التقنية الضوئية Optical computing

توفر جميع أجهزة الكمبيوتر الضوئية سرعة عالية ومستويات عالية من التوازي، ولكن يجب التغلب على مشاكل التصغير وقابلية التصنيع لنقل الأفكار، وكما أخذت تقنية الألياف الضوئية بسرعتها الهائلة وعرض النطاق الترددي مكان الإلكترونيات إلى حد كبير في شبكات الاتصالات بعيدة المدى، فقد سعى علماء الكمبيوتر منذ فترة طويلة لتطوير إصدارات بصرية أو فوتونية من أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية.

ما هي الحوسبة الضوئية Optical computing؟

الحوسبة الضوئية “Optical computing”: هي طريقة تكنولوجية جديدة لجعل عملية الحوسبة أفضل باستخدام البصريات والتقنيات ذات الصلة، كمت تستخدم الحوسبة الفوتونات في عملية الحوسبة التي تعطي نطاقاً ترددياً أكبر بشكل طبيعي من الإلكترونات المستخدمة في الحوسبة التقليدية.

أسباب استخدام الحوسبة الضوئية:

بينما استمرت أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية في التقدم في السرعة والذاكرة بمعدل أسي، حيث تضاعف معدل الساعة كل بضع سنوات، إلّا أنّ هناك قيوداً متأصلة في جميع الأجهزة الإلكترونية، ولا تستطيع الإلكترونات أن تتحرك من خلال بعضها البعض ولا يمكن للتيارات الكهربائية، ويجب دائماً توجيهها عبر أسلاك من نوع ما.

وهذا يعني أنّ التوصيلات البينية ثلاثية الأبعاد وأجهزة الكمبيوتر ثلاثية الأبعاد كانت دائماً صعبة التنفيذ وسيكون هناك عدد كبير جداً من الأسلاك والمفاتيح المتصلة، ومع ذلك فإنّ الهياكل ثلاثية الأبعاد لها مزايا متأصلة في كثافة المعالجة ويمكن أن تحتوي مجموعة “1 سم³” من ترانزستورات “1 ميكرومتر” على تريليون ترانزستور أو ما يعادله.

بالإضافة إلى ذلك تولد الإلكترونات حرارة أثناء تحركها عبر الموصلات وأشباه الموصلات، كما يجب إزالة هذه الحرارة ووضع حدود محتملة على كثافة وسرعة الرقائق وأجهزة الكمبيوتر متعددة المعالجات، وتعمل الأجهزة الإلكترونية بسرعات أقل بكثير من سرعة الضوء، كما يمكن لأجهزة الكمبيوتر الضوئية التغلب على جميع العيوب.

ويمكن للضوء أن ينتقل عبر الفضاء الحر دون الحاجة إلى أسلاك أو ألياف ويمكن للفوتونات أن تنتقل عبر بعضها البعض دون تغيير، لذلك يمكن تصميم أجهزة الكمبيوتر الضوئية بحيث تكون بطبيعتها ثلاثية الأبعاد ومتوازية للغاية، كما يمكن الوصول إلى عناصر مثل الصور المجسمة ثلاثية الأبعاد بواسطة العديد من الحزم في وقت واحد، ومع تأثيرات التداخل الأخرى يمكن الاستعلام عن البيانات بأكملها على الفور وليس بطريقة تسلسلية.

كما إنّ فقد الطاقة من الضوء الذي يعبر الفضاء الحر ضئيل للغاية، ممّا يسمح للأجهزة عالية الكفاءة في استخدام الطاقة، وبينما يمكن للمفاتيح الكهربائية الضوئية أن تبطئ أجهزة الكمبيوتر الضوئية فإنّ بعض الحسابات الضوئية باستخدام تأثيرات التداخل مرة أخرى يمكن إجراؤها بسرعة الضوء.

