فناوری اپتیک و فتونیک در پردازنده‌های آینده

پردازنده‌ها از سال 1995 تاکنون مرتباً پیشرفت کرده‌اند و سرعت محاسبات آن‌ها روزبه‌روز افزایش می‌یابد. جدید‌ترین پردازنده‌ها قادرند با سرعت کلاک بالغ بر 6/3 GHz کار کنند. اما موضوع مهم آن است که سیم‌بندی‌ها و مدارات مادربوردهایی که چنین پردازنده‌هایی در آن‌ها نصب شده‌اند، به‌هیچ وجه نمی‌توانند از نظر سرعت با پردازنده‌ها همپایی کنند و در بهترین شرایط قادر به عبور دادن اطلاعات با سرعتی معادل یک گیگاهرتز هستند. بدین‌ترتیب پردازنده‌ها در بیشتر مواقع ناگزیرند که منتظر عبور اطلاعات در گذرگاه‌های مادربورد‌ها باشند. سه سال پیش یکی از فیزیکدانان دانشگاه کالیفرنیای جنوبی به‌نام Anthony F.J. Levi اعلام کرد که <در سال‌های آینده، عدم تعادل موجود بین کارایی پردازنده و زمان دسترسی به اطلاعات در حافظه‌های RAM به یک بحران جدی تبدیل خواهد گردید.> او خاطر نشان کرده بود که ماده پلاستیکی به‌کار رفته در مدارات چاپی الکترونیکی مانع از عبور اطلاعات در فرکانس‌های بالا می‌شوند و به ازای هر دو گیگاهرتز افزایش پهنای باند،‌ توان سیگنال‌های الکتریکی را دو برابر کاهش می‌دهند. بدین ترتیب با افزایش سرعت کلاک، توان مصرفی، اتلاف حرارتی و سطح تداخل الکترومغناطیسی افزایش می‌یابند. این سه عامل در حال حاضر بزرگ‌ترین دردسر‌های طراحان به‌شمار می‌روند. <سی‌ماتک>، یک مؤسسه بین‌المللی تحقیقات صنعتی در گزارشی اعلام کرده است که <برای تنگ‌تر نشدن گلوگاه‌ ارتباطی بین پردازنده‌ها و تجهیزات جانبی آن‌ها،‌ تکنولوژی ارتباطاتی اتصالات بین پردازنده‌ها و تجهیزات جانبی باید هر دو سال، دو گیگاهرتز افزایش یابد>.

 

 

 

منبع: ساینتیفیک امریکن - نوامبر 2004

 

یکی از متخصصان تحقیقات فوتونیک در شرکت اینتل می‌گوید: <مهندسان ما تصور می‌کنند که در نهایت قادر به انتقال اطلاعات با سرعتی معادل با بیست گیگاهرتز در قطعه سیمی به طول 20 اینچ خواهند بود. بر اساس گزارش موسسه تحقیقاتی سی‌ماتک سرعت بیست گیگاهرتز فقط جوابگوی نسل پردازنده‌های 32 نانومتری خواهد بود که از پردازنده‌های فعلی 90 نانومتری، سه نسل فاصله دارند. مدیر معماری پردازش شرکت اینتل معتقد است که شرکت او در مسیر درستی پیش می‌رود و قادر خواهد بود که پردازنده‌های 32 نانومتری را تا سال 2010 به بازار عرضه کند.

 

بدین‌ترتیب به‌نظر می‌رسد که دانش فوتونیک در سال 2010 یعنی یک دهه بعد، باید برای در دست گرفتن ارتباطات بین مداری و جایگزین شدن اتصالات مسی،  وارد عمل شود.

