الضوء والتقنية الضوئية بحث شامل ومعمق


الضوء .. كلنا يراه في شعاع الشمس في الظهيرة, أو نور المصباح في الحجرة, أو ضوء النجوم الخافت من النافذة. ولكن هل حاول أحدنا أن يمسكه? أن يروضه? أن يصنع منه سلكا أو خيطا? ليس في عالم الأساطير التي تغزل فيه الحوريات نور القمر وترتديه ثوبا فضيا يذوب مع أمواج البحر, ولكن في عالم الواقع .. عالم الكمبيوتر أو عالم الإنترنت. في هذا الوجود نتجول معا في رحلة مع الضوء وصراع العلماء معه لترويضه وسجنه في سلك أو معالج. يؤكد الخبراء أنه سرعان ما ستصل المعالجات المصنوعة من السليكون إلى أقصى سرعة متاحة لها وينتهي الأمر بها عند طريق مسدود. فهل تكون هذه هي النهاية ويتوقف الأمر عند هذا الحد? ربما تكون الإجابة في تقنية الكمبيوتر الضوئية, قضت المعالجات المصنوعة من السليكون في فترة الخدمة حتى الآن حوالي ثلاثين عاما وربما تقضى في الخدمة عشر سنوات أخرى. ولكن عندما يصل التصغير والسرعة إلى أقصى حد ممكن مع الشرائح الإلكترونية المصنوعة من السليكون سيصبح إحالة شرائح السليكون إلى المعاش أمراً حتمياً, لأن المستقبل يعني في الكمبيوتر السرعة والصغر وهما مضمارا سباق لا هوادة ولا رحمة فيهما.

اللاعبان الأساسيان في هذين المضمارين هما شركتا انتل و"إيه إم دي" اللتان تفكران فيما بعد سنة 2017 وهي السنة التي يعتقد الخبراء أن شرائح السليكون لن تصبح عملية في صناعة الكمبيوتر ولن تسمح بالوصول إلى السرعات المطلوبة في نفس الوقت (ربما 100 جيجاهيرتز وربما 10 تيراهيرتز وربما يتم ابتكار معيار للسرعة غير الميجا وغير التيراهيرتز) وتفكر الشركتان حاليا في تقنية جديدة تصل بهما إلى السرعات المطلوبة لكسب الميدالية الذهبية في نهاية السباق. ترى ما البديل لشرائح السليكون? التقنية الكمية Quantum Computing)?( أم تقنية الشريط الوراثي (دي إن إيه) DNA Computing? لم تستخدم أي من التقنيتين لتكوين أو تصميم جهاز كمبيوتر عملي متعدد الاستخدام فكل منهما مستقبلها, وإن كان يشوبه بعض الغموض, كما أنهما ليستا التقنيتين الوحيدتين لتصنيع المعالجات, فهناك تقنية كمبيوتر أخرى جديدة يفكر فيها أغلب الخبراء ويتحدثون عنها عندما يسألون عن تقنيات الكمبيوتر والمعالجات المستقبلية, ويبدو أنها الورقة الرابحة في هذا الرهان ... رهان التقنية الجديرة بتولي عرش الكمبيوتر خلال المستقبل البعيد وهي تقنية الكمبيوتر الضوئية أو الفوتونية (Optical Computing) أو (Photon Processing) والتي تعني تصنيع المعالجات ومكوناتها من مواد ضوئية أو فوتونية أي تتعامل مع الضوء ولا تتعامل مع الإلكترون. قوية ولكنه ضوء : هناك وسيلتان لزيادة سرعة الكمبيوتر إما بجعل المعالج سريعا في حد ذاته بتصنيعه بتقنية معينة وترتيب المكونات داخله بأسلوب معين , أو باستخدام عدد كبير من المعالجات بشكل متواز أي تعمل جميعها معا في نفس الوقت. وكل من تقنية الكوانتم وتقنية الشريط الوراثي يعملان بشكل متواز , بل ويعتمدان أصلا على التوازي, وهذا هو سر أدائهما.

