حوسبة بسرعة الضوء

حوسبة بسرعة الضوء^(*)

إن الطرائق الناشئة لإيجاد توصيلات فوتونية بين الشيپات الميكروية

الإلكترونية قد تُغيِّر على نحوٍ مذهل شكلَ حواسيب العقد المقبل.

<W .W. گيبس>

 

ما برحت المعالِجات الميكروية (الصِّغْريّة) منذ نحو سنة 1995 تتفوّق على الأجزاء الأخرى من النُّظُم الحاسوبية بهوامش تتزايد باطّراد. فالإصدارات الحديثة من المعالجات الميكرويّة تستطيع التعامل مع التعليمات بسرعة قد تصل إلى 3.6 جيگاهرتز (GHz)؛ بل يمكن تنفيذ بعض العمليات، كالعمليات الحسابية، بضعفي تلك السرعة. ولكن شبكة الأسلاك في اللوحة الأم motherboard التي تصل المعالِجَ بشيپات الذاكرة memory chips وأجزاء النظام الأخرى «تتهادى» بسرعة لا تكاد تتجاوز 11 جيگاهرتز. لذا فإن دماغ الآلة يبدِّد قرابة 755% من وقته في حالة تعطّل، بانتظار التعليمات والبيانات العالقة في حركة المرور⁽¹⁾.

 

ويرى الفيزيائي<J .F .A. ليڤي> [من جامعة جنوب كاليفورنيا] في تحليل مستفيض صدر عنه منذ ثلاث سنوات أن «اختلال التوازن بين أداء المعالج الميكرويّ والنفاذ إلى الذاكرة سيفضي إلى نقطةٍ حرجةٍ في غضون السنوات المقبلة.» وأشار إلى أن مادة الپلاستيك في لوحات الدارات المطبوعة printed circuit boards تُخمد الترددات العالية: ففي مقابل كل زيادة قدرها 2 جيگاهرتز في عرض نطاق الإشارة الكهربائية تنخفض قوة الإشارة عشرة أضعاف. وعندما يرتفع معدل الميقاتية⁽²⁾ clock rate يزداد استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة وتداخل الموجات الكهرمغنطيسية. وتمثِّل هذه المشكلاتُ الثلاث الكبرى مصدرَ قلق حقيقيا لمصمِّمي النُّظُم. ويتنبأ أحد الاتحادات الصناعية، وهو سيماتك إنترناشيونال International Sematech بأن الوصلات من المعالج إلى الطرفيات يجب أن تتسارع بمعدل  2 جيگاهرتز تقريبا كل سنتين تجنبا لتفاقم المشكلة أكثر فأكثر.

 

ويقول <M. مورس> [الباحث في الفوتونيات لدى الشركة إنتل] «يعتقد مهندسونا أنهم سيكونون قادرين في نهاية المطاف على حشر 20 جيگاهرتز ضمن شبكة أسلاك لا يزيد طولها على 20 إنشا.» ووفقا لمخطط سيماتك فإن 20 جيگاهرتز ستكون كافية تماما لجيل ال32 نانومترا من الشيپات الميكرويّة، أي أقل بثلاث درجات من شيپات ال90 نانومترا التي ظهرت في مطلع العام 2004. ويشير <T.M. بور> [مدير قسم المعالجة في الشركة إنتل] إلى أن شركته في طريقها لإنتاج هذا الجيل من الشيپات ليكون متاحا للتسويق بحلول عام 2010.

 

وهكذا تبدو الظروف مواتية لاعتماد التوصيلات الفوتونيّة، التي يجري فيها تبادل البيانات بوساطة الضوء الليزري، كبديل للأسلاك النحاسية في غضون العقد المقبل. ويقول <P.P. گِلسْينگر> [رئيس المكتب الفني لدى الشركة إنتل]: «إنني من أنصار التوصيلات الضوئية على مستوى المنظومة،» وذلك على الرغم من أنه مازال غير مقتنع من أنهم سينجحون في تحقيق القفزة ذات السرعة العالية جدا والمسافة القصيرة بين المعالج وبنك الذاكرة. أما الموعد الدقيق لحصول هذا التحوُّل، وتحديد التوصيلات التي سيعتمدها، وتقدير التكاليف المترتبة على ذلك، فهي مسائل تعتمد إلى حد بعيد على طريقة تصنيع هذه التجهيزات الفوتونيّة.

 

وغالبا ما تنتقل البيانات بأشكال إلكترونية وفوتونيّة عند طرفيّات منظومة حاسوبية، في طريقها من قرص مدمج CD وإليه أو قرص ڤيديوي رقمي DVD، أو مرقاب شاشة عرض، أو فأرة، أو كاميرا، أو مضخّم ستيريو، أو شبكة ألياف ضوئية. ولكن الأجزاء المركزية لمعظم الحواسيب – وهي المعالج والذاكرة الرئيسية واللوحة الأم التي تصل هذه الأجزاء بالتجهيزات الطرفيّة المتعددة ـ تبقى بكاملها ذات طابع إلكتروني.