 

پاتریک گلسینگر، یکی از مدیران شرکت اینتل اگرچه به‌طور کامل نسبت به موضوع استفاده از فوتونیک برای ارتباطات کوتاه برد و با سرعت بالا بین پردازنده و بانک‌های حافظه اطمینان ندارد، اما می‌گوید که یکی از طرفداران به‌کارگیری دانش فوتونیک در سطوح سیستم است. این مسأله که این انتقال تکنولوژی دقیقاً در چه زمانی و با چه هزینه‌ای روی خواهد داد، موضوعی است که مقدار زیادی به چگونگی تولید تجهیزات فوتونیک بستگی خواهد داشت.

 

در حال حاضر هم اطلاعات در اشکال الکترونیکی و فوتونیکی در سیستم‌های کامپیوتری امروزی در رفت و آمد هستند. دستگاه‌هایی مانند ماوس‌های اپتیکی،CD و DVD‌ها، نمایشگرها، دوربین‌ها و شبکه‌های فیبر نوری نمونه‌هایی از چنین مواردی محسوب می‌شوند. اما در هسته سیستم‌های کامپیوتری، یعنی مادربورد، پردازنده و بانک‌های حافظه، هنوز اطلاعات، فقط نمایشی الکترونیکی دارند.

 

دلیل موضوع فوق بسیار ساده است. اگرچه اتصالات نوری ده تا صد برابر از اتصالات با سیم‌های مسی سریع‌تر هستند، اما قیمت‌های بسیار بالاتری دارند. در برخی از کاربردها نظیر سوییچینگ هزاران مکالمه تلفنی یا تبادل میلیاردها بسته اطلاعاتی اینترنتی، ظرفیت بر هزینه غلبه می‌کند. به همین دلیل در کشورهای ثروتمند بخش اعظم تکنولوژی ارتباطات راه‌دور به‌وسیله شبکه‌های فیبر نوری تامین می‌شوند.

 

 

 

برای مشاهده عکسها در ابعاد بزرگتر و توضیحات آنها روی تصاویر کلیک کنید.

 

 

دقیقاً به همین دلیل است که شرکت سیسکو در چهار سال گذشته حدود نیم میلیارد دلار در راه توسعه یک مسیر‌یاب اپتیکی هزینه کرده است. مسیر‌یابی که در ماه مه گذشته معرفی شد و هر یک از 30 کانال فیبر‌نوری آن قادر به انتقال اطلاعات با سرعتی معادل با چهل گیگابیت بر ثانیه هستند. چنین پهنای باندی می‌تواند ترافیک اینترنتی 6/1 میلیون مشترک مجهز به ارتباطات DSL را مدیریت کند. خلاصه آن‌که در فواصل بیشتر از 100 متر، هیچ فناوری‌ای نمی‌تواند از سوییچینگ نوری پیشی بگیرد. اما در فواصل کوتاه‌تر نظیر شبکه‌های اداره‌ها یا اتصالات درون یک کامپیوتر، هنوز اتصالات مسی حکمفرمایی می‌کنند.

 

اما شرایط به‌تدریج در حال تغییر است. دانشمندان بالاخره موفق شدند به روش‌هایی دست یابند که بتوان طیف وسیعی از تجهیزات اپتیکی را توسط کارخانه‌های تولیدکننده چیپ‌های کنونی، تولید کرد. در این زمینه مدیر ارشد گروه تحقیقات سیلیکون فوتونیک شرکت اینتل می‌گوید: <ما می‌خواهیم دانش اپتیک را در ارتباطات بین چیپ‌ها به‌کار بگیریم>.

 

در صورت تحقق چنین شرایطی، روش کار کامپیوترها در دهه آینده به‌کلی تغییر خواهد کرد. برخی از این تغییرات در قالب افزایش سرعت یا کاهش اندازه ظاهر خواهند شد. مثلاً دستگاه‌هایی مانند دوربین‌های ویدیویی توسط کابل‌های نوری که به درگاه‌های جایگزین USB فعلی متصل می‌شوند، داده‌های خود را منتقل خواهند کرد و یا بعضی از سیستم‌های ذخیره‌سازی اطلاعات به دیسک‌های هولوگرافیک مجهز خواهند بود که توانایی ذخیره صدها گیگابایت داده را بر سطوحی مانند CD ‌های امروزی خواهند داشت.