أما التقنية الضوئية فتعتمد على معالج ضوئي واحد فقط سريع في حد ذاته, وربما يكون السؤال الذي يراود القارئ الآن هو: لماذا تكون المعالجات الضوئية أسرع من المعالجات الإلكترونية (المصنعة من شرائح إلكترونية)? والجواب لأن العقبات التي تعترض سباق السرعة في معالجات السليكون كثيرة ومتعددة, ولا ينبغي أن نغفل الحقيقة العلمية التي تقول إن الإلكترونات بطيئة جدا !, ولو لم تكن بطيئة لما كانت تلك الحرب الضارية والسباق الشرس على تصغير حجم المعالج والترانزستورات إلى أقصى حد ولأن الإلكترونات بطيئة, فإن الحل المنطقي الوحيد هو تقليل المسافات التي تقطعها هذه الإلكترونات.

ولكن للتصغير أيضا مشاكله, التي تختلف عن الصعوبات الخاصة بعمليات التسجيل الضغطي عند اقتراب الحجم من الطول الموجي للضوء حتى لو كان الضوء فوق البنفسجي الشديد القصر في الموجات الضوئية, إلى زيادة التسخين والتأثير المدمر مثل الاختراق الميكانيكي الكمي. كيف تتحرك الإلكترونات ببطء داخل المعالج? تعتمد سرعة الإلكترونات وحركتها على قوة الفولت ودرجة الحرارة ومجموعة من العوامل الأخرى . وليس من المجدي التقليل المستمر لقوة الفولت لتقليل تسرب الحرارة, والحد الأقصى لسرعة الإلكترون 100ألف متر في الثانية في حين أن سرعة الضوء 300 مليون متر (300 ألف كيلومتر في الثانية), أي أسرع من الإلكترون بنحو ثلاثة آلاف مرة. ولن تكون الاتصالات الضوئية السريعة ذات قيمة إذا كانت عمليات المنطق الضوئي بطيئة, ولكن التقنية الضوئية تحمل لنا الأمل في مفاتيح أسرع وعمليات منطق أسرع بكثير من المفاتيح التقليدية والسبب في سرعة المفاتيح هو عدم تفاعل الفوتونات مع بعضها البعض , حيث لا تحمل أي شحنات كهربائية أو مجالات محيطة بها. المفاتيح الضوئية: المفتاح الإلكتروني هوالجزء الأساسي في كل مكونات الكمبيوتر الإلكترونية في الماضي والحاضر, وعكس المفتاح الميكانيكي اليدوي الذي يتحكم فيه الإنسان في مسار تيار الكهرباء بالإجراء اليدوي العادي يسمح المفتاح الإلكتروني بتدفق الكهرباء في دائرة تتحكم فيها إشارة كهربائية من دائرة أخرى, وكانت المفاتيح الإلكترونية الأولى تحتوي على صمامات ومجسات, أما الآن فتحتوي المفاتيح الإلكترونية على ترانزستورات. والمفاتيح الإلكترونية هي حجر الأساس في بناء البوابات المنطقية والذاكرات وأي مكون آخر في جهاز الكمبيوتر, ولبناء كمبيوتر بمكونات ضوئية تعمل مثل مكونات الكمبيوتر الإلكترونية الحالية, فنحن نحتاج إلى مفتاح ضوئي.