 

والسبب في ذلك بسيط، وهو أن الاتصالات البينيّة الضوئية، على الرغم من سرعتها التي تزيد أضعافا على سرعة الأسلاك النحاسية، هي أعلى تكلفة بعشر إلى مئة مرة من تلك الأسلاك. وفي بعض التطبيقات، مثل تحويل switching ألوف المكالمات الهاتفية أو النقل المكوكي للبلايين من رزم الإنترنت، تتفوق اعتبارات السعةُ على التكلفة. وهذا يفسّر سبب تحوّل الاتصالات الخارجية البعيدة في الدول الغنية حاليا إلى الألياف الضوئية في المقام الأول. وهذا يفسّر أيضا سبب إنفاق الشركة سيسكو Cisco مبلغ نصف بليون دولار على مدى السنوات الأربع الماضية لإنشاء مسيِّر routerضوئي، ظهر أول مرة في الشهر5/20044، تعمل خطوطه الثلاثون المصنوعة من الألياف الضوئية بسرعة 40 جيگابتة في الثانية ـ وهو عرض نطاق كلّي كاف، من حيث المبدأ، للتعامل مع حركة مرور الإنترنت التي تغطي 1.6 مليون منزل مزوَّدة بخطوط رقمية للمشتركين. وفي الحالات التي تتجاوز فيها المسافات 100 متر، فليس ثمة شيء يفوق سرعة الضوء في التحويل. أما في الوصلات القصيرة، كالتي توجد في شبكات المكاتب وداخل أجهزة الحواسيب، فمايزال النحاس هو المهيمن.

 

ومع ذلك فإن إمكان التغيير في طريقة الإدارة يبدو الآن أكثر ملاءمة، وذلك لأن العلماء تمكَّنوا أخيرا من صنع مجموعة واسعة من التجهيزات الفوتونيّة التي يمكن تصنيعها في المصانع الحالية للشيپات الميكرويّة، ومن ثم تكون ذات سعر تنافسي. يقول <M. پانيشيا> [رئيس مجموعة أبحاث الفوتونيّات السيليكونية لدى الشركة إنتل]: «نحن نريد أن نسخِّر علم البصريات للدخول في كل شيء، وصولا إلى الاتصالات على مستوى الشيپات.»

 

ربما يتسنى للمعالج الميكرويّ المستقبلي الاتصال ببقية أجزاء الحاسوب عن طريق الضوء إضافة إلى الكهرباء. وقد ابتُكرت منذ عهد قريب تجهيزات مثل: الليزرات ذات التجاويف الميكرويّة، ودارات التضمين الضوئية السيليكونية، والأعمدة الپوليمرية الشافَّة translucent، التي يمكنها معا نقلُ البتات بسلاسة من الوسط الإلكتروني إلى الوسط الفوتوني، والعودة بها من جديد.

 

فإذا حصل ذلك، فستبدو الحواسيب ذات مظهر وأداء مختلفين جدا في غضون عقد من الآن. وسيكون بعض التغييرات من النوع الذي يتوخى «الأسرع والأصغر»، بحيث تمسي كاميرات الڤيديو وأجهزة العرض الڤيديوية المحمولة قابلة لقَبْس كِبَالها cables ذات الألياف الضوئية في بديلاتها الفوتونيّة إلى المنافذ (USB(3، وقد يصبح لبعض الآلات سوّاقات أقراص تجسيمية holographic disk drives تستطيع أن تؤرشِف مئات الجيگابايتات على قرص تخرين platter قابل للنزع بحجم القرص المدمج .CD  أما أولئك الأشخاص المحظوظون ممَّن لديهم اتصال مباشر بشبكة الاتصالات الدولية ذات الألياف الضوئية، فيمكن أن تتيح لهم بطاقةُ الشبكة الضوئية وصولا إلى الإنترنت بسرعة تزيد على جيگابتة في الثانية ـ أي بسرعة أكبر بنحو ألف مرة من السرعة التي توفّرها الخطوط الرقمية للمشتركين DSL  والموديمات الكبلية المستعملة حاليا.

 

ربما يتكشف المستقبل عن تغييرات أخرى أكثر إثارة. فإذا علمنا أن السرعة القصوى الفعلية للتوصيلات الإلكترونية تنخفض بشدة مع ازدياد طول الكبل، أدركنا ضرورة جعل شيپات الذاكرة وبطاقات الرسوم البيانيةgraphics cards قريبة من المعالج الذي ينقل المعلومات إليها. ويرى <پانيشيا> أن «المسافات تصبح غير ذات بال حالما تدخل البيانات حدود الإطار البصري»، وأن «التقانة الفوتونيّة المنخفضة التكلفة تبقى منخفضة التكلفة سواء أكانت المسافة قدما واحدة أم ألف ميل.» إن كثيرا من المكوّنات الحاسوبية المحشورة في صندوق مستطيل ارتفاعه قدمان يمكن أن تتوزَّع من حيث المبدأ في أرجاء سيارة أو مبنى أو مدينة، مع تدفق البيانات خلالها على شكل نبضات ضوئية.

