فتونیک سیلیکونی چیست؟ آشنایی با انقلاب نور در تراشه‌ها

تراشه‌ها امروز قدرت واقعی هستند. چه از نگاه شرکتی به آن‌ها نگاه کنید و چه از نگاه ملی و ژئوپلتیک، تراشه‌ها در قلب وقایع قرار دارند. احتمالا همین که حالا پر ارزش‌ترین شرکت‌ جهان، تولید کننده تراشه است، این موضوع را تائید می‌کند. از همین رو، نوآوری در حوزه تراشه‌ها بیش از هرچیزی  اهمیت دارد. حالا فناوری فتونیک سیلیکونی در حال ورود به این صنعت است.

همانطور که از نامش پیداست، فتونیک سیلیکونی نور را به دنیای تراشه‌ها می‌آورد، سرعت جابجایی به سرعت نور می‌رسد. این فناوری حالا یکی از فناوری‌هایی است که شاید کمتر نامش شنیده شده باشد اما انقلابی در دنیای تراشه‌ها ایجاد کرده است. در این مقاله به صورت کامل با این تکنولوژی آشنا می‌شویم.

فتونیک سیلیکونی چیست؟ همگرایی نور و سیلیکون

فتونیک سیلیکونی (Silicon Photonics) شاخه‌ای از فناوری نوری است که از بستر سیلیکون برای ساخت ادوات فتونیکی استفاده می‌کند. در این فناوری، اطلاعات نه از طریق جریان الکترون، بلکه با استفاده از فوتون‌ها (ذرات نور) منتقل می‌شود. فوتون‌ها برخلاف الکترون‌ها جرم ندارند و در نتیجه، می‌توانند اطلاعات را با سرعت بسیار بالا و با اتلاف انرژی کمتر جابه‌جا کنند. این ویژگی، فتونیک را به گزینه‌ای بسیار مناسب برای انتقال داده در مقیاس‌های بزرگ و با تأخیر کم تبدیل کرده است.

آنچه فتونیک سیلیکونی را منحصربه‌فرد می‌کند، استفاده از بستر سیلیکونی در ساخت تراشه‌های نوری است. سیلیکون ماده‌ای ارزان‌قیمت، فراوان، و سازگار با فرآیندهای رایج ساخت تراشه‌های نیمه‌هادی است. با به‌کارگیری سیلیکون در فتونیک، امکان تولید انبوه، یکپارچه‌سازی با مدارهای الکترونیکی، و کاهش هزینه به‌طور هم‌زمان فراهم می‌شود. این مزیت‌ها باعث شده‌اند که شرکت‌ها و مراکز تحقیقاتی، سرمایه‌گذاری گسترده‌ای در این حوزه انجام دهند.

به عنوان نمونه، کشور تایوان که به عنوان یکی از قطب‌های بزرگ تولید تراشه در جهان است، حالا بر این فناوری متمرکز شده است و آن را یکی از محورهای جهش ۵۱۰ میلیارد دلاری می‌داند.

چه تفاوتی در تراشه‌ها ایجاد می‌شود؟

در فناوری‌های تراشه‌ای که امروزه استفاده می‌شود، پردازش و انتقال داده از طریق مدارهای الکترونیکی انجام می‌شود. این مدارها با جریان الکترون کار می‌کنند. اما با افزایش سرعت پردازش، میزان تولید گرما و مصرف انرژی نیز بالا می‌رود. علاوه بر آن، تداخل سیگنال‌ها و محدودیت‌های فرکانسی، عملکرد این سیستم‌ها را در مقیاس‌های بالا دچار اختلال می‌کند.

اینجا است که فتونیک سیلیکونی وارد میدان می‌شود. فوتون‌ها نه‌تنها سریع‌تر حرکت می‌کنند، بلکه کمتر دچار نویز و تداخل می‌شوند. همچنین، نیاز به خنک‌سازی شدید و مصرف برق بالا را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهند.

برای درک بهتر تفاوت، می‌توان به ساختار یک تراشه فتونیکی اشاره کرد. این تراشه‌ها شامل موج‌برهای نوری، لیزرهای مجتمع، آشکارسازهای نوری و مدولاتورها هستند که روی ویفر سیلیکونی پیاده‌سازی می‌شوند. این اجزا به جای سیم‌های مسی یا ترانزیستورهای الکترونیکی، از نور برای حمل داده استفاده می‌کنند. در یک سناریوی کاربردی مانند دیتا‌سنترها، استفاده از فتونیک سیلیکونی می‌تواند سرعت انتقال بین سرورها را چندین برابر کند، بدون آن‌که بار حرارتی یا مصرف برق افزایش یابد.

