آیا پردازندههای مبتنی بر فوتونیک/ photonic جایگزین مس خواهند شد؟
در عصر دیجیتال کنونی، فناوریهای محاسباتی با سرعتی بیسابقه در حال پیشرفت هستند. با افزایش تقاضا برای پردازش دادههای حجیم و کاهش مصرف انرژی، محققان به دنبال راهحلهایی فراتر از محدودیتهای فیزیکی سیلیکون و کابلهای مسی هستند. در این میان، پردازندههای مبتنی بر فوتونیک (Photonic Processors) بهعنوان یک گزینه انقلابی مطرح شدهاند که بهجای الکترونها، از فوتونها برای انتقال اطلاعات استفاده میکنند. این فناوری با امکان انتقال داده با سرعت نور، پهنای باند بالا و مصرف انرژی بسیار پایین، چشماندازی جدید در صنعت نیمههادی و محاسبات ابری باز کرده است. با این حال، چالشهایی همچون هزینه بالای تولید، پیچیدگی یکپارچهسازی با ساختارهای موجود و مشکلات در مقیاسپذیری، هنوز مانع گسترش گستردهی آن شدهاند. این مقاله بهصورت جامع به بررسی پتانسیل جایگزینی فوتونیک به جای مس در معماریهای آینده پردازشگر میپردازد. Hardbazar با تحلیل دقیق از دید فنی، اقتصادی و فیزیکی، سعی دارد به این پرسش اساسی پاسخ دهید: آیا عصرِ فوتونیک در حال طلوع است یا هنوز فقط یک رویا است؟
بنیانهای فیزیکی فوتونیک در محاسبات
درک اینکه چرا فوتونها میتوانند جایگزین مناسبی برای الکترونها در پردازندهها باشند، مستلزم آشنایی با اصول بنیادین فیزیک نور و الکترومغناطیس است. فوتونها ذرات بدون جرم هستند که با سرعت نور در محیط مناسب حرکت میکنند. برخلاف الکترونهایی که در سیمهای مسی با مقاومت روبرو شده و گرما تولید میکنند، فوتونها در فیبرهای نوری یا موجبرهای سیلیکونی با حداقل تلفات حرارتی سیگنال را انتقال میدهند. این ویژگی، فوتونیک را به گزینهای ایدهآل برای انتقال اطلاعات در فاصلههای کوتاه (on-chip) و بلند (inter-chip یا data-center) تبدیل کرده است. فناوری **Silicon Photonics** که ترکیبی از فوتونیک و CMOS است، امکان ساخت مدارهایی را فراهم کرده که از هر دو جریان الکتریکی و نوری برای پردازش و ارتباط استفاده میکنند. با این حال، جایگزینی کامل مس با فوتونها تنها با انتقال سیگنالها محقق نمیشود؛ بلکه نیازمند طراحی مجدد بلوکهای منطقی (logic gates)، حافظهها و تغذیههای پردازنده است. محققان در مؤسساتی چون MIT، Stanford، و Intel با سالها تحقیق، به این نتیجه رسیدهاند که **All-Photonic Computing** هنوز در مرحلهی آزمایشگاهی است و فاصله زیادی با کاربرد تجاری دارد.
در این میان، یکی از مهمترین دستاوردها، پیادهسازی **optical interconnects** در مقیاس تراشه است که میتواند گلوگاههای ارتباطی بین هستهها را در پردازندههای چند هستهای از بین ببرد. نور بهعنوان حامل اطلاعات، دچار تداخل الکترومغناطیسی (EMI) نمیشود و چندین طولموج (Wavelength Division Multiplexing - WDM) میتوانند همزمان از یک فیبر یا موجبر عبور کنند. این ویژگی، پهنای باند را بهطور نمایی افزایش میدهد و انرژی هر بیت انتقالدادهشده را بهطور چشمگیری پایین میآورد. با توجه به اینکه **مصرف انرژی** یکی از بزرگترین چالشهای صنعت نیمههادی است – بهویژه در مراکز داده که هزینهی برق و خنککاری بسیار بالاست – فوتونیک میتواند تحولی عظیم در کاهش هزینههای عملیاتی ایجاد کند. هرچند هنوز فناوریهای نوری برای اجرای منطق دیجیتال (مانند AND، OR، NOT) کارآمد نیستند، اما در حوزههای خاصی مانند **Neuromorphic Computing** و **Optical AI Accelerators** پیشرفتهای چشمگیری داشتهاند.
