در دنیای پویای فناوری، نیاز به راه‌حل‌های محاسباتی سریع‌تر و کارآمدتر به‌طور مداوم در حال افزایش است. در پاسخ به این تقاضا، پژوهشگران آزمایشگاه تحقیقات فوتونیک (PRL) در مؤسسه iTEAM دانشگاه پلی‌تکنیک والنسیا (UPV) با همکاری شرکت خصوصی iPronics دست به توسعه نوآوری‌ای بی‌سابقه زده‌اند: اولین تراشه فوتونیکی جهان که برنامه‌پذیر و چندمنظوره است.
ویژگی‌هایی که اولین تراشه فوتونیکی برنامه‌پذیر جهان را متمایز می‌کنند عبارتند از:
- • برنامه‌پذیر بودن: برخلاف تراشه‌های فوتونیکی سنتی، این تراشه می‌تواند بر اساس نیاز، برای انجام وظایف مختلف پیکربندی شود. این انعطاف‌پذیری باعث استفاده بهینه‌تر از تراشه شده و محدودیت‌های ناشی از عملکردهای ثابت را از بین می‌برد.
- • چندمنظوره بودن: این تراشه قادر است دوازده عملکرد اساسی مورد نیاز برای انتقال و پردازش داده را انجام دهد. این ویژگی، آن را برای طیف گسترده‌ای از کاربردها مناسب می‌سازد.
- • گلوگاه‌های (Bottlenecks) داده کمتر: با امکان برنامه‌ریزی آنی و ایجاد ارتباط میان بخش‌های بی‌سیم و فوتونیکی یک شبکه، این تراشه می‌تواند گلوگاه‌هایی را که باعث محدودیت در جریان داده و پهنای باند می‌شوند، از بین ببرد.
این اختراع پیشگامانه نوید تحول در بخش‌های مختلفی از جمله مخابرات، مراکز داده و حوزه در حال رشد سیستم‌های هوش مصنوعی (AI) را می‌دهد.
محدودیت‌های محاسبات مبتنی‌بر الکترونیک:
رشد نمایی کاربردهای هوش مصنوعی، محدودیت‌های ذاتی فناوری محاسبات مبتنی بر الکترونیک را برجسته کرده است. تراشه‌های الکترونیکی سنتی که بر جریان الکترون‌ها در میان قطعاتی مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها و ترانزیستورها متکی هستند، در حین پردازش اطلاعات، گرمای قابل توجهی تولید می‌کنند. این تولید گرما یکی از مهم‌ترین معایب تراشه‌های الکترونیکی سنتی است.
هنگامی که الکترون‌ها از این اجزا عبور می‌کنند، با مقاومت مواجه می‌شوند که منجر به تبدیل انرژی الکتریکی به گرما می‌شود. هرچه تعداد محاسبات افزایش یابد، میزان گرمای تولیدی نیز بیشتر خواهد شد. گرمای تولید شده توسط تراشه‌های الکترونیکی باید دفع شود تا از آسیب دیدن قطعات و کاهش پایداری عملکرد جلوگیری شود. این امر نیازمند استفاده از زیرساخت‌های خنک‌کننده مانند فن‌ها، هیت‌سینک‌ها و سیستم‌های تهویه مطبوع است. با این‌حال، زیرساخت‌های خنک‌کننده مقدار قابل توجهی از انرژی را مصرف می‌کنند که به افزایش مصرف کلی انرژی سیستم منجر می‌شود.
نیاز به سیستم‌های خنک‌کننده نه‌تنها مصرف انرژی را افزایش می‌دهد، بلکه باعث کاهش بهره‌وری سیستم نیز می‌شود. انرژی مصرف‌شده برای خنک‌سازی، در واقع انرژی هدررفته‌ای است که می‌توانست صرف انجام محاسبات مفید شود. علاوه بر این، هرچه مقیاس استفاده از تراشه‌های الکترونیکی در مراکز داده و سیستم‌های هوش مصنوعی گسترده‌تر شود، میزان این ناکارآمدی‌ها نیز بیشتر خواهد شد.