 

کاربران آینده که شانس کافی برای اختیار داشتن یک اتصال اینترنتی از نوع فیبر نوری داشته باشند، قادر خواهند بود تا با سرعتی بیش از یک گیگا‌بایت در ثانیه به تبادل اطلاعات بپردازند، سرعتی که هزار بار سریع‌تر از مودم‌های کابلی و ارتباطات DSL کنونی است.

 

گروه دیگری از تغییرات آینده، احتمالاً بسیار بنیادی‌تر خواهند بود. سرعت انتقال اطلاعات در شکل الکتریکی با افزایش طول خطوط ارتباطی به‌سرعت افت می‌کند.  به همین دلیل برای کوتاه نگهداشتن طول سیم‌های ارتباط‌دهنده پردازنده‌ به حافظه، باید این دو به‌یکدیگر بسیار نزدیک باشند. در وضعیت اپتیکی، چنین محدودیتی وجود ندارد و یک فوت یا هزار فوت تفاوتی با یکدیگر ندارند. در نتیجه، سیستم‌های کامپیوتری که امروزه در یک جعبه مجتمع شده‌اند، در آینده می‌توانند در یک اتومبیل، ساختمان و حتی در یک شهر توزیع شده باشند.

 

عبور از تنگنا

چیپ‌های اپتیکی کنونی، چه آن‌هایی که به‌صورت لیزر در درون درایو‌های CD نصب شده‌اند و یا نمونه‌هایی که به‌شکل فتودیود در درون سوئیچ‌های مخابراتی عمل می‌کنند، نیمه‌هادی‌هایی هستند که با عناصر گروه سوم و پنجم جدول تناوبی تولید شده‌اند. در این قطعات به‌طور معمول، موادی از ستون سوم جدول تناوبی (گالیم، اندیم یا آلومینیم) با عناصری از ستون پنجم جدول (معمولاً فسفات، ارسنیک یا آنتیموان) در کنار یکدیگر قرار داده می‌شوند.

در نگاه نخست، ممکن است چیپ‌های موسوم به III-V (اشاره به گروه‌های سوم و پنجم جدول تناوبی است.)

 

برای کاربردهای فوتونیک ایده‌آل به‌نظر برسند. سرعت انتقال الکترون‌ها در این چیپ‌ها سریع‌تر از سیلیکون است، در نتیجه پردازنده‌های III-V می‌توانند تحت فرکانس‌های بالاتر کار کنند. به‌علاوه چنین چیپ‌هایی پرتو لیزر در حفره‌های سطحی (کاواک) خود تولید نمی‌کنند و از طرف دیگر قادرند که پرتو‌های ورودی را با سرعت‌ بسیار بالایی به جریان الکتریکی تبدیل کنند. بر همین اساس محققان فوتونیک، تلاش‌های خود برای تولید چیپ‌های فوتونیک بر پایه نیمه‌ هادی‌های III-V استوار ساخته‌اند.

 

 

 

 

به عنوان نمونه، سال گذشته یک گروه تحقیقاتی در دانشگاه کالیفرنیا واقع در سانتا باربارا، با استفاده از فسفید اندیوم موفق به ساخته یک Photon copier گردیدند. این قطعه فوتونیک در واقع قادر است تا بیت‌های فوتونیکی را در یک طول‌موج مشخص دریافت کرده و به‌کمک ژنراتور لیزر قابل تنظیم تعبیه شده در درون خود، مستقیماً خروجی فوتونیکی لیزری در طول موج دیگری تولید کند. نکته مهم در کارکرد این قطعه آن است که در ساختار آن هیچ‌گونه تغییر شکل اطلاعات به‌صورت‌های الکترونیکی صورت نمی‌گیرد. چنین قطعه‌ای در تجهیزات فوتونیک آینده اهمیت زیادی خواهد داشت.