وإذا كان المفتاح الإلكتروني الضوئي الذي يستخدم إشارة إلكترونية في فتح وإغلاق شعاع ضوئي لا يمثل أي مشكلة تقنية على الإطلاق فإن ذلك لا ينطبق على صناعة المفتاح الضوئي الخالص الذي يتحكم فيه شعاع ضوئي في فتح وإغلاق شعاع آخر. وليست المشكلة في أن صناعة المفاتيح الضوئية أمر مستحيل, ولكن من عدم جدواها عمليا في الوقت الحالي, والعلماء يصنعون المفتاح الضوئي حاليا من مواد يتغير معامل انكماشها Retroactive Index عندما يخترقها شعاع ليزر قوي. وبهذه الطريقة يمكن تغيير مسار شعاع ضوء آخر بتمريره خلال تلك المادة, ووجد أن المادة التي تتميز بهذه الخاصية هي مادة الليثيوم نيوبيت Lithium Niobate, ومشكلة المفتاح الضوئي الخالص, وبالأخص مشكلة بلورات الليثيوم نيوبيت - وأغلب المواد الضوئية الأخرى غير الخطية هي أن شعاع الفتح والإغلاق لابد أن يكون قويا جدا, وهذا يعني أن أغلب أجهزة الكمبيوتر الضوئية ستكون شرهة في استهلاك الطاقة وتسريب الحرارة الناجمة عن المفاتيح الضوئية مما يتسبب في مشكلة ضخمة, ولهذا يبتعد أغلب الباحثين حاليا عن تقنية المعالجات الضوئية بسبب صعوبة وتعقيد مشاكلها الفنية. والاتجاه السائد حاليا هو استخدام التقنية الضوئية في المكونات التي تصلح لتصنيعها من المواد الضوئية, بدلا من محاولة تطبيق التقنية الضوئية في مكونات ومجالات من الأفضل تركها للتقنية الإلكترونية. استثناء: يمكن الخروج من مأزق التقنية الضوئية بوسيلة واحدة فقط هي الترانزستور الفوتوني الذي ابتكره مركز أبحاث الجبل الصخري (Rocky Mountain Research Center) وباع حق تطويره لشركة سايبر داين كمبيوتر في ولاية أوتاه بمدينة سان جورج, ولا يستخدم هذا الترانزستور الضوئي موادا غير مألوفة مثل اللثيوم نيوبيت ولا يحتاج إلى أشعة ليزر قوية, بل يستخدم عناصر ضوئية رخيصة من البلاستيك وأشعة ليزر منخفضة القوة, ويعمل بمبدأ التداخل الموجي (Wave Interference) وتقول الشركة إن الترانزستورات الفوتونية قادرة على تمرير وفصل شعاع ضوء كل 30 فمتو ثانية, أي كل ثلاثين وحدة من مليون وحدة من النانوثانية (النانو ثانية جزء من بليون من الثانية), ومن المعروف أن سرعة تمرير تيار الكهرباء في المعالج بسرعة واحد جيجاهيرتز تساوي واحد نانوثانية, ويعني هذا إمكانية الوصول إلى سرعة تمرير تيار الشعاع الضوئي كل واحد فمتوثانية.

التوصيلات الضوئية: يمكن استخدام الألياف الضوئية في تصنيع كابلات الاتصالات عالية السرعة, حيث لم تتضح بعد الجدوى العملية لتصنيع المفاتيح الضوئية. ويفحص عدد من الباحثين حاليا إمكانية استخدام مزيج من التقنية الضوئية والتقنية الإلكترونية, فالمفاتيح الإلكترونية ستستخدم في تنفيذ العمليات المنطقية, بينما ستستخدم المفاتيح الضوئية في عمل التوصيلات الداخلية.. ويتميز الضوء بسمات أخرى مفيدة منها زيادة سرعة مرور البيانات في ألياف الكابلات والوصلات الضوئية. كان معالج انتل 4004 أول معالج في التاريخ يحتوي على 16 دبوس فقط.. وبعد مرور ثلاثين عاما يحتوي معالج بنتيوم 4 على حوالي 423 دبوس توصيل. وعندما نفتح أي جهاز كمبيوتر وننظر إلى اللوحة المركزية, فإننا لا نرى المعالج نفسه ولكننا نرى الأسلاك والتوصيلات المتصلة بالمعالج. ومن السهل صناعة هذا العدد من الوصلات مقارنة بصعوبة تصنيع المعالج نفسه الذي يبدو في شكل مستطيل صغير من السليكون. ولا يقتصر الأمر على ذلك, فهناك المشاكل الميكانيكية العديدة التي تنجم عن حشر عدد كبير من الأسلاك في مكان صغير, فلابد أن تكون الأسلاك رفيعة حتى يمكن تثبيتها بسهولة مما يؤدي إلى زيادة مقاومتها وهذه مشكلة أخرى, ولابد من توصيلها بجوار بعضها البعض, الأمر الذي يسبب تبادل المجال الكهربي بسبب مضاعفة السعة. أليس من الأفضل إذن والحال هكذا استخدام أشعة الليزر بدلا من التوصيلات السلكية? مبدئيا, لا يبدو هذا الاقتراح معضلة عسيرة أو صعبة التنفيذ, فعندما تحتاج إلى بيانات من المعالج وبدلا من توصيل سلك بحافة المعالج يمكنك استخدام صمام ثنائي من الليزر Laser Diode في نقطة إصدار إشارة البيانات على المعالج. وعندما تريد إدخال أمر في المعالج يتم إدخال صمام ضوئي ثنائي على سطح الشريحة, ويلتقط الصمام الضوئي الثنائي الموجود على أحد الشرائح الإلكترونية شعاع الليزر المنبعث من صمام الليزر الثنائي المثبت على شريحة أخرى, وهكذا نكون قد وجدنا بديلا للوصلات السلكية.