 

توسيع «عنق الزجاجة»^(**)

إن الشيپات الضوئية الحالية من النوع المستعمل كليزرات في أجهزة الأقراص المدمجة CD أو كأجهزة كشف ضوئي photodetectors في مبدالات الاتصالات البعيدة، تصنَّع من أشباه موصلات semiconductors من النوع III-V. هذه المكوّنات تقرن عنصرا أو أكثر من عناصر العمود الثالث في الجدول الدوري (مثل الألمنيوم أو الگاليوم أو الإنديوم) بعنصر من عناصر العمود الخامس (يكون عادة: الفوسفات أو الزرنيخ أو الأنتيمون).

تبدو الشيپات من النوع III-V أول وهلة مثالية للفوتونيّات. فالإلكترونات تتحرك فيها بسرعة أكبر مما لو كانت في السيليكون، ومن ثم فإن المعالجات III-V تستطيع العمل عند ترددات أعلى بكثير. وهي لا تُصدر ضوءا ليزريا من تجاويف سطحها فحسب، بل تحوّل الومضاتِ الواردةَ إلى إشارات كهربائية بسرعات هائلة كذلك. ولهذا السبب، انصرف علماء الفوتونيّات بادئ الأمر إلى الشيپات III-V لبناء دارات متكاملة ضوئية.

 

وباستعمال فوسفيد الإنديوم مثلا، تمكنت مجموعة يرأسها <D. بلومنثال> و<L. كولدرن> [من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا] عام 2003 من ابتكار «ناسخ فوتوني». فهذه التجهيزة تقبل البتّات الفوتونيّة عند طول موجة معين، ثم تعيد توليدها إذا خبت، وتستخدم لهذا الغرض ليزرا قابلا للموالفة لتحويلها إلى طول موجيٍّ مغاير دون تحويل المعلومات إلى صيغة إلكترونية. ولا بد أن تكون مثل هذه التجهيزة ذات فائدة عميمة حقا لحاسوب فوتونيّ مستقبليّ.

 

نظرة إجمالية/ الحوسبة الضوئية^(***)

▪ يتوقع مهندسو الحاسوب أن تبلغ الأسلاك النحاسية، التي تربط حاليا المكونات داخل الآلات، إلى النهايات العملية لعرض نطاقها، وذلك في غضون السنوات العشر المقبلة. ▪ إن توصيل الشيپات الميكرويّة بالضوء كان يعني ـ حتى وقت قريب ـ استخدام أدوات ليزرية ومكشافات مصنوعة من أشباه موصلات غير مألوفة. ومثل هذه التجهيزات ليس في وسعها أن تعمل إلا في إطار تطبيقات محدودة من مثل محاور الاتصالات العالية السرعة. ولكن المهندسين أماطوا اللثام في العام 2004 عن أصناف جديدة من تجهيزات فوتونيّة يمكن صنعُها في المصانع نفسها حيث تُصنع شيپات ميكرويّة منخفضة التكلفة. ▪ انبرى الباحثون يعرضون برامج غير مسبوقة لتوجيه نبضات ليزرية من المعالجات الميكرويّة وبطاقات الدارات وإليها. ▪ لما كانت الوصلات الضوئية قادرة على العمل ضمن نطاق عال جدا سواء في المسافات الطويلة أو القصيرة، فإن إضافة الفوتونيّات ربما تغير مظهر الحواسيب بشكل جوهري على المدى البعيد.

 

ولكن أشباه الموصلات III-V تعتبر، مقارنة بالسيليكون، مواد غير مطواعة للتصنيع، وهذا ما يجعلها باهظة الثمن. فالشيپة الميكرويّة التي تصنع من السيليكون بكلفة 5 دولارات باستعمال طريقة المعالجة القياسية بأشباه الموصلات المعدنية الأكسيدية المتتامة CMOS قد تكلِّف زهاء  500 دولار في حال تصنيعها من فوسفيد الإنديوم. ومع استمرار تحسن أداء السيليكون، فإن «المضيَّ بخلاف الاتجاه السائد للطريقة CMOS يشبه التمدد على قضبان السكة الحديدية» كما يقول <A .R. آثيل> [مدير برامج الفوتونيّات لدى وكالة مشروعات بحوث الدفاع المتقدمة DARPA]. ويضيف: «إذ لا بدَّ أن القطار سيدعسك عاجلا أم آجلا.»

 

فإذا تمكنت الفوتونيّات من أن تشق طريقها نحو اللوحات الأم بتكلفة 100 دولار، فيجب ألا تفوِّت على نفسها الفرصة. ومن هنا جاء تركيز بحوث الحوسبة الضوئية في السنوات الأخيرة على اكتشاف طرائق متوافقة مع الطريقة CMOS لدمج التجهيزات الإلكترونية والفوتونيّة معا. وقد بدأت  هذه الاستراتيجية تؤتي ثمارها فعلا.

 

يقول <S. كوفَّا> [مدير مختبر الفوتونيات السيليكونية لدى الشركةSTMicroelectronics في كاتانيا بصقلّية]: «لقد وصلنا اليوم إلى مرحلة في هذا الميدان لم يكن مجرَّد التفكير فيها واردا قبل سنتين. إننا نتحدث اليوم عن دخول السوق عما قريب، وبحوزتنا أول تجهيزة ذات أساس سيليكوني ووظائف ضوئية.»