 

اما واقعیت آن است که در قیاس با سیلیکون، مواد III-V از نقطه‌نظر تولید، نیمه‌هادی‌های سرسختی محسوب می‌شوند و هزینه‌های تولید آن‌ها بالا است. به‌عنوان مثال یک چیپ 5 دلاری CMOS، در صورتی‌که با تکنولوژی فسفید اندیوم تولید شده باشد، 500 دلار قیمت خواهد داشت. از آن گذشته با توجه با پیشرفت‌های پیوسته کارایی چیپ‌های CMOS، رقابت با آن‌ها امری بسیار دشوار تلقی می‌شود.

 

(CMOS) اصطلاحی برای توصیف نیمه‌هادی‌هایی است که در ساختار درونی آن‌ها علاوه بر نیمه‌هادی‌های سیلیکونی، از لایه اکسید فلزی نیز استفاده می‌شود.)

 

اما اگر قرار است فوتونیک در مادربوردهای 100 دلاری به‌کار گرفته شود، دیر یا زود باید از این سد عبور کند. به همین دلیل در سال‌های اخیر تلاش‌های زیادی معطوف دستیابی به روش‌هایی بوده‌اند که در آن‌ها تکنولوژی‌های سازگار با CMOS و ترکیبی از الکترونیک و فوتونیک به‌کار می‌روند.

 

(در این مقاله مقصود از سازگاری با CMOS اشاره به مشخصه‌های الکترونیکی چیپ‌های CMOS است. به‌طوری‌که ورودی و خروجی چیپ‌های جدید و ترکیبی، از نظر ولتاژی و دیگر پارامترهای الکترونیکی مانند امپدانس و غیره با مدارات تشکیل شده از چیپ‌های CMOS سازگاری داشته باشند.) یکی از محققان آزمایشگاه میکروالکترونیک STM  واقع در کاتانیا  سیسیل، می‌گوید: <ما در جایگاهی قرار گرفته‌ایم که تا دو سال پیش غیر‌قابل تصور می‌نمود. ما اکنون درباره رفتن به فروشگاه و خرید نخستین قطعه با کارکردهای فوتونیک صحبت می‌کنیم >.

 

سوار بر تکنولوژی CMOS

برای رسیدن به مرحله‌ای که از آن در بخش‌های پیشین این نوشته یاد شد، سه راه یا مسیر پیش روی ما قرار دارد که در هر یک از این موارد پیشرفت‌های چشمگیری صورت گرفته است. محافظه‌کارانه‌ترین این مسیر‌ها که به روشHybrid Integration معروف شده است، به موفقیت‌های تجاری نزدیک‌ شده است. در حقیقت نخستین چیپ‌های تولید شده به روش Hybrid Integration در حال حاضر در صنایع ارتباطی (مخابراتی) به‌کار گرفته شده‌اند.

 

در ساختار چیپ‌های ترکیبی یا Hybrid علاوه بر مدارات منطقی سیلیکونی، نیمه‌هادی‌های III-V نیز گنجانیده شده‌اند که وظایف اپتیکی چیپ را بر عهده می‌گیرند. برای آن‌که بتوان از یک خط تولید CMOS برای تولید چیپ‌های ترکیبی استفاده کرد، باید تغییرات قابل توجهی در ساختار آن اعمال شود. زیرا  به هردلیلی اگر اشکالی در فرایند افزودن فسفید اندیوم یا گالیوم ارسناید به چیپ سیلیکونی به‌وجود آید، رسوب ناخالصی‌های این مواد بر روی خط تولید چیپ‌های فوق‌العاده خالص سیلیکونی می‌تواند خسارات سنگینی به تجهیزات چند میلیارد دلاری خط تولید وارد کند. اما خوشبختانه می‌توان دو بخش متفاوت چیپ‌های ترکیبی را در واحد‌های متفاوتی تولید کرد و در آخرین مرحله آنها را بر روی یکدیگر مونتاژ نمود.