ومن مميزات الوصلات الضوئية أن أشعة الليزر لا تتداخل مع بعضها البعض ولا تحتاج إلى مواد عازلة أو إشارة إلكترونية مثل الأسلاك العادية, بل ولا تحتاج إلى فراغ أو مساحة كبيرة لحشرها مثل الأسلاك وبدون أي آثار جانبية تذكر. وقد ابتكرت الأبحاث الأوروبية توصيلات ضوئية عالية السرعة في مساحة فارغة بين معالجات الكمبيوتر بمعدل نقل بيانات وصل إلى واحد تيرابايت من البيانات (التيرابايت Terabyte يساوي ألف جيجابايت), بينما سعة الذاكرة في بنتيوم 4 تصل إلى 3.2 جيجابيت, ورغم أن هذه السعة تعد إنجازا بالنسبة للمعالج السابق لكنها بطيئة للغاية عند مقارنتها بأول رقم تحققه الألياف الضوئية في نقل البيانات بنسبة تصل إلى واحد إلى عدة مئات. رغم أنه سيمضى زمن طويل حتى يظهر معالج ضوئي, فإن التقنية الضوئية متقدمة جدا في مجالات أخرى مثل التخزين الضوئي في شكل اسطوانات ليزر ومشغلاتها التي أصبحت لفترة طويلة جدا جزءا أساسيا من مكونات الكمبيوتر. تطور تقنيات تسجيل أسطوانات الليزر: تستطيع أسطوانة الليزر استيعاب ما يقرب من 700 ميجابايت من البيانات, حيث يتم التخزين بوجود أو غياب الحفر في طبقة عاكسة من الألومونيوم. ولا تختلف أسطوانة الليزر التي تسمح بإعادة الكتابة عن الاسطوانة العادية (التي تسمح بالتسجيل لمرة واحدة فقط) سوى في قدرة الانعكاس في طبقة التسجيل, وعند القراءة تقوم عدسة ليزر مضيئة بتسليط ضوئها على طبقة أسطوانة الليزر وتفحص مقدار الضوء المعكوس إليها مرة أخرى أثناء دوران الاسطوانة على محورها في المشغل. تستخدم مشغلات DVD تقنية مشابهة ما عدا أن الحفر أصغر, الأمر الذي يتطلب استخدام ليزر أقصر في الطول الموجي لقراءة البيانات, ومن الممكن أن تحتوي اسطوانة الدي في دي على طبقتي ليزر في كل جانب حيث تكون الطبقة العليا في الغالب شبة شفافة.

عملية القراءة مشابهة لتلك التي تتم في أسطوانة الليزر حيث يتم تسليط شعاع الليزر بقوة مختلفة على الطبقة العليا عن قوة التسليط في الطبقة الدنيا. وتستطيع اسطوانة DVD التي تحتوي على طبقتين من الألومونيوم العاكس في كلا جانبيها استيعاب قدر مذهل من البيانات يبلغ 17 جيجابايت !! تستخدم مشغلات اسطوانات الدي في دي شعاع ليزر أحمر لقراءة البيانات, على الرغم من أنه يكون بطول موجي أقصر من شعاع الليزر الأحمر المستخدم في مشغل اسطوانة الليزر. وكلما قصر الطول الموجي لشعاع الليزر - إلى نفس الطول الموجي للضوء الأزرق أو البنفسجي مثلا- أمكن قراءة أدق التفاصيل. وتزيد قدرة تخزين المعلومات في مساحة معينة, ومع ذلك لا يتعدى الفرق في الطول الموجي من نهايته إلى القطاع المرئي إلى الآخر مقدار اثنين, وإذا علمنا أن كثافة تخزين البيانات تتناسب تناسبا عكسيا مع مربع الطول الموجي (كلما قصر الطول الموجي لشعاع الليزر كلما زادت كثافة تخزين المعلومات في مساحة معينة) بات من الواضح أن فرصة زيادة كم البيانات التي يمكن تخزينها على اسطوانة الليزر محدودة بالقدرة على تغيير الطول الموجي لشعاع الليزر فقط.