 

الجميع على متن

قطار CMOS السريع^(****)

ثمة ثلاث طرائق على الأقل تجعل المكوّنات الفوتونيّة ركّابا في القطارCMOS، وكل واحدة منها تحقق تقدما ملحوظا. أما الطريقة الأكثر محافظة، والتي تسمى التكامل الهجين hybrid integration فهي الأقرب إلى النجاح التجاري نظرا لأنها أنتجت شيپات خاصة بصناعة الاتصالات البعدية.

 

تَحشد التجهيزات الهجين شيپات ميكرويّة سيليكونية ذات تحميل منطقي في حزمة صغيرة تشتمل أيضا على الشيپات III-V تنجز جميع المهام الضوئية. ويتعيَّن الآن تعديل المصنع CMOS تعديلا جوهريا قبل أن يسمح المديرون لزرنيخيد الگاليوم أو فوسفيد الإنديوم بالاقتراب من تجهيزاتهم التي كلفتهم بلايين الدولارات، لأن تلك المركّبات يمكنها أن تلوِّث خطَّ إنتاج السيليكون. إلا أن بالإمكان تصنيع نصفي التجهيزة الهجين في مصنعين منفصلين، ثم تجميعهما فيما بعد.

 

الحاسوب الشخصي الفوتوني: الواقع والمستقبل^(*****)

صارت الحواسيب اليوم تستعمل تجهيزات ضوئية في عدة مواضع من طرفيات الآلة. ولكن المكونات الفوتونية، التي هي حاليا في المختبرات أو على وشك الصدور، ستشق طريقها نحو صميم الآلات خلال العقد المقبل. الآن: تعمل المعالجات الميكروية بتردد 3 جيگاهرتز (GHz) أو أكثر، ولكنها غالبا ما تكون متوقفة أثناء انتظارها وصول البيانات من ذاكرة الوصول العشوائية RAM التي تعمل بتردد GHz 0.44 فقط. أما المعالجات الحديثة فتستطيع استرداد البيانات من الذاكرة عبر أسلاك متعددة، وبسرعة تصل بمجموعها إلى 51 جيگابتة/ثا (Gbps). في النموذج الأولي: التوصيلات الفوتونية بين الذاكرة والمعالج تعمل بسرعة 1.25 جيگاهرتز لكل دليل موجة. في المختبرات: هناك طرائق جديدة لتصنيع آلاف الأعمدة الپوليمرية على المعالجات، تسمح لكل من التوصيلات الكهربائية العالية السرعة والتوصيلات الضوئية بالارتباط باللوحة الأم. الآن: تعمل شبكات الألياف الضوئية بسرعات تصل إلى 10 جيگابتات/ثا، ولكن معظم الآلات تستخدم وصلات إثرنت المنخفضة التكلفة بسرعة قدرها 0.1 جيگابتة/ثا فقط. في النموذج الأولي: يمكن أن تقود دارات التضمين السيليكونية الضوئية المصنعة لدى الشركة إنتل إلى شبكات ضوئية معقولة السعر تعمل بسرعات تراوح بين 2.5 و 10 جيگابتة/ثا. القادم في العام 2006: تزعم الشركة In Phase Technologies أن أولى سوّاقاتها التجسيمية holographic drives ستؤرِشف حتى 2000 جيگابايت من المعلومات على قرص بحجم قرص مدمج CD وتستردها بسرعة  0.16  جيگابتة/ثا. الآن: تَكتب سوّاقات DVD وتعيد كتابة ما يزيد على 8.5 جيگابايت من المعلومات على أقراص ذات طبقتين، وتقرأ هذه المعلومات بسرعة تصل إلى 0.13جيگابتة/ثا. قيد الإنتاج: مسجلات Blu-ray و HD-DVD تخزن حتى 50 جيگابايت على قرص، وتنقل البيانات بسرعة 0.04 جيگابتة/ثا، قابلة للزيادة إلى 0.32 جيگابتة/ثا. الآن: إن المسرى التسلسلي الشامل USB 2.0 يصل الفأرة والكاميرا الڤيديوية وغيرهما إلى الحاسوب بسرعة تقارب 0.48 جيگابتة/ثا، ولمسافة تصل إلى خمسة أمتار. قيد الإنتاج: هناك وصلات من الألياف الضوئية العالية التكلفة تصنِّعها الشركة Xanoptix تنقل البيانات بسرعة تصل إلى  245 جيگابتة/ثا، ولمسافة تصل إلى 5000 متر. الآن: تقوم حزم الأسلاك بوصل سواقات الأقراص وبطاقات الشبكة ومكونات أخرى بسرعة تبلغ 40جيگابتة/ثا، بمعدل 2.5 جيگابتة/ثا لكل سلك. في النموذج الأولي: في الشهر7/2004 عُرضت البطاقات الضوئية الظهرية (الحاملة) optical backplanes التي تولِّد موجات ضوئية عبر قنوات پلاستيكية على لوحات الدارات، وهي تعمل بسرعة 88 جيگابتة/ثا لكل دليل موجة.