چالشهای فنی و مهندسی فوتونیک
اگرچه ایدهی استفاده از نور در جای الکتریسیته جذاب است، اما پیادهسازی آن در سطح تراشه با چالشهای فنی و فیزیکی عمیقی همراه است. در ادامه به مهمترین این چالشها اشاره میشود:
- عدم وجود ترانزیستور نوری کارآمد:
ترانزیستورها بهعنوان بلوکهای سازندهی منطق، در سیستمهای الکترونیکی نقش کلیدی دارند. در فوتونیک، معادل نوری آنها – که معمولاً بهعنوان **optical switch** یا **nonlinear optical element** شناخته میشود – یا بسیار بزرگ است یا به توان بالایی برای فعالسازی نیاز دارد که این خود مصرف انرژی را افزایش میدهد.
- مشکل تقویت سیگنال نوری:
برخلاف سیگنالهای الکتریکی که بهراحتی با تقویتکنندههای ترانزیستوری (amplifier) تقویت میشوند، سیگنالهای نوری نیاز به **optical amplifiers** مانند EDFA دارند که برای استفاده در سطح تراشه مناسب نیستند و حجم زیادی اشغال میکنند.
- حساسیت به تلفات و نویز:
فوتونها در موجبرها دچار تلفات (loss) میشوند و این تلفات با افزایش طول مسیر یا پیچیدگی مدار تشدید میگردد. همچنین نویزهای فوتونی (shot noise) میتواند دقت محاسبات را تحت تأثیر قرار دهد.
- عدم قابلیت ذخیرهسازی نور:
حافظههای الکترونیکی (مانند SRAM یا DRAM) اطلاعات را در خازنها یا ترانزیستورها نگه میدارند. نور نمیتواند بهراحتی ذخیره شود؛ سیستمهایی مانند **optical buffer** با استفاده از حلقههای نوری (ring resonators) وجود دارند، اما ظرفیت و زمان نگهداری آنها بسیار محدود است.
- هزینه و پیچیدگی تولید:
فرآیندهای تولید مدارهای فوتونیکی (مثل SOI – Silicon-on-Insulator) با فرآیندهای CMOS سازگار نیستند یا نیاز به مراحل اضافی دارند که هزینه را افزایش میدهد.
این چالشها باعث شده تا رویکرد غالب در حال حاضر، **هجی (hybrid)** باشد؛ یعنی بخشهایی از تراشه (مثل ارتباطات بین هستهها یا چیپها) با نور و بخشهای محاسباتی با الکترون پیادهسازی شوند. این رویکرد، بهترین تعادل بین کارایی و امکانسازی را فراهم میکند.
پیشرفتهای اخیر در ساختارهای فوتونیکی
فوتونیک سیلیکونی/ Silicon Photonics
فوتونیک سیلیکونی یکی از پیشرفتهای کلیدی در این حوزه است که امکان استفاده از زیرساختهای موجود CMOS را برای ساخت مدارهای نوری فراهم میکند. شرکتهایی مانند **Intel**، **IBM** و **GlobalFoundries** سالهاست که روی این فناوری کار میکنند. Intel در سال ۲۰۰۴ اولین مبدل نوری الکتریکی-نوری (modulator) را روی سیلیکون ساخت و از آن زمان تاکنون، سرعت این مبدلها از ۱۰ Gbps به بالای **۲۰۰ Gbps** رسیده است.
