ساخت یک تراشه جدید با قابلیت کنترل سرعت نور

01

از 04

رایانش نوری به کنترل سرعت نور نیاز دارد

با گسترش سریع هوش مصنوعی مولد و مدل‌های بزرگ زبانی، نیاز مراکز داده به توان پردازشی با سرعتی بی‌سابقه افزایش یافته است. نیمه‌رساناهای الکترونیکی امروزی با محدودیت‌هایی مانند مصرف بالای انرژی، تولید گرمای زیاد و پهنای باند محدود روبه‌رو هستند. به همین دلیل، بسیاری از شرکت‌ها و مراکز تحقیقاتی به توسعه رایانش نوری روی آورده‌اند؛ فناوری‌ که اطلاعات را با استفاده از نور منتقل و پردازش می‌کند.

با وجود این مزیت، نور برخلاف سیگنال‌های الکتریکی تقریباً همیشه با سرعت ثابتی حرکت می‌کند و متوقف کردن یا نگه داشتن آن بسیار دشوار است. در نتیجه، انجام وظایفی مانند همگام‌سازی سیگنال‌ها، ایجاد بافرهای نوری و ذخیره‌سازی موقت اطلاعات با چالش روبه‌رو می‌شود. این موضوع یکی از مهم‌ترین موانع توسعه کامپیوترهای فوتونیکی به حساب می‌آید.

پژوهشگران برای حل این مشکل، مدار فوتونیکی جدیدی طراحی کردند که می‌تواند سرعت و شکل سیگنال‌های نوری را به‌ صورت برنامه‌پذیر کنترل کند. این فناوری کنترل بسیار دقیق‌تری بر پدیده «نور کند» فراهم می‌کند و در مقایسه با روش‌های پیشین، انعطاف‌پذیری بیشتری در اختیار طراحان مدارهای فوتونیکی قرار می‌دهد.

مرتبط: تراشه نوری LightGen صد برابر سریع‌تر از A100 انویدیا عمل می‌کند

02

از 04

طراحی جدید تراشه برای کنترل سرعت نور

در فناوری‌های متداول از ساختاری موسوم به شفافیت القاشده توسط تشدیدگرهای کوپل‌شده (CRIT) استفاده می‌شود. این ساختار با ایجاد تداخل میان چند تشدیدگر نوری، اجازه می‌دهد نور در یک بازه فرکانسی مشخص عبور کند و هم‌زمان سرعت حرکت آن کاهش یابد.

مشکل اصلی این روش آن است که ویژگی‌های عملکردی آن پس از ساخت تراشه تقریباً ثابت باقی می‌ماند. اگر طراحان بخواهند میزان تأخیر یا محدوده فرکانسی را تغییر دهند، معمولاً باید تراشه جدیدی تولید کنند. چنین محدودیتی هزینه توسعه تجهیزات را افزایش می‌دهد و امکان به‌روزرسانی سریع سخت‌افزار را از بین می‌برد.

تیم تحقیقاتی برای رفع این مشکل، دو حالت نوری موسوم به «حالت روشن» و «حالت تاریک» را به‌ عنوان یک پارامتر طراحی واحد در نظر گرفت و سپس دو کوپلر حلقه‌ای قابل تنظیم به مدار افزود. این تغییر باعث شد ساختار تشدیدگرها پس از پایان فرایند ساخت نیز قابل بازآرایی باشد.

به گفته پژوهشگران، این طراحی جدید امکان کنترل زمان عبور نور، میزان تأخیر، شکل سیگنال و ویژگی‌های انتقال را تنها با تنظیم مدار فراهم می‌کند و دیگر نیازی به ساخت سخت‌افزار جدید برای هر کاربرد وجود ندارد.

تحلیل‌های نظری نشان داد دو کوپلر حلقه‌ای می‌توانند پهنای باند عبور، زمان تأخیر و رفتار انتقال سیگنال‌ها را در مجموعه‌ای از تشدیدگرهای متصل به یکدیگر کنترل کنند. در نتیجه، عملکرد کل سامانه فوتونیکی به‌ صورت پویا تغییر می‌کند و تنها به یک بخش از مدار محدود نمی‌شود.

شبیه‌سازی‌های عددی نیز نشان داد سرعت پالس‌های نوری هنگام کار مدار به‌ صورت لحظه‌ای قابل تنظیم است. همچنین پژوهشگران دریافتند می‌توان بدون افت عملکرد پردازش، میزان تأخیر سیگنال را تغییر داد و حتی فرکانس نور را بدون استفاده از قطعات تخصصی اضافی تبدیل کرد.