 

وكانت زانوپتيكس Xanoptix، وهي شركة ناشئة صغيرة في ميريماك بولاية نيوهامشاير الأمريكية، قد استخدمتْ هذه التقانة لمزاوجة ليزرات زرنيخيد الگاليوم مع شيپات التحكم السيليكونية. وكانت النتيجة وصلة ضوئية لا تتعدى حجم الإبهام تشبه قابس مسرى USB. من ناحية أخرى، وبينما لا تستطيع كبال USB أن تتجاوز 0.55 جيگابتة في الثانية، تدّعي شركة زانوپتيكس أن مقبس الاتصال الفوتوني photonic jack الذي أنتجتْه يستطيع أن «يضخّ» ما قد يصل إلى 2455 جيگابتة في الثانية عبر حزمة لا تتعدى عرض قلم الرصاص مكوّنة من 72 ليفا ضوئيا.

 

إلا أن طريقة التجهيزات الهجين تواجه مشكلة طويلة الأمد، تتمثل في أنه كلما زادت سرعة المعالجات الميكروية ارتفعت حرارتها. وقد سبق أن ارتفعت درجة الحرارة في أشد المواضع سخونة في بعض الشيپات إلى ما يربو على 80 درجة مئوية، وهي الدرجة التي يبدأ عندها ليزر الشيپات III-V بالاحتراق. لذلك فإن الشيپات الضوئية-الإلكترونية الهجين قد تجد في الوصلات الخارجية البطيئة والتجهيزات الطرفية وسطا أكثر ملاءمة لها من مركز الحاسوب.

من الأسلاك إلى الأدلة الموجية^(******)

من المرجح أن تجد الشيپات الميكروية الفوتونية استعمالاتها الأولى في الحواسيب ذات الأغراض الخاصة، التي يجب أن تعالج كميات هائلة من البيانات بسرعة، كالحواسيب المستعملة في التصوير الطبي. فالماسحةMRI مثلا قد تستعمل يوما ما أنواعا جديدة من الأدوات الليزرية المجهرية (في اليمين) ودارات تضمين سيليكونية (في الوسط) لإرسال صورها إلى الحاسوب بوساطة ألياف ضوئية. وتُطوَّر حاليا أنواع جديدة من الوصلات تستطيع جلب كميات كبيرة من البيانات إلى المعالج المركزي مباشرة (في اليسار). ومن شأن هذه الارتباطات الفائقة السرعة أن تمكِّن الأطباء من استشارة زملائهم البعيدين عنهم بسهولة ويسر. توليد الضوء يقفز الضوء إلى داخل الحلقة من ليف ضوئي متناه في الدقة (الأصفر) يقع إلى جوارها. يُحدث ضوء ٌذو تردد معين طنينًا خلال الحلقة (السهام) ويحفزها إلى إصدار حزمة ليزرية إلى ليف ضوئي مغاير (الأحمر). ففي شيپة ميكروية عاملة، من المحتمل أن تُصنَّع ليزرات حلقية على حافات التجاويف، بحيث تكون ألياف الربط مدسوسة في سطح الشيپة. إن الأدوات الليزرية الميكروية التي أنتجها <J .K. ڤاهالا> [من معهد كاليفورنيا للتقانة] يمكن تركيبها بالآلاف على شيپات ميكروية قياسية. تستطيع الحلقات الصغيرة تنقية الضوء المتدفق من ليزر ديود رخيص، وتغيير لونه لينسجم مع طول الموجة المعياري الذي تستعمله المكونات الفوتونية الأخرى. المعالجة الميكروية الفوتونية تستطيع الأعمدة المتناهية الدقة المصنوعة من پلاستيك شبه شفاف، أن تصل المعالجات الميكروية بلوحات الدارات التي ترتكز عليها. وقد طورت مجموعة <D .J. مايندل> [من معهد جورجيا للتقانة] هذه الأعمدة التي ستُرفق آلاف منها بقاعدة المعالج. تثبَّت الأعمدة في المقابس المخصصة لها على سطح لوحة الدارة.   تستطيع كل من الإشارات الإلكترونية والفوتونية اختراق الأعمدة، حاملة البيانات من المعالج الميكروي وإليه. تُصنع الوصلات الكهربائية المعيارية من أسلاك تصل إلى الأعمدة المغلفة بطبقة معدنية. وتتدفق النبضات الضوئية من خلال أدلة الموجات الپوليمرية، وتحوَّل شبيكات الانعراج الپلاستيكية أو المرايا المعدنية، وتُكشف بالديودات الضوئية السيليكونية. إن دارة تضمين ضوئية كالتي صنعها <M. پانيشيا> وفريق عمله لدى الشركة إنتل في العام 2003، تتلقى البتات الرقمية بصيغتها الكهربائية وتكوِّدها على شكل حزمة ضوئية. تتشعب هذه الحزمة في البدء إلى ذراعين (في الأعلى). تصل الإشارات الرقمية إلى مكثف من طريق إحدى الذراعين أو كلتيهما. فتبدِّل الإشارة طور الضوء المار بجوار كل مكثف. وعند انضمام الذراعين من جديد، تتداخل أشعة الضوء المزاحة الطور، مولِّدة نبضات في الحزمة الخارجة (في الأسفل).

