ليزر داخل المعالجات الحاسوبية يجعلها أسرع وأكثر كفاءة

طور العلماء أشعة ليزر صغيرة داخل شرائح من السيليكون ما يجعل الحواسيب أسرع وأقل استهلاكاً للطاقة.

وكشف الباحثون أن وضع الليزر في المعالجات الدقيقة يجعلها تقوم بمهامها باستهلاك طاقة أقل كثيراً، حيث أن العناصر الإلكترونية جيدة في معالجة المعلومات لأنها تتفاعل فيما بينها بقوة. بينما كان الليزر المدمج مع الإلكترونيات هدفاً صعب المنال عمل عليه العلماء لعقود من الزمن.

أما الآن يقترب مجموعة من الباحثين خطوة من تحقيق ذلك، من خلال إنماء ليزرات صغيرة مباشرة داخل شرائح السيليكون. وصنعت هذه الليزرات من مركبات في أشباه الموصلات التي يمكنها إطلاق الضوء بشكل أكثر كفاءة بكثير من السيليكون نفسه.

ويقول العلماء بأن هذا التقدم المهم قد يجعل المعالجات الدقيقة المستقبلية أسرع وأقل استهلاكاً للطاقة. حيث أنه لأكثر من 30 سنة، كان من غير الممكن عمل شبيكة كريستالية من السيليكون وأي مادة ليزرية عادية بشكل متجانس.

وخلال السنوات القليلة الماضية كان هناك العديد من الليزرات المدرجة مباشرة في شرائح السيليكون، لكن هذه الطرق كانت تتضمن وجود وسائط بينية.

وأول شرائح سيليكونية ضوئية موجودة فعلاً. لكن مصدر الضوء في عمليات نقل البيانات يجب أن يكون متصلاً مع السيليكون بطريقة بالغة التعقيد وباستخدام طرق تصنيع دقيقة جداً.

أما الآن قامت مجموعة من علماء من جامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا، وجامعة كاليفورنيا، وجامعة سانتا باربارا، ومختبرات سانديا الوطنية وجامعة هارفرد ببناء فجوات أدنى من طول الموجة، وهي المكونات الأساسية لليزرات المتناهية الصغر، مباشرة في السيليكون نفسه.

وقال البروفيسور كي ماي لاو، من قسم الإلكترونيات وهندسة الحاسوب في جامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا "إن وضع الليزرات في المعالجات الدقيقة تزيد من إمكانياتها وتسمح لها بالعمل بطاقة أقل، وهذا ما يعتبر خطوة ممتازة باتجاه الدمج بين الضوئيات والإلكترونيات في أنظمة السيليكون".

حيث أن دمج المعالجة الضوئية مع الشرائح الإلكترونية له آثار كبيرة لحوسبة عالية الأداء. فالقطع الإلكترونية جيدة جداً في معالجة المعلومات لأن الإلكترونات تتفاعل بقوة فيما بينها.

لكن عندما تتحرك الإلكترونات لنقل البيانات، فإن التأثيرات المتبادلة بينها تسبب تشويش خلفي مما يضعف الإشارة كالتداخلات الهدامة. لهذا فإن الشرائح الأكثر تطوراً حتى الآن وصلت إلى أقصى ما يمكن للإلكترون فعله، حمل الإشارة في لوحات الدارات وفي الشرائح السيليكونية نفسها.

لكن الفوتونات، رغم ذلك، لها تأثير قليل جداً على بعضها البعض، لذا يمكنها نقل المعلومات بكفاءة أعلى كثيراً، لأن الفوتون يتمتع بكتلة قريبة جداً من الصفرمما يعني أنها لا تتأثر ببعضها تقريباً ويسلك سلوكاً موجياً وجسيميا ً في ذات الحين. وهذا السبب وراء استبدال الأسلاك بالألياف الضوئية في الحواسيب ذات الأداء العالي.

ويمكن استخدام هذه الليزرات كمصدر للضوء للدوائر الضوئية في الاتصالات داخل نفس الشريحة، ولمعالجة البيانات ولتطبيقات الاستشعار الكيميائي.

وأضاف البروفيسور لاو "ليزراتنا لها جهود كهربائية منخفضة جداً وتتوافق مع الحجم المطلوب لإدماجها ضمن المعالج الدقيق" مضيفاً "هذه الليزرات الضئيلة ذات الأداء العالي يمكن أن تنمى مباشرة في شرائح السيليكون، التي تصنع منها أغلب الدوائر المدمجة وهي شرائح أشباه الموصلات".

وبخصوص التطبيقات، فإن الليزرات الصغيرة التي ابتكرتها المجموعة مناسبة لأغراض نقل البيانات بسرعات عالية. ويتوقع الباحثون أن تظهر هذه التقنية في الأسواق خلال الـ10 سنوات القادمة.

إلى ذلك، تتعارض هذه التقنية مع قانون مور الإلكتروني والكلاسيكي فهو مجموعة من المبادئ التوجيهية لصناعة الحاسوب منذ عقود طويلة، لكن يبدو أنه يتم إهماله الآن. فالقانون يتنبأ بأن عدد الترانزيستورات في الدوائر المدمجة يتضاعف كل سنتين، ويقول الخبراء بأنه لا يمكن تحقيقه بعد الآن. وكان جوردون مور عام 1965، وهو أحد مؤسسي عملاق الشرائح الدقيقة إنتل، بوصف كيفية تضاعف عدد المكونات في الدائرة المدمجة كل سنة. وتنبأ بأن معدل النمو هذا سيستمر على الأقل لعقد من الزمان قبل أن يراجع التنبؤ عام 1975 ويعدله إلى المضاعفة كل سنتين. وثبتت دقة تنبؤه، جزئياً، لأن صناعة أشباه الموصلات تبنت تنبؤه كهدف للأبحاث المستقبلية والتطوير.

إلا أن تناقص حجم الدائرة المدمجة الواحدة إلى 22 نانومتراً بحلول عام 2012. ورغم ذلك، مع تناقص حجم الترانزستور، واجه المصنعون معركة متنامية مع مشاكل مثل ارتفاع الحرارة الذي يؤدي إلى تناقص كفاءة الشريحة.

وفي عام 2015، أكدت شركة إنتل بأن خطوات التطوير قد تباطأت حيث أن المضاعفة في عدد الترانزستورات أصبح يحدث كل سنتين ونصف. وصرحت الشركة أيضاً بأنها كانت تعمل على شرائح تحوي دوائر بحجم 7 نانومتراً فقط.

لكن الكثيرين يتوقعون الوصول إلى حد معين لا يمكن تجاوزه خصوصاً أن الأبحاث قد وصلت إلى أحجام على مستوى ذري وكمومي.