بیشتر بخوانید: این سیستم فوتونیک محاسبات تانسوری را با سرعت نور انجام می‌دهد

03

از 04

عملکرد پایدار در شرایط واقعی

پژوهشگران برای ارزیابی امکان ساخت این فناوری، شبیه‌سازی‌های سه‌بعدی الکترومغناطیسی انجام دادند. نتایج نشان داد این مدار را می‌توان روی بستر فوتونیکی مبتنی بر نیترید سیلیکون (Si₃N₄) تولید کرد؛ ماده‌ای که یکی از گزینه‌های رایج در صنعت فوتونیک سیلیکونی محسوب می‌شود.

همچنین آنها شرایط واقعی تولید و بهره‌برداری را بررسی کردند. عواملی مانند اتلاف مواد، اختلاف کیفیت تشدیدگرها، بازپراکندگی نور، ناپایداری کوپلینگ، خطاهای فاز و تداخل حرارتی در شبیه‌سازی‌ها لحاظ شد.

بررسی‌ها نشان داد مدار پیشنهادی حتی در حضور این مشکلات نیز عملکرد پایدار خود را حفظ می‌کند. این موضوع احتمال استفاده عملی از فناوری را افزایش می‌دهد و نشان می‌دهد طراحی جدید تنها یک ایده نظری نیست.

یکی دیگر از ویژگی‌های مهم این معماری، امکان تنظیم هم‌زمان ویژگی‌های زمانی و طیفی سیگنال‌های نوری است. به این ترتیب، یک مدار واحد می‌تواند وظایفی مانند همگام‌سازی سیگنال‌ها، ایجاد خطوط تأخیر متغیر، بافرهای نوری و تبدیل فرکانس را انجام دهد.

پژوهشگران تأکید کردند که این راهبرد تنها به فناوری CRIT محدود نیست و می‌تواند در بسیاری از مدارهای فوتونیکی مبتنی بر تشدیدگر نیز به کار گرفته شود. بنابراین این روش ظرفیت آن را دارد که پایه طراحی نسل آینده سامانه‌های پردازش نوری باشد.

بیشتر بخوانید: جهش ۱۰۰ برابری سرعت هوش مصنوعی با شبکه نوری تراشه ها

04

از 04

کاربردهای گسترده در هوش مصنوعی و ارتباطات

در صورت تجاری‌سازی، این تراشه برنامه‌پذیر می‌تواند جایگزین چندین قطعه مستقل در سامانه‌های فوتونیکی شود. چنین رویکردی علاوه بر کاهش اندازه تجهیزات، هزینه ساخت و مصرف انرژی را نیز کاهش خواهد داد.

سرورهای هوش مصنوعی، مراکز داده، تجهیزات ارتباطات نوری، حسگرهای پیشرفته، سامانه‌های خودروهای خودران، شبکه‌های ارتباطی نسل آینده و حتی فناوری‌های کوانتومی از جمله حوزه‌هایی هستند که می‌توانند از این فناوری بهره ببرند.

پروفسور نامکیو پارک، یکی از نویسندگان مسئول این پژوهش از دانشگاه ملی سئول گفت که این تحقیق یک اصل طراحی جدید برای مدارهای مجتمع فوتونیکی ارائه می‌کند که امکان بازآرایی جریان نور را متناسب با نیاز فراهم می‌سازد و انعطاف‌پذیری طراحی را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهد. وی تصریح کرد که تیم تحقیقاتی قصد دارد این فناوری را به سمت توسعه مدارهای فوتونیکی برنامه‌پذیر در مقیاس بزرگ، مبتنی بر فوتونیک سیلیکونی و سامانه‌های هوش مصنوعی فوتونیکی گسترش دهد.

دکتر سونگ‌کیون پارک و بوم‌جون چه، نویسندگان اول مقاله نیز اعلام کردند که این پژوهش نشان داده است نگاه متفاوت به فیزیک تشدیدگرهای فوتونیکی می‌تواند زمینه کشف قابلیت‌های کاملاً جدید را فراهم کند. آنها قصد دارند در ادامه، این فناوری را به مرحله ساخت نمونه عملی و آزمایش‌های تجربی برسانند.

در صورت موفقیت این مراحل، یک تراشه فوتونیکی برنامه‌پذیر می‌تواند در آینده جایگزین مجموعه‌ای از قطعات مجزا شود و با کاهش مصرف انرژی و افزایش انعطاف‌پذیری، نقش مهمی در توسعه نسل آینده زیرساخت‌های هوش مصنوعی و ارتباطات نوری ایفا کند.