کامپیوترهای فوتونیک چیستند؟ وقتی نور قرار است جای بخشی از پردازش الکترونیکی را بگیرد

با افزایش نیاز به پردازش سریع‌تر داده‌ها، محدودیت‌های مدارهای الکترونیکی بیشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند. کامپیوترهای فوتونیک با استفاده از نور به‌جای بخشی از جریان‌های الکتریکی، رویکرد متفاوتی برای پردازش و انتقال اطلاعات ارائه می‌دهند. در این مطلب از مجله لپتاپ‌سنتر بررسی می‌کنیم رایانش فوتونیک چگونه کار می‌کند و چرا می‌تواند در آینده اهمیت بیشتری پیدا کند.

کامپیوتر فوتونیک چیست؟

رایانش فوتونیک به استفاده از فوتون‌ها یا ذرات نور برای انتقال و در برخی معماری‌ها پردازش اطلاعات اشاره دارد. برخلاف کامپیوترهای معمولی که عمدتاً بر مدارهای الکترونیکی و جابه‌جایی الکترون‌ها متکی هستند، سیستم‌های فوتونیک می‌توانند بخشی از عملیات را با نور انجام دهند.

آیا کامپیوتر فوتونیک کاملاً نوری است؟

در بیشتر نمونه‌های امروزی، پاسخ منفی است. بسیاری از سیستم‌های فوتونیک به‌صورت هیبریدی طراحی می‌شوند؛ یعنی نور و الکترونیک در کنار یکدیگر کار می‌کنند.

برای مثال، ممکن است انتقال داده در بخشی از سیستم به‌صورت نوری انجام شود، اما کنترل، ذخیره‌سازی یا برخی محاسبات همچنان توسط مدارهای الکترونیکی انجام شوند.

نور چگونه می‌تواند اطلاعات را منتقل کند؟

نور ویژگی‌هایی دارد که آن را برای انتقال داده بسیار جذاب می‌کند. در فناوری‌های ارتباطی، اطلاعات می‌توانند با تغییر ویژگی‌هایی از سیگنال نوری منتقل شوند.

مزیت انتقال نوری

در یک مسیر نوری، می‌توان اطلاعات زیادی را با سرعت بالا منتقل کرد. همین ویژگی باعث شده فیبر نوری در شبکه‌های ارتباطی مدرن نقش مهمی داشته باشد.

در رایانش فوتونیک نیز ایده اصلی این است که از ظرفیت نور برای انتقال داده و در برخی موارد انجام محاسبات استفاده شود.

رایانش فوتونیک برای چه پردازش‌هایی مناسب‌تر است؟

یکی از حوزه‌هایی که توجه زیادی به رایانش فوتونیک نشان داده، هوش مصنوعی و یادگیری ماشین است. دلیل آن نیز نوع خاصی از محاسبات موردنیاز در شبکه‌های عصبی است.

پردازش موازی با نور

برخی معماری‌های فوتونیک می‌توانند چندین سیگنال نوری را به‌صورت هم‌زمان پردازش کنند. این قابلیت برای عملیات ریاضی تکرارشونده، مانند ضرب ماتریس‌ها، جذاب است.

ضرب ماتریسی یکی از عملیات‌های اصلی در بسیاری از مدل‌های هوش مصنوعی است و اگر بتوان آن را با سرعت و مصرف انرژی مناسب انجام داد، شتاب‌دهنده‌های فوتونیک می‌توانند کاربردهای مهمی پیدا کنند.

بیشتر بخوانید: تراشه‌های Chiplet چیستند و چرا آینده پردازنده‌ها به طراحی چندبخشی وابسته شده است؟

چرا رایانش فوتونیک می‌تواند سریع باشد؟

یکی از دلایل اصلی، ویژگی فیزیکی نور و امکان عبور چند سیگنال از مسیرهای مختلف یا استفاده از طول موج‌های متفاوت است.

پهنای باند بالا

در سیستم‌های فوتونیک می‌توان از چند طول موج نور برای انتقال هم‌زمان اطلاعات استفاده کرد. این روش که در ارتباطات نوری نیز کاربرد دارد، می‌تواند ظرفیت انتقال داده را افزایش دهد.

البته سرعت یک سیستم کامپیوتری فقط به سرعت حرکت نور وابسته نیست. معماری سیستم، تبدیل سیگنال‌های نوری و الکتریکی و نحوه انجام محاسبات نیز تأثیر زیادی دارند.