شتابدهندههای نوری مبتنی بر هوش مصنوعی
یکی از کاربردهای برجستهی فوتونیک، در شتابدهندههای هوش مصنوعی است. شرکتهایی مانند **Lightmatter** و **Lightelligence** پردازندههایی مانند **Envise** و **PACE** را معرفی کردهاند که عملیات ماتریسی (Matrix Multiplication) را با نور انجام میدهند. این عملیاتها در شبکههای عصبی بسیار پرکاربرد هستند و فوتونیک به دلیل موازیسازی ذاتی و عدم نیاز به تغییر جهت جریان، بهطور چشمگیری انرژی را کاهش میدهد. برای مثال، Lightmatter ادعا میکند که چگالی توان (power density) سیستمهایش **۱۰ تا ۱۰۰ برابر** کمتر از GPUهای سنتی است.
موجبرهای نانوفوتونیکی
با استفاده از نانوساختارها و متامتریالها، محققان توانستهاند نور را در مقیاسهای زیر طولموج (sub-wavelength) هدایت کنند. این امر اندازهی مدارهای فوتونیکی را بهطور چشمگیری کاهش داده و امکان یکپارچهسازی بیشتری با تراشههای الکترونیکی فراهم کرده است. این موجبرهای نانویی، پایهی ساخت **nonlinear photonic crystals** و **plasmonic circuits** هستند که میتوانند به منظور ساخت منطقهای نوری پیشرفته استفاده شوند.
کاربردهای عملی و صنعتی فوتونیک
اگرچه پردازندههای مبتنی بر فوتونیک هنوز در بازار consumer وجود ندارند، اما **fiber-optic communication** و **data-center interconnects** از دههها پیش از فوتونیک استفاده میکنند. اما امروزه، این فناوری در مقیاسهای کوچکتر نیز وارد شده است:
- Google و Facebook از مبدلهای فوتونیکی برای ارتباط بین سرورها در مراکز دادهی خود استفاده میکنند.
- NVIDIA در معماریهای جدید خود (مثل NVLink) به سمت ادغام ارتباطات نوری گام برداشته است.
- Apple و Samsung در تحقیقات خود به سراغ فوتونیک برای سنسورهای lidar و تصویربرداری پیشرفته رفتهاند.
- در حوزهی Quantum Computing، فوتونها یکی از کاندیداهای اصلی برای کیوبیتها هستند و این نیز راه را برای همکاری نزدیکتر بین محاسبات کلاسیک و کوانتومی هموار میکند.
در کاربردهای خاصی مانند **LiDAR**، **Biosensing** و **AR/VR** نیز فوتونیک بهعنوان یک فناوری کلیدی در حال گسترش است. این نشان میدهد که حتی اگر فوتونیک جایگزین کامل مس نشود، در بخشهای خاص و حیاتی، نقشی جایگزینناپذیر خواهد داشت.
چشمانداز آینده پردازندههای فوتونیک
مس (Copper) و سیلیکون بهعنوان ستونهای صنعت نیمههادی، بیش از ۷۰ سال است که در قلب تمامی دستگاههای دیجیتال قرار دارند. فوتونیک نمیتواند بهسرعت این اکوسیستم عظیم را جایگزین کند، اما میتواند آن را مکمل یا حتی در برخی لایهها جایگزین کند. روند آینده احتمالاً به سمت **heterogeneous integration** حرکت خواهد کرد؛ یعنی تراشههایی که بخشهای مختلف آن (محاسبه، ذخیرهسازی، ارتباط) با فناوریهای مختلف ساخته شدهاند. بهعنوان مثال، بخش ارتباط از فوتونیک و بخش محاسبه از هوش مصنوعیهای مبتنی بر memristor یا spintronics استفاده کند.
بسیاری از محققان معتقدند که **"مس هرگز کاملاً از بین نخواهد رفت"**، بلکه نقش آن تغییر خواهد کرد. مثلاً، مس برای تأمین انرژی (power delivery) و کنترلهای کمسرعت همچنان استفاده خواهد شد، در حالی که نور برای انتقال داده در فواصل بالاتر از چند میلیمتر بهکار گرفته میشود. این ترکیب هوشمندانه از فناوریها، راهی واقعبینانهتر از رویای جایگزینی کامل است.
