بررسی توانایی بالقوه‌ کامپیوترهای نوری

در چهار دهه‌ی گذشته، صنعت الکترونیک بر اساس قانون مور به پیش رفته است؛ قانونی که بیشتر یک اصل بدیهی یا گونه‌ای از مشاهده است. این قانون بیان می‌کند که سرعت و قابلیت دستگاه‌های الکترونیکی در هر دو سال، دو برابر می‌شود و البته درستی این قانون از طریق پیشرفت‌های مستمر این صنعت ثابت شده است.

به‌طور دقیق‌تر قانون مور از زبان یکی از بنیان‌گذاران اینتل، گوردون مور این‌گونه بیان شده است: تعداد ترانزیستورهای جا داده‌شده در یک چیپ تقریبا هر ۲۴ ماه یک‌بار، دو برابر می‌شود.

ترانزیستورها در واقع سوییچ‌هایی بسیار کوچک هستند. آن‌ها اساس عملکرد تمام تجهیزات الکترونیکی هستند که می‌توان تصور کرد. ترانزیستورها رفته‌‌رفته کوچک‌تر و سریع‌تر می‌شوند و همین‌طور برق مصرفی آن‌ها کاهش می‌یابد.

یکی از بزرگ‌ترین سؤالات قرن ۲۱ در دنیای تکنولوژی این است که ترانزیستورها تا چه اندازه کوچک خواهند شد؟ اگر ما برای کوچک کردن ترانزیستورها به حد نهایتی برسیم، به این معنی خواهد بود که ما از نقطه‌ای به بعد نخواهیم توانست تجهیزات الکترونیکی کوچک‌تر، قدرتمند‌تر و اثربخش‌تری بسازیم. سود سالانه‌ی صنعت الکترونیک به‌تنهایی در آمریکا ۲۰۰ میلیارد دلار است. آیا ممکن است رشد این صنعت متوقف شود؟

در حال حاضر شرکت‌هایی مانند اینتل در حالت تولید انبوه ترانزیستورهایی با عرض ۱۴ نانومتر هستند، یعنی تنها ۱۴ برابر عریض‌تر از یک مولکول DNA. این ترانزیستورها از سیلیکون ساخته می‌شوند که دومین ماده‌ی انبوه در سطح زمین به شمار می‌رود. عرض اتم سیلیکون در حدود ۰.۲ نانومتر است. عرض ترانزیستورهای امروزی در حدود ۷۰ برابر عرض یک اتم سیلیکون است، بنابراین مطرح کردن این احتمال که بیش از این کوچک‌تر کردن ترانزیستورها رفته‌رفته سخت‌تر خواهد شد، نامعقول به نظر نمی‌رسد.

ما به مرز نهایی اندازه‌ی ترانزیستورها بسیار نزدیک شده‌ایم. ترانزیستورهای امروزی از سیگنال‌های الکتریکی یا الکترون‌هایی که از مکانی به مکان دیگر حرکت می‌کنند، برای ارتباط با یکدیگر استفاده می‌کنند. اما اگر ما بتوانیم از نور، یعنی از فوتون‌ به‌جای الکترون‌ در ترانزیستورها استفاده کنیم، می‌توانیم سرعت آن‌ها را به طرز بسیار محسوسی افزایش دهیم. امروزه دانشمندان در حال انجام مطالعات گسترده‌ای روی موضوع پردازش نوری هستند.

ترانزیستور از سه بخش تشکیل شده است؛ می‌توان از مثال دوربین دیجیتال برای شرح این موضوع استفاده کرد. در بخش اول اطلاعات وارد لنز دوربین می‌شود که همان منبع ترانزیستور است. سپس این اطلاعات از طریق کانالی بین سنسور عکس و سیم‌های داخل دوربین حرکت می‌کند. در نهایت اطلاعات در کارت حافظه‌ی دوربین ذخیره می‌شود. این بخش همان ترمینال سوم ترانزیستور است که درین (drain) نامیده می‌شود.

در حال حاضر تمام این مراحل از طریق به حرکت درآوردن الکترون‌ها میسر می‌شود. اگر بخواهیم از نور به‌عنوان بستر جایگزین استفاده کنیم، باید به‌جای الکترون‌ها، فوتون‌ها را به حرکت درآوریم. ذرات زیراتمی مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها حرکت موجی دارند، یعنی همیشه در حال نوسان به بالا و پایین هستند؛ حتی زمانی که در یک مسیر مستقیم حرکت کنند. طول موج این ذرات به ماده‌ای بستگی دارد که حرکت در داخل آن به وقوع می‌پیوندد.