 

وكانت الشركة إنتل قد حضَّت العلماء العاملين لديها على التزام الطريقةCMOS، أملا في أن تصبح يوما ما قادرة على بناء منظومات فوتونيّة كاملة ضمن المعالجات الميكرويّة أو شيپات اللوحة الأم في مصانعها الحالية. وفي سبيل تحقيق هذا العمل المتكامل الضخم، يسعى المهندسون إلى تطويع السيليكون والعناصر القليلة الأخرى التي تألف الطريقةCMOS لتكون قادرة على إصدار الضوء ومعالجته وكشفه.

 

يقول <پانيشيا>: «تعتبر الخطوة الأولى من أجل تحقيق ذلك فريدة من نوعها. نعتقد أننا نستطيع صنع كل شيء من السيليكون ـ ما عدا الليزر.» ومعلوم أن السيليكون بطبيعته يفتقر إلى الميكانيكية الكمومية التي بوساطتها يتولّد الضوء. ومع ذلك فقد اكتشفت مجموعة <كوفّا> من الشركة STMicroelectronics طريقة تحلّ جزءا من هذه المشكلة. فعن طريق إدخال مقادير صغيرة من السيريوم أو الإربيوم في طبقة من ثنائي أكسيد السيليكون الممزوجة ببلورات سيليكونية دقيقة (نانوية)، تمكن الباحثون من إنشاء شيپات سيليكونية تتوهج بضوء أخضر أو أزرق استجابة لتيار كهربائي صغير.

 

ولما كان التألّق غير مترابط، فإن ما تمَّ الحصول عليه هو ديودات مصدرة للضوء (LEDs) وليس ليزرات. ويصفها <كوفا> قائلا: «إلا أن فعّاليتها كفعّالية الديودات الضوئية المصنوعة من زرنيخيد الگاليوم.» ولما كانت متوافقة مع الطريقة CMOS  فهو يضيف: «نحن نستطيع دمجها مباشرة في الأجزاء الإلكترونية الموجودة لدينا.» وتزمع الشركة STMicroelectronics ـ بحلول العام 2005 ـ إنتاج قارنات ضوئية optocouplers يكون السيليكون  مادة أساسية فيها وتسمح للحواسيب بالتحكم في الآلات ذات التيار العالي.

 

قد تكون الديودات الضوئية السيليكونية قادرة أيضا على أن تُستخدم كمصدر ضوئي لليزر المتوافق مع الطريقة CMOS الذي عرضه في مطلع هذه السنة <J .K. ڤاهالا> ومساعدوه [من معهد كاليفورنيا للتقانة]. ويقوم <ڤاهالا> وآخرون بتجارب على أقراص مجهرية (ميكروسكوبية) مصنوعة من ثنائي أكسيد السيليكون ترتكز على أعمدة سيليكونية. وبصقل حافات كل قرص والتحكم الدقيق في قطره، استطاع <ڤاهالا> أن يحوِّل هذا القرص إلى مكافئ ضوئي لما يسمى دهليز الصدى whispering gallery، فالضوء المار من خلال ليف ضوئي مجاور يتسرّب إلى القرص ويدور حول حافاته مرارا، معززا الشدة بعامل من رتبة المليون أو أكثر قبل أن ينبعث كضوء ليزري [انظر الشكل في الصفحة 28].

 

تغيير مظهر الحواسيب^(*******)

ربما تحمل التوصيلات الفوتونية العالية السرعة على المدى البعيد الأمل في الاستغناء عن حشر كل مكونات نظام الحوسبة في صندوق واحد. ويشير <A .R. آثيل> [من وكالة مشروعات بحوث الدفاع المتقدمة] إلى أنه «باستعمالك إشارة كهربائية فأنت أمام ظاهرة فيزيائية مختلفة تماما، يكون الفرق فيها كبيرا بين قطع أربعة أمتار وقطع أربعة إنشات. لكنك حالما تنطلق في العمل في الميدان الضوئي، فلن تجد فوارق ذات بال بين أربعة إنشات وأربعة أمتار» ـ ولا حتى 400 متر. ومن ثم فإن الأجزاء المترابطة ضوئيا يمكن أن تتبعثر بسهولة ومع ذلك تبقى مؤدية لعملها كوحدة متناغمة متكاملة. ففي السيارة مثلا، يمكن دس معالجات متعددة، وبنوك ذاكرة، وسواقات أقراص داخل الهيكل بوساطة ألياف ضوئية. ويقول <آثيل>: «أنا أعلم أن الشركة ديملر كرايزلر تزمع إنتاج وصلات ضوئية بسعة جيگابتة، ذات أساس ليزري، توضع داخل سيارات المرسيدس من طراز 2005 S.» كذلك سيتمكن كل عامل في مكتبٍ مستقبليّ ـ من حيث المبدأ ـ من استعمال حاسوب جُمعت أجزاؤه بالاستعانة بتوصيلات فوتونية تُجرى بين أجزائه المتفرقه في شتى أرجاء المبنى. وسيكون بالإمكان ـ بنقرة مفتاح ـ «تطوير» آلة كهذه مؤقتا بحيث تتحول إلى معالج أسرع أو إلى بنك ذاكرة أكبر فيما لو تطلبت مهمة معينة موارد إضافية. هذا ومازالت تفاصيل الوصلات الفوتونية للبنيان الحاسوبي في معظمها مجرد حدس. ويقول <آثيل>: «يميل مهندسو النظم إلى عدم التفكير بهذا الأسلوب، لأنهم يعلمون أن مثل هذه التقانة لا وجود لها الآن.» ولكنها في طريقها إلى الوجود من دون شك.