 

شرکتی به‌نام Xanoptix در حال حاضر از چنین روشی برای سوار کردن لیزرهای گالیوم آرسناید بر روی چیپ‌های سیلیکونی بهره می‌برد. حاصل کار این شرکت قطعه کانکتور اپتیکی در اندازه‌های یک انگشت است که  تا حدی به یک کانکتور USB شباهت دارد. اما اگر کانکتور USB می‌تواند حداکثر با سرعت نیم گیگاهرتز کار کند، کانکتور Xanoptix بنا بر ادعای این شرکت قادر به انتقال اطلاعات با سرعتی بالغ بر 245 گیگاهرتز از‌طریق 72 رشته فیبرنوری نصب شده در یک کابل به‌قطر یک مداد است.

 

روش Hybrid در بلند مدت با یک اشکال عمده روبرو خواهد شد. می‌دانیم که با افزایش سرعت پردازنده‌ها، حرارت تولید شده آنها هم افزایش می‌یابد. در واقع در نقاط مشخصی از چیپ‌های کنونی، دما به 80 درجه سانتی‌گراد می‌رسد. دمایی که ساختار‌های اپتیکی - لیزری نیمه‌هادی III-V را نابود می‌کند. بر این اساس احتمال دارد که چیپ‌های اپتوالکترونیک هایبرید، به‌جای قرار گرفتن در قلب پردازنده‌ها، در کاربردهای به‌ نسبت کند‌تر مانند چیپ‌های جانبی به‌کار گرفته شوند.

 

شرکت اینتل به مهندسان خود دستور داده است که فقط به تکنولوژی CMOS فکر کنند. اینتل امید دارد که روزی بتواند در کارخانه‌های فعلی خود سیستم‌های فوتونیک را در درون پردازنده‌ها یا چیپ‌های جانبی آنها بگنجاند. مهندسان اینتل برای عملی شدن چنین ایده‌ای در حال کار با عناصر و ترکیبات موسوم به CMOS friendly برای تولید پرتو لیزر یا آشکار‌سازی نور هستند.

 

اما طی کردن چنین گامی بسیار دشوار است به‌طوری‌که یکی از مهندسان اینتل می‌گوید: <می‌توانید با سیلیکون هر کاری انجام دهید، به‌جز تولید پرتو لیزر!>. سیلیکون خود به‌تنهایی فاقد مشخصه‌های کوانتوم- مکانیکی لازم برای تولید نور است. در حال حاضر محققان STM موفق شده‌اند تا با نفوذ دادن مقادیر جزئی cerium یا erbium در لایه اکسید سیلیکون که توسط نانوکریستال‌های سیلیکون احاطه شده است، چیپ‌های سیلیکونی بسازند که در اثر اِعمال ولتاژ کوچکی پرتوی لیزر سبز یا آبی رنگ تولید کند.

 

اما واقعیت آن است که از آن‌جایی‌که پرتو نور تولید شده  coherent نیست، چنین قطعاتی بیشتر از آن‌که لیزر نیمه‌هادی محسوب شوند، دیود‌های LED به‌شمار می‌روند. اما گزارش‌ها نشان می‌دهند که کارایی (به معنی efficiency) این قطعات بسیار بالا و در اندازه‌های LED های گالیوم آرسناید است. نکته دیگر آن‌که به‌دلیل سازگاری این قطعات با CMOS، امکان به‌کارگیری چنین چیپ‌هایی در اجزای الکترونیکی موجود، فراهم می‌باشد. شرکت STM بنا دارد که در سال آینده، اپتوکوپلرهای سیلیکونی برای کنترل ماشین‌های ولتاژ بالا را عرضه کند.