تراشه‌های فوتونیک: راه‌حلی برای مقابله با چالش‌های محاسبات مبتنی بر الکترونیک
تراشه‌های فوتونیکی به جای الکترون‌ها از فوتون‌ها یا نور برای پردازش داده استفاده می‌کنند. برخلاف الکترون‌ها، فوتون‌ها بار الکتریکی ندارند و در برابر مقاومت الکتریکی تأثیری نمی‌پذیرند، بنابراین در حین پردازش، گرمای ناچیزی تولید می‌کنند. این تراشه‌ها شامل اجزای نوری مانند موج‌برها، لیزرها و پولاریزورها یا قطبش‌گرها هستند. این اجزا با کنترل و هدایت امواج نوری، وظایف مختلف محاسباتی از جمله انتقال داده، مسیریابی و پردازش اطلاعات را با حداقل اثرات حرارتی انجام می‌دهند. از آنجا که فوتون‌ها برخلاف الکترون‌ها گرما تولید نمی‌کنند، تراشه‌های فوتونیکی اثرات حرارتی بسیار ناچیزی دارند. این ویژگی، نیاز به سیستم‌های خنک‌کننده گسترده را از بین می‌برد، مصرف انرژی را کاهش داده و بهره‌وری کلی انرژی را بهبود می‌بخشد.
با استفاده از ویژگی‌های منحصربه‌فرد نور، تراشه‌های فوتونیکی امکان توسعه راه‌حل‌های محاسباتی کوچک‌تر، سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر را فراهم می‌کنند. نبود محدودیت‌های ناشی از گرما اجازه می‌دهد تا این تراشه‌ها با سرعت کلاک بالاتر و تراکم محاسباتی بیشتر عمل کنند، که در نتیجه باعث بهبود عملکرد و کاهش مصرف انرژی می‌شود.
این تغییر بنیادین به سمت تراشه‌های فوتونیکی، پاسخی به نیازهای روزافزون فناوری مدرن، به‌ویژه در زمینه‌هایی مانند هوش مصنوعی، پردازش داده و مخابرات است. این تراشه‌ها راه‌حلی مقیاس‌پذیر و پایدار برای برآورده کردن نیازهای فزاینده محاسباتی در کاربردهای امروزی ارائه می‌دهند.
با حمایت مالی شورای تحقیقات اروپایی، دانشگاه پلی‌تکنیک والنسیا (UPV) با همکاری شرکت iPronics توانستند یک تراشه فوتونیکی برنامه‌پذیر را توسعه دهند و گامی رو به جلو در صنعت تولید تراشه‌های فوتونیکی بردارند.
این تراشه قادر است دوازده عملکرد اساسی مورد نیاز برخی سیستم‌ها را اجرا کند. این عملکردها شامل مدولاسیون سیگنال، مسیریابی، فیلتر کردن، تقویت و آشکارسازی است. یکپارچه‌سازی این قابلیت‌ها در یک تراشه، طراحی و پیاده‌سازی سیستم‌های نوری پیچیده را ساده‌تر می‌کند.
یکی از ویژگی‌های کلیدی که خوزه کاپمانی، استاد ارتباطات نوری در دانشگاه پلی‌تکنیک والنسیا، بر آن تأکید دارد، برنامه‌پذیری این تراشه است. برخلاف تراشه‌های سنتی با عملکرد ثابت که وظایف از پیش تعریف‌شده‌ای را اجرا می‌کنند، تراشه‌های برنامه‌پذیر می‌توانند متناسب با نیازهای مختلف، پیکربندی یا بازبرنامه‌ریزی شوند. این انعطاف‌پذیری به کاربران امکان می‌دهد تا عملکرد تراشه را بر اساس کاربردهای خاص یا نیازهای متغیر تنظیم کنند و در نتیجه، بهره‌وری و تطبیق‌پذیری مدار افزایش می‌یابد.
خوزه کاپمانی در این باره می‌گوید: "این نخستین تراشه در جهان با چنین ویژگی‌هایی است. این تراشه می‌تواند دوازده عملکرد اساسی مورد نیاز سیستم‌های محاسباتی را اجرا کند و به‌صورت آنی برنامه‌ریزی شود، که باعث افزایش کارایی مدار می‌شود."