عوامل اقتصادی و زنجیره تأمین فوتونیک
▸ یکی از مهمترین موانع گسترش فوتونیک، زیرساختهای اقتصادی است. صنعت CMOS با سرمایهگذاریهای چندین دههای، کارخانههایی (fabs) با هزینههای بالای ۲۰ میلیارد دلاری ساخته است. تغییر کامل به فوتونیک نیازمند سرمایهگذاری مشابه یا بیشتر است. با این وجود، با روند کاهش **Moore’s Law** و رسیدن ترانزیستورها به حد فیزیکی (حدود ۲ نانومتر)، سرمایهگذاران بهسرعت به سراغ فناوریهای جایگزین میروند.
▸ همچنین، زنجیره تأمین فوتونیک هنوز در مراحل اولیه است. شرکتهایی مانند **Lumentum**، **II-VI (now Coherent)** و **Inphi** در حال توسعهی اجزای اصلی مثل لیزرها، مبدلها و فیلترهای نوری هستند، اما تولید انبوه و هزینهی قابل رقابت، هنوز دور از دسترس است. تا زمانی که فوتونیک نتواند **TCO (Total Cost of Ownership)** را در مراکز داده یا دستگاههای هوشمند بهطور قابلتوجهی کاهش دهد، تمایل به تغییر کم خواهد بود.
همچنین مقاله های زیر را مطالعه نمایید:
سخن پایانی/ پردازندههای فوتونیک- آیندهای ترکیبی
پردازندههای فوتونیک بدون شک یکی از وعدهدارترین فناوریهای آینده است. با این حال، جایگزینی کامل مس در پردازندههای عمومی هنوز یک دورنمای دور است. جایی که پیچیدگیهای فیزیکی، اقتصادی و مهندسی، همگی در کنار هم ایستادهاند تا این انقلاب را به تأخیر بیندازند. فوتونیک احتمالاً ابتدا در لایههای ارتباطی، سپس در شتابدهندههای تخصصی و در نهایت در ساختارهای ترکیبی (hybrid) جای خود را باز خواهد کرد. مس نه منسوخ میشود، بلکه نقشش تکامل مییابد. آینده متعلق به سیستمهایی است که هوشمندانه از هر دو جریان الکتریکی و نوری بهره میبرند. در این راه، همکاری بین فیزیکدانان، مهندسان مواد، و معماران سیستمهای کامپیوتری از اهمیت ویژهای برخوردار است. تنها با این چندرشتهایگری (interdisciplinarity) میتوان از پس چالشهای عظیم این حوزه برآمد. از نظر هاردبازار پردازندههای مبتنی بر فوتونیک نه یک جایگزین جادویی، بلکه یک ابزار قدرتمند در جعبهابزار آیندهی محاسبات خواهد بود.
سوالات متداول
آیا پردازندههای فوتونیکی امروزه در دسترس هستند؟
بله، اما فقط بهصورت شتابدهندههای تخصصی برای هوش مصنوعی (مثل محصولات Lightmatter). پردازندههای عمومی مبتنی بر فوتونیک هنوز وجود ندارند.
چرا فوتونها نمیتوانند منطق دیجیتال را بهراحتی اجرا کنند؟
چون فوتونها بار الکتریکی ندارند و واکنشپذیری آنها در مقایسه با الکترونها بسیار پایین است؛ بنابراین ساخت گیتهای منطقی نوری نیازمند مواد غیرخطی پیچیده است.
آیا فوتونیک میتواند Moore’s Law را نجات دهد؟
خیر، Moore’s Law به مقیاسپذیری ترانزیستورها اشاره دارد. فوتونیک بهجای نجات Moore’s Law، مسیر جدیدی بهنام **More than Moore** را باز میکند.