 

در اوایل سال گذشته، یکی از محققان دانشگاه کالیفرنیا نشان داد که LED ‌های سیلیکونی هم می‌توانند به عنوان چشمه نور لیزر‌های سازگار با CMOS به‌کار روند. گروه تحقیقاتی دانشگاه کالیفرنیا موفق گردید که از دیسک‌های میکروسکوپی ‌دی‌اکسید سیلیکون به‌صورت تقویت کننده اپتیکی استفاده کند. این گروه پس از پرداخت دقیق و صیقل دادن لبه‌های دیسک دی‌اکسید سیلیکونی، پرتو نور را توسط فیبر‌نوری به درون دیسک تزریق کردند. پرتوی نور وارد شده به درون دیسک، پس از چرخش‌های متوالی در امتداد لبه خارجی دیسک، قبل از تشعشع لیزری عملاً میلیون‌ها برابر تقویت می‌شود.

 

منابع نوری Incoherent مانند LED‌ها علاوه بر آن‌که می‌توانند برای تغذیه دیسک‌ها به‌کار روند، قابلیت تصفیه، تقویت و یا تغییر طول موج پرتوهای لیزر ورودی از محیط خارج از چیپ را نیز دارا هستند. محققان فوتونیک دانشگاه کالیفرنیا معتقدند که می‌توانند به‌جای آبکاری دیسک‌های نوری، در آن‌ها سوراخ‌هایی تعبیه کنند. نتیجه این عمل آن خواهد بود اتصال چنین قطعه‌ای به موج‌بر‌ها یا تجهیزات اپتیکی دیگر بسیار ساده‌تر انجام خواهد شد (موج‌بر معادلی است که برای اصطلاح فنی Wave guide در متون فنی به‌کار برده می‌شود. موج‌برها محیط‌های انتقال امواج با فرکانس‌های بالا محسوب می‌شود.

 

یادآوری می‌کنیم که امواج الکترومغناطیسی با فرکانس‌های بسیار بالا، مانند امواج مایکروویو یا امواج نوری، نمی‌توانند از طریق کابل‌های معمولی انتقال داده شوند. برای سهولت تجسم مفهوم موج‌بر می‌توانید آن‌ها را به لوله یا شلنگ آب تشبیه کنید). سرپرست این گروه تحقیقاتی می‌گوید: <چنین ریز کاواک‌های لیزری

(Microcavity laser) منابع سیگنال‌های حامل (carrier) اطلاعات خروجی چیپ‌های فوتونیکی محسوب می‌شوند.>

 

برای عملی شدن طرح‌های فوق، لازم است تا مهندسان روش‌های مناسبی برای تبدیل سیگنال‌های اپتیکی به الکتریکی و برعکس بیابند. انجام این کار بر روی سیلیکون تا قبل از پیشرفت‌های سال گذشته، امری دشوار تلقی می‌گشت. اما در فوریه 2003 محققان موفق به توسعه روشی برای مدولاسیون اشعه لیزر با استفاده از سیلیکون شدند. در این آزمایش موفقیت‌آمیز، سرعت مدولاسیون 50 برابر بیشتر، بهتراز نتایج به‌دست آمده قبلی بوده است.

براساس نتایج به‌دست آمده از آزمایش فوق، هم اکنون چیپ‌های سیلیکونی به مساحت یک تمبر پستی، می‌توانند 100 واحد مدولاتور را در خود جای دهند.

 

 

 

 

در یکی از آزمایشگاه‌های اپتیک شرکت اینتل موسوم به آزمایشگاه A1، برای نمایش قابلیت‌های تجهیزات اپتیکی، آزمایش جالبی ترتیب داده شده است. در این آزمایش، از یک دستگاه کامپییوتر برای پخش یک فیلم DVD با وضوح بالا استفاده می‌شود. همین کامپیوتر همزمان با پخش فیلم، تمام بیت‌ها را از طریق شبکه اترنت به سمت یک مدار کوچک که در آن یک دستگاه مدولاتور تعبیه شده است، ارسال می‌کند.