لكن من الصعب تصنيع عناصر بصرية صغيرة جداً لذا فإنّ معظم أنظمة المختبرات تكون ذات حجم كبير وليست بحجم رقاقة، وتم تطوير تقنيات جديدة لتنفيذ العناصر الضوئية باستخدام الليثوغرافيا الضوئية للسيليكون، وبالإضافة إلى ذلك تحتاج العناصر البصرية إلى تفاوتات صارمة، وعلى الرغم من أنّ الحوسبة الضوئية يمكنها في بعض الحالات أن تفعل ما تفعله الحوسبة الإلكترونية، ولكن بشكل أفضل وأسرع يتم تطوير القدرات البصرية البحتة لتطبيقات الحوسبة.

مبدأ عمل الحوسبة الضوئية:

نظراً لنقاط القوة والضعف في الحوسبة الضوئية، فإنّ التطبيقات الرئيسية ليست في استبدال أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية للأغراض العامة، ولكن في منافذ أضيق تكون فيها المزايا البصرية هي الأكبر وأكثر هذه العوامل وضوحاً هو التوصيل البيني لشرائح أو لوحات الكمبيوتر الإلكترونية التقليدية، كما تؤدي الوصلات البينية الضوئية إلى زيادة الاتصال وتقليل أوقات الاتصال للآلات ذات المعالجات المتعددة.

مُعدِّلات الضوء المكاني:

من العناصر الحاسمة لأي نظام حوسبة ضوئية تقريباً طريقة لتشفير المعلومات بكفاءة على الموجة الضوئية، وللاستفادة من الطبيعة ثلاثية الأبعاد للحوسبة الضوئية يتم إجراء هذا التشفير عادةً عن طريق تغيير سعة أو طور الموجة الضوئية على مستوى يتكون من مُعدِّلات فردية أو “وحدات بكسل ذكية”.

يمكن أن تكون مُعدِّلات الضوء المكاني كهروضوئية، حيث تُستخدم إشارة كهربائية لتعديل الموجة الضوئية أو بصرية بحتة، حيث تُستخدم إشارة ضوئية واحدة لتعديل أخرى، كما تستخدم مُعدِّلات الضوء المكاني مجموعة متنوعة من المبادئ الفيزيائية، وهي أساساً المستخدمة في أي نوع من المغيِّرات الضوئية ومثال بسيط هو مقياس تداخل “Mach-Zehnder”، حيث يتم تقسيم الحزمة إلى قسمين ويتم تطبيق مجال كهربائي على مسار بصري واحد قبل إعادة تجميع الاثنين.

من خلال تغيير طور ساق واحدة مع الجهد المطبق يمكن تحديد التداخل البناء أو المدمر، وباستخدام تأثير كير يمكن الحصول على نفس النتيجة باستخدام ضوء الإدخال لتغيير معامل الانكسار لجهة واحدة، ممّا يجعل التبديل البصري بالكامل، ويمكن استخدام التأثيرات المغناطيسية الضوئية أو الصوتية الضوئية في  مُعدِّلات الضوء المكاني الكهروضوئية الأخرى.

تُعد البلورات السائلة هي أكثر التقنيات تطوراً لصفيفات مُعدِّلات الضوء المكاني، والتي تُستخدم في شاشات العرض في كل مكان، وفي شاشات الكريستال السائل يُغير المجال الكهربائي خصائص الاستقطاب لجزيئات الكريستال السائل، ممّا يسمح بنقل الضوء أو يمنعه.

ولإنشاء مفتاح ضوئي بالكامل تتم إضافة طبقة موصلة ضوئية إلى خلية بلورية سائلة، كما تعمل إشارة الضوء القادمة من جانب واحد على تغيير الإمكانات على الطبقة الموصلة الضوئية، ممّا يؤدي إلى حدوث تحول في نفاذية الموجة الضوئية “قراءة” القادمة من الاتجاه المعاكس.

ميزات الحوسبة الضوئية:

• مع نمو تكنولوجيا الحوسبة ازدادت بشكل كبير الحاجة إلى أجهزة كمبيوتر أفضل تتمتع بأداء حوسبة أفضل.