مصرف انرژی چه می‌شود؟

یکی از دلایل مهم تحقیق روی پردازش فوتونیک، تلاش برای کاهش هزینه انرژی در جابه‌جایی داده‌هاست.

مشکل مصرف انرژی در پردازنده‌های مدرن

در سیستم‌های قدرتمند، انتقال داده میان پردازنده، حافظه و شتاب‌دهنده‌ها می‌تواند بخش قابل توجهی از انرژی مصرفی را به خود اختصاص دهد.

استفاده از ارتباطات نوری می‌تواند در برخی مسیرها به کاهش این هزینه کمک کند؛ به‌خصوص زمانی که حجم داده بسیار زیاد باشد.

با این حال، تولید و کنترل سیگنال‌های نوری، تبدیل نور به الکتریسیته و برعکس، و سایر اجزای سیستم نیز انرژی مصرف می‌کنند. بنابراین کاهش مصرف انرژی به طراحی کلی سیستم وابسته است.

چرا کامپیوترهای فوتونیک هنوز همه‌جا دیده نمی‌شوند؟

اگر این فناوری چنین مزایایی دارد، طبیعی است که سؤال کنیم چرا هنوز جایگزین کامپیوترهای الکترونیکی نشده است. پاسخ، مجموعه‌ای از چالش‌های فنی و اقتصادی است.

مهم‌ترین چالش‌ها

• تبدیل میان سیگنال‌های نوری و الکتریکی
• دشواری ذخیره‌سازی اطلاعات به‌صورت نوری
• هزینه و پیچیدگی ساخت قطعات فوتونیک
• حساسیت برخی سیستم‌ها به شرایط محیطی
• نیاز به معماری‌های نرم‌افزاری و سخت‌افزاری جدید
• دشواری اجرای همه انواع محاسبات با نور

به همین دلیل، مسیر محتمل آینده بیشتر به سمت سیستم‌های هیبریدی فوتونیک-الکترونیکی می‌رود تا حذف کامل مدارهای الکترونیکی.

کاربردهای احتمالی رایانش فوتونیک

رایانش فوتونیک هنوز در حال توسعه است، اما حوزه‌هایی وجود دارند که می‌توانند بیشترین بهره را از آن ببرند.

از هوش مصنوعی تا مراکز داده

کاربردهای احتمالی شامل موارد زیر هستند:

1. شتاب‌دهی محاسبات هوش مصنوعی
2. پردازش سیگنال و تصویر
3. ارتباطات پرسرعت میان تراشه‌ها
4. شبکه‌های مخابراتی و انتقال داده
5. پردازش‌های علمی و محاسبات تخصصی
6. مراکز داده با حجم بالای تبادل اطلاعات

در چنین کاربردهایی، سرعت انتقال داده و مصرف انرژی اهمیت زیادی دارد و همین موضوع رایانش فوتونیک را جذاب می‌کند.

بیشتر بخوانید: چرا بعضی فناوری‌ها اول در محصولات گران‌قیمت ظاهر می‌شوند و بعد به گوشی‌های اقتصادی می‌رسند؟

آیا نور جایگزین کامل الکترون‌ها خواهد شد؟

احتمالاً نه، حداقل در آینده نزدیک. الکترونیک همچنان برای بسیاری از وظایف مانند کنترل، حافظه و پردازش‌های عمومی بسیار مناسب است.

آینده احتمالاً ترکیبی خواهد بود

به‌جای اینکه کامپیوترهای فوتونیک کاملاً جایگزین پردازنده‌های الکترونیکی شوند، احتمال بیشتری دارد که هر فناوری برای بخشی از کار استفاده شود.

در چنین معماری‌هایی، نور وظایف مرتبط با انتقال داده و برخی محاسبات خاص را انجام می‌دهد و الکترونیک کنترل و بخش‌های دیگر سیستم را بر عهده می‌گیرد.

این رویکرد می‌تواند بدون کنار گذاشتن کامل زیرساخت‌های الکترونیکی، مزایای پردازش نوری را وارد نسل جدید سیستم‌های محاسباتی کند.

در این مطلب از بخش تکنولوژی مجله لپتاپ‌سنتر دیدیم که کامپیوترهای فوتونیک با استفاده از نور می‌توانند سرعت انتقال داده و برخی پردازش‌های تخصصی را بهبود دهند و به‌ویژه برای هوش مصنوعی و مراکز داده جذاب باشند. با این حال، چالش‌هایی مانند حافظه، تبدیل سیگنال و هزینه ساخت باعث می‌شود آینده این فناوری احتمالاً در ترکیب هوشمندانه نور و الکترونیک شکل بگیرد.