 

اگرچه مدار فوق از لیزر برای کار خود استفاده می‌کند، با این وجود اصول کارکرد آن شباهت زیادی به اصول رادیو‌های ‌ AM دارد. این مدار، پرتو میکروسکوپی ورودی را به دو مسیر متفاوت تفکیک و هدایت می‌کند. در زیر هر یک از این مسیر‌ها، یک خازن CMOS نصب شده است که به‌صورت الکتریکی به کابل اترنت ارتباط دارد. زمانی که ناحیه اطراف این مسیر‌ها به‌شدت باردار می‌شوند، الکترون‌ها با نور برهم‌کنش می‌کنند. چنین برهم‌کنش‌هایی منجر به انتقال فاز نسبی امواج نوری می‌شوند. در نقطه‌ای از مدار که دو مسیر مجدداً به یکدیگر می‌پیوندند، امواج عبوری از آن‌ها با یکدیگر تداخل کرده و الگویی مشابه با همان اطلاعات دیجیتال اولیه ایجاد می‌کنند.

 

پالس‌هایی که بر اثر الگوی تداخلی ایجاد شده‌اند، ضمن عبور از یک رشته باریک فیبر، چیپ را ترک می‌کنند و به یک دستگاه آشکارساز نوری (photodetector) وارد می‌شوند.آشکار‌ساز هم به نوبه خود به یک کامپیوتر مستقل متصل شده است. بدین‌ترتیب با پخش صحنه‌های یکسانی از فیلم سینمایی بر روی دو کامپیوتر، نشان داده می‌شود که مدارات اپتو- الکتریکی به‌خوبی از عهده وظایف خود برآمده‌اند.

 

تا این تاریخ از مدولاتور در فرکانس‌هایی در حد  5/2 گیگاهرتز استفاده شده است. یکی از محققان در این زمینه می‌گوید: <با این وجود ما قادریم مدولاتورها را در اندازه‌های بسیار کوچکتری تولید کنیم و از آن‌ها در فرکانس‌های بالاتری، مثلاً تا ده گیگاهرتز استفاده کنیم.> او چنین ادامه می‌دهد که با به‌کارگیری روش‌های پیشرفته‌‌ در یک چیپ، می‌توانیم به چنین اهدافی دست یابیم. اهدافی که منجر به تولید دستگاه‌های سیلیکون- اپتیکی کوچکی می‌شوند که می‌توان از آن‌ها در هر زمان و در هر مکانی استفاده کرد. دستگاه‌هایی مانند کارت‌های شبکه 250 دلاری که جایگزین مسیر‌یاب‌های 25 هزار دلاری می‌شوند.

 

Morse یکی دیگر از محققان فعال در زمینه‌های تحقیقات اپتیکی، می‌گوید: <البته زمانی که از ارسال اطلاعات با سرعت‌هایی در حدود ده گیگاهرتز صحبت می‌کنیم، باید توانایی دریافت اطلاعات با همین سرعت را در جای دیگری داشته باشیم.> مورس استدلال می‌کند که سیلیکونی که در تجهیزات فوتونیک به‌کار گرفته می‌شود،  در طول موج‌های مادون‌قرمز (IR) همانند یک قطعه شیشه شفاف است. اما این موضوع با اضافه کردن مقداری ژرمانیوم به‌خوبی رفع می‌شود. این تکنیک در حال حاضر توسط تولید‌کنندگان چیپ‌ها به‌خوبی شناخته شده است و شرکت‌های تولیدکننده چیپ از آن برای افزایش سرعت پردازنده‌های خود کمک می‌گیرند.