 

وبإمكان المصادر غير المترابطة مثل الديودات الضوئية أن تغذّي الأقراص بالضوء، أو أن تُستعمل لتنقية ضوء الليزر الوارد من خارج الشيپة، وإعادة توليده عند خفوته، وتوليفه مع طول موجيٍّ جديد. يقول <ڤاهالا>: «يمكننا إحداث تجاويف بدلا من الحَفْر على أقراص. وبذلك فإن الليزر يتشكل على الحافة الداخلية للتجويف.» ومن شأن ذلك أن يسهِّل عملية وصل التجهيزات إلى الأدلة الموجية waveguides والمكوّنات الفوتونية الأخرى الموجودة على السطح. ويضيف: «قد تشكل هذه الليزرات ذات التجاويف الميكرويّة منابع للإشارات الحاملة للمعلومات المنطلقة من الشيپة.»

 

لتفعيل ذلك، يحتاج المهندسون إلى طريقة لتحويل المعلومات من شكل إلكتروني إلى شكل ضوئي. وحتى العام 2004، التي لم يُنجَز فيها سوى شيء يسير وغير ثابت في مجال معالجة الضوء، تعذَّر تحقيق ذلك بالسيليكون. ولكن في الشهر2/2004، كشف فريق <پانيشيا> عن طريقة لاستخدام السيليكون في تضمين modulating حزمة ليزرية بحيث تصبح أسرع ب50 مرة ـ في خطوة لجعلها متساوقة مع الإشارة الرقمية.

 

ويقول <پانيشيا> وهو يتناول شيپة سيليكونية بحجم طابع البريد: «هذه وحدها تحمل قرابة 100 من المضمِّنات.» نحن الآن في مختبر البصريات 1A في مركز أبحاث إنتل بسانتا كلارا. ويتابع قائلا وهو يشير إلى محطة حاسوبية في أقصى الغرفة: «وهذه إحداها وهي في حالة عمل.» فالحاسوب يشغِّل قرصا ڤيديويا رقميا ذا درجة وضوح عالية لفيلمTerminator 33 . وعند معالجة السيل الڤيديوي ترسِل الآلة نسخة من كل بتة إلى كبل إثرنت وإلى لوحة دارة صغيرة جدا تحتوي على أداة تضمين مفردة.

 

ومع أن التجهيزة تتزوّد بالطاقة عن طريق الليزر، فإنها تعمل بحسب المبدأ نفسه الذي يعمل عليه راديو AM [انظر الشكل في الصفحة 299]. فهي تفصل الحزمة الليزرية المجهرية إلى ذراعين، تحت كلٍّ منهما مكثِّف CMOS ـ موصول كهربائيا بكبل إثرنت ـ يخزِّن ويحرِّر الكهرباء الساكنة. يقول <پانيشيا> موضِّحا وهو يُبدِّل الموقع النسبي للموجات الضوئية: «عندما تكون هذه المناطق مشحونة بمقدار كبير، فإن الإلكترونات تتآثر بالضوء.» فإذا ما اتحدت هاتان الذراعان ثانية، تداخلت ذرى وأغوار موجاتهما، مسبِّبة نبضا في حزمة الخرج على غرار ما تفعله البتات في سيل الڤيديو.

 

تحمل تلك النبضاتُ البيانات عبر ليف مفرد، رفيع واهن كخيط العنكبوت، يخرج من الشيپة ويتصل بمكشاف ضوئي مربوط بحاسوب ثان يبعد عنه عدة أقدام. هذان الحاسوبان يُظهران قفزة بطل الفيلم <A. شوارتزنيگر> من سيارته بتزامن تام.

 

يعمل المضمن حتى الآن بتردّدات تصل إلى 2.5 جيگاهرتز. ويؤكد <پانيشيا>: «أن بإمكاننا أن نجعله أصغر حجما بكثير، ونحن واثقون من أننا نستطيع زيادة سرعة تردده إلى 10 جيگاهرتز.» ويتابع وهو يرفع قابس إثرنت إلى مستوى عينه: «بتجميع كل هذه العناصر في شيپة واحدة، سنكون قادرين على صنع هذه التجهيزات الضوئية السيليكونية الصغيرة التي يمكن قبسها في أي مكان، وعلى صنع بطاقة واجهة شبكة بينية قيمتها 250 دولارا، تحلّ محل مسيّر قيمته 000 25 دولار.»

