الحاسوب الضوئي: لماذا لم يظهر بعد!

التواصل باستخدام الضوء (الفوتونات) أسهل بكثير من التواصل بالكهرباء(الالكترونات)، لأن الفوتونات لديها القدرة على نقل البيانات بسرعة أكبر بكثير من الإلكترونات. و لكن على العكس من الكهرباء، فالضوء لديه العديد من المشاكل التي جعلت الكهرباء تحل محله في الحوسبة النانومترية الحديثة. لفترة طويلة، كانت عائق رئيسي أمام الثورة الضوئية في الحوسبة، والزيادة الهائلة في سرعة الكمبيوتر، و في لعبة محصلتها صفر بين ثلاثة لاعبين رئيسيين هم: الحجم , القوة والحرارة. الحالة العامة حول الضوء هو أنه بالمقاييس الذرية كبير جدا, و بصورة عامة اقصر طول موجي مستخدم في الحوسبة هو في نطاق الاشعة الحمراء أي حوالي 1000 nm , و على الرغم من التحسينات الجارية في ترانزسيتورات السيليكون الا انها لا زالت تمرر الى حد 10 nm.

للتغلب على المشكلة و جعل الضوء مناسب للاستخدام في القياس المطلوب نحن بحاجة الى جيل جديد في أداء الحواسيب,و لدى المهندسين توجه نحو شيء يسمى “بلازمونات السطح” . و هي الكترونات أساسية تتراقص على طوال سطح المادة, مستثمرة غرابة الكوانتم لسلوك و انتقال أشبه بالفوتون من ألكترون. أنها نقطة في منتصف الطريق بين الكهرباء و الضوء. و باستخدام عدد من سلوكيات الضوء تبقى محصورة فعليا في مساحة قائمة صغيرة جدا جدا على سطح السلك. إذا تم إنشاؤها على الأسلاك النحاسية العادية، يمكن لهذه البلازمونات التنقل بشكل أسرع بكثير من الإلكترون العادي بالمتوسط، وتقترب من سرعة الضوء.

السرعة في التواصل عبر مسافة ما أمر مهم و تزداد أهميتها بزيادة المسافة, و لذلك يفترض اولا تطبيق الحوسبة بالضوء في الاتصالات لمسافات طويلة نسبيا بين أنوية المعالج. الآن، الأسلاك النحاسية تربط هذه المكونات بسرعة فائقة و تسمح لهم بالعمل معا و لكن عندما يصل الامر الى 64 نواة عندها نحن بحاجة للمحافظة على التنسيق بينهم من خلال شيء أسرع من الالكترون في النحاس, شيء مثل الضوء سيكون جيدا. المشكلة عند التبديل من موجات الضوء إلى بلازمونات السطح,و على الرغم من الفقدان السريع لطاقة البلازمونات بسبب سرعتها الحقيقية و ميلها إلى التلاشي قبل وصولها لوجهتها. و للحفاظ على ما يكفي من الطاقة للوصول الى وجهتها يقوم المهندسون بعملية “ضخ” بلازمونات فعالة لزيادة الطاقة و الحفاظ على حالة بلازمونات السطح من فقدان الطاقة اثناء الانتقال.

ولكن هذا ينتج مشكلة أخرى: الحرارة،و هذا يؤدي للجوء الى نظام تبريد متفوق أو صناعة أسلاك من بعض المواد الغريبة لحل مشكلة الحرارة. وبطبيعة الحال، فإن فكرة الحوسبة الضوئية هي أكبر من مجرد الحفاظ على التنسيق بين نوى المعالج المصنوعة من الترانزستورات الإلكترونية. فهي غير فعالة بالوقت و الطاقة للتحويل بين الفوتونات و الالكترونات ذهابا و ايابا. و كذلك عند الوصول الى الترانزستورات الضوئية ذات عرض ترددي أكبر بكثير من الالكترونية و الذي سيتطلب الكثير من التقدم التكنلوجيا و لكن البحوث الجارية الان لتجاوز العقبات. الحاسوب الضوئي الحقيقي هو أبعد من هذا الحاسوب الهجين الذي يستخدم التكنلوجيا الضوئية للتنسيق بين نوى المعالج الالكتروني التقليدي, و لكن بمجرد أنجاز الكمبيوتر الضوئي سيكون واحد من أفضل الخيارات في تطوير قابليات الحوسبة.