرا فوتون‌ها را می‌توان به راحتی دستکاری و کنترل کرد تا طیف وسیعی از وظایف را انجام دهد.
تغییر محاسبات با ظهور نور
یکی دیگر از فناوری‌های کلیدی در زمینه محاسبات نوری، فوتونیک یکپارچه است. این مسئله به ادغام اجزای فوتونیک در یک دستگاه منفرد و فشرده اشاره دارد که امکان یک رویکرد کارآمدتر و مقیاس‌پذیرتر را برای محاسبات فراهم می‌کند. به طور کلی، استفاده از این فناوری‌ها این پتانسیل را دارد که طرز تفکر ما در مورد محاسبات و پردازش داده را متحول کند. با تغییر محاسبات با ظهور نور، می‌توانیم مشکلاتی را که در حال حاضر فراتر از توانایی‌های پیشرفته‌ترین رایانه‌ها هستند و با سرعت‌هایی که با فناوری‌های امروزی قابل تصور نیستند، حل کنیم.
محققان راهی برای اجرای گیت‌های منطقی مبتنی بر نور کشف کرده‌اند که یک میلیون بار سریعتر از گیت‌های منطقی الکترونیکی معمولی موجود در پردازنده‌های رایانه‌ای سنتی هستند. این گیت‌های منطقی که از توابع بولی تشکیل شده‌اند و روتین‌های دودویی را اجرا می‌کنند، معمولاً به صورت الکترونیکی اجرا می‌شوند. با این حال، روش جدید از نور برای انجام همان عملکردها استفاده می‌کند که منجر به سرعت پردازش قابل توجهی می‌شود.
محاسبات نوری چیست؟
کامپیوتر نوری که به عنوان کامپیوتر فوتونیک نیز شناخته می‌شود، دستگاهی است که محاسبات دیجیتالی را با استفاده از فوتون در نور مرئی یا پرتوهای فروسرخ (IR) بر خلاف جریان الکتریکی انجام می‌دهد. سرعت جریان الکتریکی فقط 10 درصد سرعت نور است. یکی از دلایلی که منجر به توسعه فیبر نوری شد، محدودیت در سرعت انتقال داده در فواصل طولانی بود. رایانه‌ای که می‌تواند ده بار یا بیشتر از یک رایانه الکترونیکی سنتی فرآیندها را سریعتر انجام دهد، ممکن است روزی با اجرای برخی از مزایای شبکه‌های قابل مشاهده و/یا IR در اندازه دستگاه و مؤلفه ایجاد شود.
برخلاف جریان‌های الکتریکی، پرتوهای مرئی و مادون قرمز بدون تعامل از یکدیگر عبور می‌کنند. حتی زمانی که آنها اساساً به دو بعد محدود می‌شوند، بسیاری از پرتوهای لیزر می‌توانند به گونه‌ای تابیده شوند که مسیرهای آنها متقاطع شود، اما هیچ تداخلی بین پرتوها وجود ندارد. سیم کشی سه بعدی مهم است زیرا جریان‌های الکتریکی باید به اطراف هدایت شوند. در نتیجه، یک کامپیوتر نوری علاوه بر اینکه به طور قابل توجهی سریعتر از کامپیوتر الکترونیکی است، ممکن است کوچکتر و کم‌جاتر نیز باشد.
اگرچه برخی از مهندسان پیش‌بینی می‌کنند که تغییر محاسبات با ظهور نور در آینده گسترده خواهد شد، اما اکثر متخصصان موافق هستند که تغییرات به تدریج در بخش‌های خاص اتفاق می‌افتد. مدارهای مجتمع نوری وجود دارند که توسعه و تولید شده‌اند. (مدارهای نوری در ساخت حداقل یک کامپیوتر با امکانات کامل، البته تا حدودی بزرگ، استفاده شده است.) با تقسیم تصویر به وکسل، یک ویدیوی سه بعدی و تمام حرکت ممکن است از طریق شبکه‌ای از فیبرها پخش شود. اگرچه تکانه‌های داده‌ای که برای کنترل برخی دستگاه‌های نوری استفاده می‌شوند، نور مرئی یا امواج مادون قرمز هستند، جریان‌های الکترونیکی می‌توانند آنها را به کار گیرند.