در واقع، با این فناوری، می‌توان درآینده تراشه‌هایی را ساخت که نه تنها عملکرد بهتری دارند، بلکه مصرف برق را نیز افزایش نمی‌دهند و مهمتر از آن، نیاز به خنک‌سازی‌های گسترده و استفاده از حجم زیاد آب ندارند.

بخوانید : هوش مصنوعی چقدر آب مصرف می‌کند؟

فتونیک سیلیکونی و فیبر نوری چه تفاوتی دارند؟

هنگامی که بحث انتقال اطلاعات به وسیله نور مطرح می‌شود، همه ما یاد فیبرهای نوری می‌افتیم. گرچه فتونیک سیلیکونی و فیبر نوری هر دو از نور برای انتقال داده استفاده می‌کنند، اما تفاوت‌های اساسی در معماری، مقیاس و هدف کاربردی آن‌ها وجود دارد.

فیبر نوری معمولاً برای انتقال داده در فواصل طولانی طراحی شده است؛ مانند ارتباط بین شهرها، دیتاسنترها یا حتی کابل‌های زیردریایی. در این فناوری، نور از طریق فیبرهای شیشه‌ای یا پلاستیکی منتقل می‌شود. فیبر نوری یک راه‌حل ارتباطی در سطح شبکه است، نه درون تراشه یا سیستم‌های پردازشی.

اما فتونیک سیلیکونی به‌دنبال انتقال و پردازش نور در مقیاس میکرومتری و درون تراشه است. این فناوری به مهندسان اجازه می‌دهد اجزای نوری مانند موج‌بر، مدولاتور و آشکارساز را مستقیماً روی ویفر سیلیکونی بسازند. در واقع، فتونیک سیلیکونی مکمل معماری درون‌تراشه‌ای و میان‌تراشه‌ای است.

از این رو، فتونیک سیلیکونی می‌تواند درون همان فضای فیزیکی که پیش‌تر برای الکترونیک طراحی شده بود، از نور برای انتقال داده استفاده کند؛ چیزی که در فیبر نوری سنتی امکان‌پذیر نیست.

فتونیک سلیکونی، هوش مصنوعی را متحول خواهد کرد.

هوش مصنوعی برای پردازش حجم عظیمی از داده‌ها، نیازمند زیرساخت‌هایی با توان محاسباتی بسیار بالا و تأخیر بسیار کم است. در این زمینه، فتونیک سیلیکونی نقش یک شتاب‌دهنده را ایفا می‌کند. با استفاده از نور به‌جای جریان الکتریسیته، انتقال داده بین بخش‌های مختلف یک سیستم هوش مصنوعی، سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر انجام می‌شود.

این ویژگی به‌ویژه در کاربردهایی مانند یادگیری عمیق، بینایی ماشین و پردازش زبان طبیعی اهمیت دارد؛ جایی که نیاز به عبور سریع اطلاعات بین هسته‌های پردازشی، یک عامل تعیین‌کننده در عملکرد نهایی مدل‌هاست.

علاوه بر انتقال سریع داده، فتونیک سیلیکونی زمینه را برای ساخت پردازنده‌های نوری هوش مصنوعی فراهم کرده است. این پردازنده‌ها می‌توانند عملیات ماتریسی را با نور انجام دهند؛ عملیاتی که در قلب الگوریتم‌های یادگیری ماشین قرار دارند.

برخی از شرکت‌ها و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی، اکنون در حال ساخت تراشه‌هایی هستند که شبکه‌های عصبی را به‌طور کامل در حوزه نوری پیاده‌سازی می‌کنند. این نوآوری‌ها می‌توانند مصرف انرژی را به‌شدت کاهش دهند و مدل‌های بزرگ را با سرعتی بی‌سابقه آموزش دهند؛ تغییری که می‌تواند معماری آینده‌ی هوش مصنوعی را به‌کلی دگرگون کند.

اما هنگامی که در سطح کلان به این فناوری نگاه کنید، مهمترین اثرگذاری این فناوری بر هوش مصنوعی را از جنبه محیط زیست خواهید دید. مصرف انرژی کمتر و مصرف آب کمتر. امروزه دیتاسنترها یکی از بزرگترین مصرف کنندگان آب و برق به شمار می‌روند و همین موضوع نگرانی‌های بسیاری را ایجاد کرده است. اما فتونیک سیلیکونی می‌تواند نقش مهمی در این مسیر ایفا کند.