چگونه تراشه نوری فوق کم‌اتلاف کلتک، قواعد مراکز داده هوش مصنوعی و محاسبات کوانتومی را بازنویسی می‌کند

گلوگاه در محاسبات مدرن دیگر سرعت پردازشگر نیست، بلکه میزان انرژی مورد نیاز برای جابجایی داده‌ها از یک تراشه به تراشه دیگر است. با افزایش مقیاس مدل‌های هوش مصنوعی به تریلیون‌ها پارامتر، مراکز داده به یک سد حرارتی و الکتریکی برخورد می‌کنند. انرژی لازم برای عبور سیگنال‌های الکتریکی از طریق اتصالات مسی در حال تبدیل شدن به یک امر ناپایدار است، که گرمای زیادی تولید کرده و مقیاس‌پذیری فیزیکی زیرساخت سرور را محدود می‌کند.[3]

سال‌هاست که راه‌حل پیشنهادی، جایگزینی سیم‌های مسی با نور بوده است. فیبر نوری در حال حاضر ستون فقرات اینترنت جهانی را تشکیل می‌دهد و داده‌ها را در سراسر اقیانوس‌ها با افت سیگنال تقریباً صفر منتقل می‌کند. اما کوچک کردن عملکرد فیبر نوری تا مقیاس میکروسکوپی یک تراشه سیلیکونی، یک چالش مهندسی دست‌نیافتنی بوده است. مسیرهای نوری سنتی در مقیاس تراشه از اتلاف سیگنال بالا رنج می‌برند و مهندسان را مجبور می‌کنند تا صرفاً برای قابل خواندن نگه داشتن نور، توان بیشتری به سیستم تزریق کنند.[1][3]

اکنون، تیمی از محققان در مؤسسه فناوری کالیفرنیا (کلتک) یک پیشرفت مهم را در مجله «نیچر» منتشر کرده‌اند که این شکاف را پر می‌کند. آن‌ها با موفقیت ژرمانیوم-سیلیکات – همان ماده شیشه‌ای فوق خالص مورد استفاده در فیبرهای نوری مسافت طولانی – را مستقیماً روی ویفرهای سیلیکونی استاندارد ۸ و ۱۲ اینچی چاپ کرده‌اند. این امر به تراشه‌ها اجازه می‌دهد تا با استفاده از فرآیندهای استاندارد تولید CMOS ساخته شوند.[1]

برای درک اهمیت این توسعه، بهتر است به استاندارد فعلی نگاه کنیم. امروزه اکثر تراشه‌های نوری برای هدایت نور به نیترید سیلیکون متکی هستند. در حالی که نیترید سیلیکون برای طول موج‌های نزدیک به مادون قرمز که در مخابرات سنتی استفاده می‌شوند مؤثر است، اما در طول موج‌های مرئی و کوتاه‌تر دچار مشکل می‌شود. در این فرکانس‌ها، اتلاف سیگنال (تضعیف) به دلیل جذب مواد و پراکندگی سطحی به طور چشمگیری افزایش می‌یابد.[1]

تیم کلتک، به رهبری پروفسور «کری واهالا»، رویکرد متفاوتی در پیش گرفت. آن‌ها به جای تلاش برای بهینه‌سازی نیترید سیلیکون، ساخت فیبر نوری فوق خالص مبتنی بر قرقره را به یک فرآیند سازگار با لیتوگرافی تبدیل کردند. محققان این موج‌برهای ژرمانیوم-سیلیکات جدید را در یک هندسه مارپیچی چیدند و به نور اجازه دادند تا مسافت نوری عظیمی را طی کند، در حالی که در یک ردپای میکروسکوپی محصور باقی می‌ماند.[1]

با این حال، نوآوری حیاتی، فرآیند بازجریان حرارتی است. تیم تحقیقاتی با حرارت دادن دقیق شیشه، سطوح موج‌بر را تقریباً به کمال اتمی صاف کردند. این کار عملاً زبری میکروسکوپی را که معمولاً نور را پراکنده کرده و سیگنال را تخریب می‌کند، از بین می‌برد و در نتیجه ضریب کیفیت تشدیدگر به بیش از ۱۸۰ میلیون می‌رسد.[1]