انتظار می‌رود که این نوآوری بتواند باعث بهبود فناوری‌هایی مانند ارتباطات 5G، کارایی مراکز داده و هوش مصنوعی شود. علاوه بر این، این تراشه دارای کاربردهای بالقوه در زمینه‌هایی مانند محاسبات کوانتومی، خودروهای خودران و پهپادها نیز خواهد بود.
تأثیر این آی سی بر صنعت و چشم‌انداز آینده
استارتاپ آی‌پرونیکز، مستقر در والنسیا، اولین محموله‌های پردازنده فوتونیکی SmartLight خود را به شرکت‌هایی در اروپا و آمریکا ارسال کرده است. این پردازنده که اولین آی سی فوتونیکی کاملاً برنامه‌پذیر محسوب می‌شود، تا ۱۰ برابر انرژی کمتری مصرف کرده و تا ۲۰ برابر سریع‌تر از آی سی‌های الکترونیکی عمل می‌کند و بنابراین می‌تواند گامی مهم در بهینه‌سازی زیرساخت‌های مخابراتی به شمار آید. آی‌پرونیکز با هدف کاهش هزینه‌ها و تسریع فرایندهای انتقال داده، این فناوری را برای کاربردهایی مانند 5G/6G، هوش مصنوعی، محاسبات کوانتومی و اینترنت اشیا عرضه کرده است. این شرکت با کاهش زمان توسعه آی سی‌های فوتونیکی از ۱۸ ماه به چند هفته، اولین استارتاپی است که فراتر از مرحله تحقیق و توسعه رفته و محصولی تجاری ارائه داده است. مارک هافمن، مدیرعامل شرکت، این موفقیت را نقطه عطفی برای صنعت فوتونیک دانسته و آی‌پرونیکز را به عنوان رهبر در ارائه پردازش فوتونیکی مقرون‌به‌صرفه معرفی کرده است. این نوآوری، چشم‌اندازهای بزرگی برای مدارهای مجتمع فوتونیک قابل برنامه‌ریزی ایجاد کرده و به عنوان پایه‌ای برای شبکه‌های اپتیکی نسل بعدی و فناوری‌های محاسباتی پیشرفته عمل خواهد کرد.
چگونه تراشه‌های فوتونیکی روی صنعت قطعات الکترونیکی تأثیر می‌گذارند
فناوری تراشه‌های فوتونیکی برنامه‌پذیر می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر صنعت قطعات الکترونیکی بگذارد. با کاهش وابستگی به پردازنده‌های الکترونیکی سنتی و بهینه‌سازی مصرف انرژی، این فناوری امکان طراحی قطعاتی با بازدهی بالاتر، عملکرد سریع‌تر و اتلاف حرارتی کمتر را فراهم می‌کند. همچنین، با ادغام تراشه‌های فوتونیکی در سیستم‌های مخابراتی، مراکز داده و دستگاه‌های هوش مصنوعی، تقاضا برای قطعاتی مانند موج‌برهای نوری، لیزرهای نیمه‌هادی و آشکارسازهای فوتونی افزایش خواهد یافت. این تغییرات نه‌تنها منجر به رشد بازار قطعات نوری می‌شود، بلکه تولیدکنندگان قطعات الکترونیکی را نیز به توسعه و عرضه محصولات جدید و سازگار با این فناوری ترغیب می‌کند. در نتیجه، صنعت قطعات الکترونیکی با تحولات گسترده‌ای در طراحی، تولید و زنجیره تأمین مواجه خواهد شد.
جمع‌بندی
توسعه نخستین تراشه فوتونیکی برنامه‌پذیر و چندمنظوره یک تحول اساسی در فناوری محاسبات محسوب می‌شود. این نوآوری پیشگامانه با بهره‌گیری از قدرت نور، افق‌های جدیدی را در مخابرات، پردازش داده و سیستم‌های هوش مصنوعی ارائه می‌دهد. با ادامه تلاش‌های پژوهشگران برای پیشبرد مرزهای محاسبات فوتونیکی، آینده فناوری روشن‌تر از همیشه به نظر می‌رسد.