ارتباطات دیجیتال، جایی که انتقال داده فیبر نوری در حال حاضر رایج است، جایی است که فناوری نوری بیشترین پیشرفت را داشته است. هدف نهایی شبکه فوتونیک است که در آن هر منبع و مقصد فقط با فوتون‌های مرئی و فروسرخ به هم متصل می‌شوند. پرینترهای لیزری، دستگاه‌های فتوکپی، اسکنرها و درایوهای CD-ROM و امثال آنها همگی از فناوری نوری استفاده می‌کنند. با این حال، همه این دستگاه‌ها تا حدی به مدارها و قطعات الکترونیکی معمولی متکی هستند. هیچ یک از آنها کاملاً نوری نیستند.
محاسبات نوری چگونه کار می‌کند؟
محاسبات نوری شبیه محاسبات سنتی است که از گیت‌های منطقی و روتین‌های باینری برای انجام محاسبات استفاده می‌کند. با این حال، در نحوه انجام این محاسبات تفاوت وجود دارد. در محاسبات نوری، فوتون‌ها توسط LED ها، لیزرها و دستگاه‌های دیگر تولید می‌شوند و برای رمزگذاری داده‌ها به روشی مشابه الکترون‌ها در محاسبات سنتی استفاده می‌شوند. این امکان محاسبات بسیار سریعتر و کارآمدتر را فراهم می‌کند، زیرا فوتون‌ها در تغییر محاسبات با ظهور نور می‌توانند به راحتی دستکاری و کنترل شوند تا طیف وسیعی از وظایف را انجام دهند.
با هدف نهایی توسعه یک کامپیوتر نوری، مطالعاتی با تمرکز بر طراحی و اجرای ترانزیستورهای نوری وجود دارد. یک پرتو نور را می‌توان به طور موثر توسط یک صفحه نمایش قطبی که 90 درجه می‌چرخد مسدود کرد. اجزای دی الکتریک که ظرفیت عمل به عنوان پلاریزه کننده را دارند نیز برای ایجاد ترانزیستورهای نوری استفاده می‌شوند. علیرغم برخی مشکلات فنی، گیت‌های منطقی نوری اساسا امکان‌پذیر هستند. آنها از یک کنترل واحد و پرتوهای متعدد تشکیل می‌شوند که نتایج منطقی درستی را ارائه می‌دهند.
یکی از مزیت‌های اصلی رایانه‌های الکترونیکی سنتی این است که از کانال‌های سیلیکونی و سیم‌های مسی می‌توان برای هدایت و کنترل حرکت الکترون‌ها استفاده کرد. این امکان محاسبات کارآمد و قابل اعتماد را فراهم می‌کند. در محاسبات نوری، اثر مشابهی را می‌توان با استفاده از نانوذرات پلاسمونیک به دست آورد. این ذرات می‌توانند حرکت فوتون‌ها را هدایت و کنترل کنند و به آنها اجازه می‌دهند بدون از دست دادن قابل توجه نیرو یا تبدیل به الکترون، به گوشه‌ها بپیچند و به مسیر خود ادامه دهند. این امکان ایجاد دستگاه‌های محاسباتی نوری فشرده و کارآمد را فراهم می‌کند.
بیشتر بخش‌های یک تراشه نوری شبیه به تراشه‌های رایانه‌ای سنتی هستند که از الکترون‌ها برای پردازش و تبدیل اطلاعات استفاده می‌شود. با این حال، اتصالات، که برای انتقال اطلاعات بین مناطق مختلف تراشه استفاده می‌شود، به طور قابل توجهی تغییر کرده است.
در تغییر محاسبات با ظهور نور، از نور به جای الکترون‌ها برای انتقال اطلاعات استفاده می‌شود. این امر به این دلیل است که نور را می‌توان به راحتی مهار کرد و این مزیت از دست رفتن اطلاعات کمتر در طول سفر است. این به ویژه در شرایطی مفید است که اتصالات ممکن است گرم شوند، که می‌تواند حرکت الکترون‌ها را کند کند. با استفاده از نور برای جابجایی اطلاعات، می‌توان دستگاه‌های محاسباتی نوری سریعتر و کارآمدتری ایجاد کرد.