• هناك نمو سريع للإنترنت في الوقت الحاضر.

• سرعة الشبكة والنظام محدودة بواسطة نظام الدوائر الإلكترونية.

• هناك حد مادي للتقليد القائم على السيليكون.

• الحوسبة الضوئية سريعة جداً وتحتاج إلى طاقة أقل.

أنواع أجهزة الحوسبة الضوئية:

• التناظرية البصرية، ويشتمل هذا النوع من أجهزة الكمبيوتر الضوئية على تحويل فورييه ثنائي الأبعاد ومعالجات متجه المصفوفة البصرية.

• الإلكترونيات الضوئية، ويتضمن هذا النوع ميزة تقصير تأخير النبضة باستخدام التوصيلات البينية الضوئية في الرقائق المعتادة والعناصر المنطقية الأخرى.

• أجهزة الكمبيوتر الرقمية المتوازية البصرية، وبالنسبة إلى المرونة إلى جانب الإلكترونيات الرقمية يستخدم هذا النوع من أجهزة الكمبيوتر الضوئية التوازي المتأصل الذي يُعد سمة من سمات الأجهزة البصرية.

• الحواسيب العصبية البصرية، ويستخدم هذا النوع نوعاً خاصاً من عمليات الحوسبة التي لا تتطلب أي نوع من البرمجة العادية، وعادةً ما يكون لديهم تدفقات من بتات الإدخال أو الإخراج.

آلية عمل الحوسبة الضوئية:

الدوائر الإلكترونية هي أساس الكمبيوتر التقليدي الذي تم تصميمه لتتوافق عن طريق تشغيل وإيقاف تشغيل بعضها البعض بطريقة متسلسلة بعناية فائقة، وتتبع الحوسبة الضوئية نوعاً مشابهاً من المبادئ ولكن بطريقة مختلفة، ويتم إجراء الحسابات بواسطة حزم من الفوتونات بدلاً من تدفقات الإلكترونات.

تتفاعل هذه الفوتونات مع بعضها البعض ومع المكونات الإرشادية مثل العدسات، ويجب أن تتدفق الإلكترونات في مواجهة تيار المقاومة من خلال التقلبات والمنعطفات في الدوائر، وفي حين أنّ الفوتونات ليس لها كتلة تقنياً ويمكن أن تنتقل بسرعة الضوء وتستهلك طاقة أقل.

لذلك، فإنّ مبدأ عمل أجهزة الكمبيوتر الضوئية يعتمد بشكل أساسي على الفوتون، ولديهم دوائر فوتونية ومكونات عضوية مركبة، ولا توجد دائرة قصر ممكنة من الناحية النظرية وليس لديهم أي تبديد للحرارة السرعة في الدائرة الضوئية عالية.

تطبيقات الحوسبة الضوئية:

• في مجال الاتصالات، للحوسبة الضوئية عدد كبير من التطبيقات في عملية الاتصال، ويمكن استخدامها في مضاعفة تقسيم الطول الموجي والمكبرات الضوئية وشبكة منطقة التخزين وطوبولوجيا القنوات الليفية وتجعل الحوسبة الضوئية عملية الاتصال أسرع وأكثر كفاءة وتوفر أداءً أفضل.

• في تقنية “VLSI”، يُعد “VLSI” تكاملاً على نطاق واسع، ولحل أنواع مختلفة من المشكلات الصعبة قد تلعب الحوسبة الضوئية دوراً كبيراً من خلال المساعدة في تبسيط تقنية “VLSI”.

• كموسع، يمكن استخدامه كموسع ممّا يوفر اتصالات عالية السرعة وعرض النطاق الترددي للمنتج.

• في حل مشاكل “NP-hard”، قد يتم حل المشكلات التي لا يمكن حلها بواسطة أجهزة الكمبيوتر التقليدية بواسطة أجهزة الكمبيوتر الضوئية.

ملاحظة:“VLSI” هي اختصار لـ “Very Large Scale Integration”.