ادعاهای پیرامون محاسبات نوری اغلب به سمت تبلیغات اغراق‌آمیز منحرف می‌شوند و وعده انقلاب‌های فوری در سرعت پردازش و هوش مصنوعی با تأخیر صفر را می‌دهند. مهم است که بین آنچه کلتک واقعاً در آزمایشگاه به دست آورده و آنچه صرفاً از نظر تئوری ممکن است، تمایز قائل شویم. آنچه تیم نشان داده است، یک پلتفرم موج‌بر غیرفعال است، نه یک واحد پردازش مرکزی نوری کاملاً یکپارچه و آماده تجاری‌سازی.[3]

با این حال، معیارهای عملکرد این پلتفرم غیرفعال بی‌سابقه است. در طول موج‌های مرئی، موج‌برهای ژرمانیوم-سیلیکات کاهش ۲۰ برابری در اتلاف نوری را در مقایسه با رکوردهای قبلی نیترید سیلیکون نشان می‌دهند. این بدان معناست که یک فوتون می‌تواند ۲۰ برابر بیشتر در تراشه حرکت کند قبل از اینکه سیگنال آن غیرقابل خواندن شود، که نیاز به تقویت سیگنال پرمصرف را به شدت کاهش می‌دهد.[1]

علاوه بر این، هنگامی که تیم با استفاده از این پلتفرم جدید لیزر ساختند، بهبود ۱۰۰ برابری در هم‌دوسی نوری ثبت کردند. هم‌دوسی معیاری است برای سنجش اینکه امواج نور چقدر در طول زمان و مسافت کاملاً همگام باقی می‌مانند – این یک نیاز حیاتی برای ابزارهای دقیق، ساعت‌های نوری و سیستم‌های کوانتومی پیشرفته است.[1]

در حالی که این ارقام خیره‌کننده هستند، ادغام اجزای فعال – مانند مدولاتورها، سوئیچ‌ها و فوتودتکتورها – در این پلتفرم شیشه‌ای غیرفعال همچنان یک مانع پیچیده است. انتقال از یک نمایش آزمایشگاهی بکر به یک فرستنده-گیرنده نوری کاملاً بسته‌بندی شده و تولید انبوه که بتواند در سرورهای تجاری مستقر شود، سال‌ها مهندسی بیشتر نیاز دارد.[2][3]

با این حال، پیامدهای این کشف برای مراکز داده هوش مصنوعی عمیق است. این موج‌برها می‌توانند نور را به طور کارآمد بین فیبرهای نوری استاندارد و لیزرهای نیمه‌رسانای مبتنی بر تراشه منتقل کنند. این امر می‌تواند مصرف برق زیرساخت سرور را به شدت کاهش دهد، زیرا در حال حاضر سرورها مقدار زیادی برق را صرف تبدیل سیگنال‌های الکتریکی به نوری و بالعکس در لبه هر رک سرور می‌کنند.[1][3]

فراتر از هوش مصنوعی، عملکرد در طول موج مرئی، امکانات جدیدی را برای محاسبات کوانتومی باز می‌کند. بسیاری از سیستم‌های کوانتومی، مانند کامپیوترهای یون به دام افتاده و ساعت‌های اتمی در مقیاس تراشه، دقیقاً در طیف مرئی کار می‌کنند. پلتفرم کلتک با فراهم کردن یک مسیر کم‌اتلاف برای نور مرئی، می‌تواند امکان کوچک‌سازی این سیستم‌های کوانتومی حساس را از تنظیمات آزمایشگاهی به اندازه اتاق، به تراشه‌های سیلیکونی مقیاس‌پذیر و قابل تولید انبوه فراهم کند.[1]

عصر کامپیوتر کاملاً نوری ممکن است هنوز یک افق دوردست باشد که به شدت توسط زبان بازاریابی مبهم شده است. اما کلتک با حل مشکل اساسی اتلاف سیگنال روی تراشه و اثبات اینکه شیشه فیبر نوری می‌تواند در تولید استاندارد نیمه‌رسانا ادغام شود، زیربنای فیزیکی لازم برای رسیدن به آن نقطه را فراهم کرده است.[1][3]