محققان امیدوارند که استفاده از نور برای جابجایی اطلاعات در محاسبات نوری منجر به توسعه رایانه‌های اگزاسال شود. کامپیوترهای Exascale قادر به انجام میلیاردها محاسبه در هر ثانیه هستند که 1000 برابر سریعتر از سریعترین سیستم‌های فعلی است. با استفاده از نور برای ارتباط، می‌توان به این سطح از سرعت پردازش دست یافت و در نتیجه دستگاه‌های محاسباتی قدرتمندتر و کارآمدتری به دست آورد.
مزایا و معایب محاسبات نوری
تغییر محاسبات با ظهور نور دارای مزایا و معایبی است که باید اطلاعات کافی در این زمینه کسب کرده داشته باشید:
مزایای محاسبات نوری
- چگالی سریع، اندازه کوچک، حداقل گرمایش اتصال، سرعت بالا، مقیاس بندی پویا و قابلیت پیکربندی مجدد در شبکه‌ها/توپولوژی‌های کوچکتر/بزرگتر، قابلیت محاسبات موازی گسترده و برنامه‌های کاربردی هوش مصنوعی تنها تعدادی از مزایای اولیه کامپیوترهای نوری هستند.
- اتصالات نوری علاوه بر سرعت، مزایای مختلفی نیز دارند. آنها مستعد اتصال کوتاه الکتریکی نیستند و در برابر تداخل الکترومغناطیسی مصون هستند.
- آنها انتقال کم تلفات و پهنای باند زیادی را فراهم می‌کنند و چندین کانال را قادر می‌سازند تا به طور همزمان با هم ارتباط برقرار کنند.
- پردازش داده‌ها در قطعات نوری ارزان‌تر و ساده‌تر از پردازش داده‌ها در قطعات الکترونیکی است.
- فوتون‌ها به سرعت الکترون‌ها با یکدیگر برهمکنش نمی‌کنند زیرا باردار نیستند. این مزیت بیشتری دارد زیرا عملکرد دوطرفه کامل به پرتوهای نور اجازه می‌دهد تا از روی یکدیگر عبور کنند.
- در مقایسه با مواد مغناطیسی، مواد نوری در دسترس‌تر هستند و چگالی ذخیره سازی بالاتری دارند.
معایب محاسبات نوری
- ایجاد بلورهای فوتونی دشوار است.
- به دلیل تعامل چندین سیگنال، محاسبات فرآیند پیچیده‌ای است.
- نمونه‌های اولیه رایانه‌های نوری کنونی از نظر اندازه بسیار حجیم هستند.
جمع بندی نهایی
امروز درباره تغییر محاسبات با ظهور نور صحبت کردیم. اتفاقی که بزودی می‌افتد و باید علم و اطلاع خود را در این زمینه افزایش دهیم.
در پایان، ما شاهد پیشرفت‌های هیجان انگیز در استفاده از لیزر و نور در محاسبات هستیم. همانطور که فناوری نوری به پیشرفت خود ادامه می‌دهد، می‌توان انتظار داشت که در طیف گسترده‌ای از کاربردها، از شبکه‌های پردازش موازی و ذخیره سازی تا شبکه‌های داده‌های نوری و دستگاه‌های ذخیره سازی بیومتریک، از آن استفاده شود.
پردازنده‌های رایانه‌های امروزی اکنون حاوی آشکارسازهای نور و لیزرهای کوچکی هستند که انتقال داده‌ها را از طریق فیبرهای نوری تسهیل می‌کنند. برخی از شرکت‌ها حتی در حال توسعه پردازنده‌های نوری هستند که از سوئیچ‌های نوری و نور لیزر برای انجام محاسبات استفاده می‌کنند. اینتل، یکی از حامیان اصلی این فناوری، در حال ایجاد یک پیوند فوتونیک سیلیکونی یکپارچه است که می‌تواند 50 گیگابایت در ثانیه اطلاعات بدون وقفه را منتقل کند.
منبع: dataconomy