 

بهترین‌های هر دو جهان

از زمانی که از سیلیکون در گرایش فوتونیک به عنوان ماده اصلی استفاده می‌شود، بیش از دو سال نمی‌گذرد و در همین زمان کوتاه  دانش استفاده از سیلیکون مسیر بسیار طولانی‌ای را طی کرده است. اما اگر قرار باشد از همین ماده برای انتقال اطلاعات در سرعت‌های بالاتر از بیست گیگاهرتز استفاده شود، راه بسیار طویل‌تری در پیش روی سیلیکون قرار خواهد گرفت. در حال حاضر مسئله اصلیِ پیش‌روی محققان آن است که چگونه باید از دانش فوتونیک در مهندسی الکترونیک استفاده شود. یکی از این شیوه‌ها که به polylitic integration معروف شده است، به‌جهت اقتصادی‌ عملی‌ترین شیوه شمرده می‌شود.

 

ایده اصلی در این روش آن است که در مادربوردهای کامپیوترها از پردازنده‌هایی با تکنولوژی CMOS استفاده شود که دارای اتصالات الکتریکی و اپتیکی به‌طور همزمان باشد. دراین صورت می‌توان به‌کمک چیپ‌های III-V که از پردازنده فاصله معقولی دارند، سیگنال‌های نوری را طوری به‌درون پردازنده تزریق کرد که خطر افزایش حرارت و آسیب‌دیدن چیپ‌های اپتیکی عملاً وجود نداشته باشد. (یادآوری می‌شود که یکی از بزرگ‌ترین مشکلات مهندسان در به‌کار‌گیری تکنولوژی اپتیک در ساختمان پردازنده‌های کنونی، افزایش حرارت چیپ‌های اپتیکی و از کار افتادن آنها در درجه حرارت‌های بالا و در مجاورت چیپ پردازنده اصلی بوده‌است).

 

یک گروه تحقیقاتی متشکل از دو نفر از محققان دانشگاه جورجیا به‌نام‌هایD.Meindl  و Muhannad Bakir  و یک از متخصص از شرکت اینتل (Anthony V.Mule) تا کنون چندین راه‌حل polylitic ارائه کرده‌اند. یکی از این روش‌ها که به Sea of Leads مشهور شده است، شامل چندین هزار فنر فلزی S شکل است که در آخرین مراحل فرایند تولید پردازنده به چیپ پردازنده متصل می‌شوند. در این تکنیک، در حینی که سیگنال‌های الکتریکی از فنر‌های فلزی عبور داده می‌شوند، سیگنال‌های نوری با برخورد به تور تفرق (defraction) به درون موج‌برهای نصب شده در درون چیپ پردازنده یا مادر بورد هدایت می‌گردند.

 

در تکنیک دوم، پردازنده بر روی لایه‌ای از هزاران استوانه پلاستیکی شفافی قرار داده می‌شود که خود این استوانه‌ها قابلیت قرار گرفتن در سوکت مادربرد را خواهند داشت. این گروه تاکنون موفق شده‌اند که آرایه‌ای از استوانه‌های پلاستیکی ظریفی بسازند که اجزای آن‌ها در فاصله‌های بسیار کوچکی از یکدیگر قرار گرفته‌اند (5 میکرون در عرض و 12‌میکرون در طول).

 

به همین ترتیب این گروه موفق شده‌اند که روش ایجاد پوشش‌های فلزی بر روی این استوانه‌ها و سوکت‌های مناسب نصب آن‌ها را با موفقیت آزمایش کنند. در این صورت مسأله اتصال فلزی این استوانه‌ها با سوکت نیز در عین آن‌که اتصال الکتریکی برقرار است، حل شده تلقی می‌گردد.

 

به این ترتیب به‌نظر می‌رسد که بالاخره فاصله بین دانش اپتیک آزمایشگاهی و صنعت الکترونیک در حال از بین رفتن است و سیستم‌های کامپیوتری چشم‌انداز بسیار روشنی در آینده خواهند داشت

 

مسعود سعیدی