 

ويبين <مورس> قائلا: «بالطبع، إذا كان قصدنا الإرسال بتردُّد 10 جيگاهرتز، فذلك يستتبع أن نكون قادرين على الاستقبال بالسرعة نفسها أيضا.» والسيليكون شفّاف كالزجاج عند الأطوال الموجية تحت الحمراء المستعملة عادة في التجهيزات الفوتونية. ومع ذلك فقد أمكن استنباط مكشافات ضوئية متوافقة مع CMOS لإعادة النبضات الضوئية إلى بتات إلكترونية، وذلك بإضافة الجرمانيوم إلى المزيج ـ الذي بدأ مصنعو الشيپات بتنفيذه إسهاما في تسريع العمليات التي تؤديها معالجاتهم.

 

الجمع بين الحُسنيين^(********)

قَطَع السيليكون، باعتباره مادة فوتونية، شأوا بعيدا من التطور في غضون سنتين فقط. ومع ذلك فأمامه الكثير إذا كان عليه أن يتعامل مع بيانات ضوئية بترددات تزيد على 20 جيگاهرتز. ولعلّ الطريقة الجديدة نسبيا لجذب الفوتونيّات نحو الإلكترونيات، المعروفة بطريقة التكامل المتعدّد polylithic integration، ستثبت أنها أفضل الطرائق من الناحية الاقتصادية.

 

والفكرة العامة لذلك هي ضم معالج CMOS إلى اللوحة الأم مع صفيفarray كثيف من التوصيلات الضوئية والإلكترونية. وبذلك يمكن أن يُضخّ الضوء إلى المعالج من شيپات صغيرة من النوع III-V (ومن ثم متاحة نسبيا) متوضّعة على مسافة آمنة بحيث لا ترتفع حرارتها أكثر مما ينبغي.

 

وكان <D .J. مايندل> و<S .M. باكير> [من معهد جورجيا للتقانة] اللذان يعملان مع <V .A. مولي> [من إنتل] قد عرضا عدة برامج تتناول طريقة التكامل المتعدّد. يدعى أحد هذه البرامج بحر الأسلاك: حيث تُحفر على المعالج آلاف النوابض المعدنية، المجهرية المصنوعة على شكل S، وذلك في آخر خطوة من تصنيعه. تخترق الإشارات الكهربائية هذه النوابض المعدنية، فتنطلق الإشارات الضوئية من خلال مراكز التجاويف وتصدم شبيكات الانعراج diffracting gratings التي تحرف النبضات نحو أدلة الموجات المطمورة ضمن الشيپة أو اللوحة الأم.

 

وفي برنامج آخر، يرتكز المعالج على آلاف الأعمدة الپلاستيكية الشفافة، المثبَّتة في مغارز پلاستيكية دائرية متوضّعة على لوحة الدارة [انظر الشكل في الصفحة 29].و قد صَنعت مجموعة <مايندل> صفيفات منتظمة من الأعمدة بعرض لا يتجاوز 5 ميكرونات، وبفاصل بينها قدره 12 ميكرونا. وقد أوضح الباحثون أيضا كيف يمكن تغليف بعض هذه الأعمدة الأسطوانية والمغارز بطبقة معدنية لإحداث وصلات كهربائية لا وصلات ضوئية.

 

إن معالجا ميكرويا يعجّ بعشرات الألوف من هذه الأعمدة المتناهية الصغر قد ينبض بعد 10 أو 15 سنة من الآن بومضات تحت حمراء، حتى وهو يهمهم بإلكترونات ذات ترددات عالية. وقد تتمكن مصانع الشيپات الميكروية من غرز ترانزستورات وأسلاك في الفراغات بين الليزرات وأدلة الموجات. ويبدو أن الفجوة الكبيرة بين الفوتونيّات المخبرية والإلكترونيات الاستهلاكية تضيق باطّراد إلى أن تنغلق في نهاية المطاف، فتصبح آلاتنا أفضل حالا.

مراجع للاستزادة 

A High-Speed Silicon Optical Modulator Based on a Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor. Mario Paniccia et al. in Nature, Vol. 427, pages 615-618; February 12, 2004.

Ultralow-Threshold Microcavity Raman Laser on a Microelectronic Chip. Kerry J. Vahala et al. in Optics Letters; Val. 29, No. 11, pages 1224-1226; June 1, 2004.

Sea of Polymer Pillars Electrical and Optical-Chip 1/0 Interconnections for Gigascale Integration. M. S. Bakir and J. D. Meindl in IEEE Transactions On Electron Devices, Vol. 51, No. 7, pages 1069-1077; July 2004.

Silicon Photonics. Edited by Lorenzo Pavesi and David J. Lockwood. Springer, 2004.

Scientific American, November 2004

(*) COMPUTING AT THE SPEED OF LIGHT

(**) Opening the Bottleneck

(***) Overview/ Optical Computing

(****) All Aboard the CMOS Express

(*****) The Photonic PC: What’s Here And What’s Ahead

(******) From Wires to Waveguides

(*******) Changing The Shape of Computers

(********) The Best of Both Worlds

(1) traffic: الحمل الذي تنقله قناة اتصال حاسوبي.

(2) سرعة اهتزاز الميقاتية في تجهيزة إلكترونية كالحاسوب.

(3) مختصر universal serial bus: مسرى تسلسلي شامل، بعرض نطاق مقداره 1.5 ميگابتة/ثا يُستعمل لتوصيل الطرفيات إلى الحاسوب الشخصي. (التحرير)