در سیلیکون، طول موج مؤثر فوتون برابر ۱.۳ میکرومتر است. این میزان بسیار کوچک است؛ برای درک مقیاس در نظر بگیرید که قطر موی انسان ۱۰۰ میکرومتر است؛ اما طول موج الکترون‌ها حتی کمتر از این میزان است، طول موج آن‌ها ۵۰ تا ۱۰۰۰ برابر کمتر از طول موج فوتون‌ها است.

این موضوع به این معنا است که ما برای کنترل فوتون‌ها به تجهیزات بزرگ‌تری نسبت به تجهیزات امروزی لازم برای کنترل الکترون‌ها نیازمندیم. اما به دو دلیل ما می‌توانیم اندازه‌ی چیپ‌ها‌ را ثابت نگه داریم و قدرت آن‌ها را بیشتر کنیم یا قدرت آن‌ها را ثابت نگه داریم و اندازه‌ را کوچک کنیم یا احتمالا هر دو کار را هم‌زمان انجام دهیم.

دلیل اول این است که چیپ‌های نوری تنها به تعداد کمی منبع نوری نیاز دارند. فوتون‌های تولیدشده از این منابع، توسط لنزها و آینه‌های کوچک خواهند توانست در داخل چیپ حرکت کنند و نکته‌ی دوم این است که نور بسیار سریع‌تر از الکترون حرکت می‌کند. فوتون‌ها به‌طور میانگین می‌توانند ۲۰ بار سریع‌تر از الکترون‌ها در داخل تراشه حرکت کنند. اگر بتوانیم از این قابلیت استفاده کنیم، می‌توانیم رایانه‌های امروزی را بیست برابر سریع‌تر کنیم. با تکنولوژی فعلی، انجام این کار ۱۵ سال به طول خواهد کشید.

دانشمندان در سال‌های اخیر به پیشرفت‌های خوبی در ساخت چیپ‌های نوری دست یافته‌اند. یکی از چالش‌های مهم پیش روی آن‌ها این است که مطمئن شوند چیپ‌های نوری با تمام چیپ‌های فعلی هماهنگی داشته باشند و بتوانند به‌خوبی با آن‌ها کار کنند. اگر ما بتوانیم از این مانع عبور کنیم یا حتی از ترانزیستورهای نوری برای ارتقاء چیپ‌های الکترونیکی فعلی استفاده کنیم؛ عملکرد تجهیزات الکتریکی به طرز چشم‌گیری بهبود خواهد یافت.

هنوز تا زمان تولید انبوه و ورود دستگاه‌های نوری به بازار فاصله داریم، چرا که پیشرفت همیشه مستلزم زمان است. اولین ترانزیستورهای ساخته‌شده در سال ۱۹۰۷ تیوب‌های خلأ بودند و بین ۱ تا ۶ اینچ بلندی داشتند (به‌طور میانگین ۱۰۰ میلی‌متر).

در سال ۱۹۴۷ اولین ترانزیستور از نوع فعلی ساخته شد. عرض آن ۴۰ میکرومتر بود و در مقایسه با اندازه‌ی ۱۴ نانومتری ترانزیستورهای فعلی، ۳۰۰۰ برابر بزرگ‌تر بود. در سال ۱۹۷۱ زمانی که اولین ریزپردازنده (قلب تمام گجت‌های الکترونیکی) به بازار معرفی شد، اندازه‌ی آن ۱۰۰۰ برابر نمونه‌های امروزی بود.

دانشمندان برای بنا کردن و بهینه‌ ساختن صنعت الکترونیک بر پایه‌ی چیپ‌های الکترونی مشقت‌های زیادی کشیده‌اند و تحقیقات و سرمایه‌گذاری‌های زیادی انجام شده است، اکنون همین پروسه باید در مورد صنعت نوری اجرا شود. ما امروز در ابتدای راه توسعه‌ی چیپ‌های نوری هستیم و از این‌رو، چیپ‌های پیشرفته‌ی الکترونیکی امروزی نسبت به چیپ‌های نوری فعلی می‌توانند وظایف بسیار پیچیده‌تری انجام دهند.

اما با گذشت زمان و ادامه‌ی مطالعات، توانمندی چیپ‌های نوری بیشتر خواهد شد و حتی روزی عملکردی بهتر از چیپ‌های الکترونیکی امروزی خواهند داشت. با این‌که مسیر زیادی پیش رو است، اما آینده‌ی صنایع نوری روشن است.