يعتقد كثير من الباحثين أن الوسيلة الوحيدة لتطوير اسطوانة الليزر إلى اسطوانة DVD تمثلت في تغيير عدد طبقات الألومونيوم في كل جانب, فالتخزين في اسطوانة DVD تخزين حجمي, فالبيانات تخزن من خلال حجم المادة التسجيلية وليس على السطح كما هو الحال في اسطوانة الليزر, ولكن هل يمكن تخزين المزيد من البيانات بزيادة عدد الطبقات الموجودة في اسطوانة DVD? فإذا كانت الإجابة بنعم, فإننا نجد أنفسنا أمام مشكلة فيزيائية وهي استحالة قراءة الفروق في الانعكاس بين عدد كبير من الطبقات, ولهذا كانت الحاجة لتطوير وسيلة تسجيل البيانات , وبالفعل نجحت شركة Constellation 3D في ابتكار الاسطوانة الفلورسنتية متعددة الطبقات Fluorescent Multi-Layer Disc التي تستخدم تقنية الإشعاع الكهرومغناطيسي (مقدار الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يشعه عنصر معين عند تعرضه لإشعاع مستحدث, مثل أشعة إكس أو الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة فوق البنفسجية أو الإلكترونات, حيث يمتص العنصر الشعاع قصير الموجة ويصدر شعاعا مرئيا طويل الموجة). أسطوانة حجمها واحد تيرابايت !!! عندما يسقط ضوء ذو طول موجي معين على مادة فلورسنتية, فإنها تصدر ضوء ا بتردد منخفض مختلف. ومن أشهر الأمثلة على تقنية الإشعاع الكهرومغناطيسي الأشعة فوق البنفسجية التي تجعل الصبغات في مساحيق الغسيل تتوهج باللون الأزرق. ويمكن استخدام وجود أو غياب الصبغة الفلورسنتية في الطبقة التخزينية على أسطوانة معينة لتخزين البيانات الثنائية. وبتسليط عدسة ليزر على الأسطوانة وفحص الأجزاء التي تشع ضوءا بالتردد الفلورسنتي يمكن قراءة البيانات المخزنة في مثل هذه الطبقة.

وهكذا يمكن وضع عدد كبير من طبقات التخزين في اسطوانة واحدة وقراءة البيانات عليها بالتركيز على طبقة معينة بعكس التسجيل الإنعكاسي في اسطوانة الليزر حيث لا تنخفض قوة الأشعة الصادرة كلما مر الضوء خلال الطبقات الوسيطة وأمكن صناعة اسطوانات تحتوي على مائة طبقة تخزينية. شركة C-3D واثقة أنها باستخدام هذا العدد من الطبقات التخزينية (مائة طبقة) واستخدام الشعاع الأزرق لتقليل حجم التركيز ستستطيع انتاج اسطوانة تصل قدرتها التخزينية إلى واحد تيرابايت (ألف جيجابايت), وتخطط الشركة لانتاج اسطوانة تحتوي على 10 طبقات تخزينية فقط كباكورة انتاج وسعتها التخزينية تصل إلى 140 جيجابايت خلال العام الحالي. تستخدم شركة C-3D نفس التقنية الفلورسنتية متعددة الطبقات في تصنيع جهاز تخزيني في حجم بطاقة الإئتمان, وميزة هذا القرص الصلب أنه لن يحتوي على أجزاء متحركة مثل اسطوانات الليزر أو DVD الحالية, ويطلق على الجهاز التخزيني الجديد اسم كلير كارد Clear Card ويستخدم بدلا من عدسة القراءة عدستين للقراءة ويطلق عليهما اسم ( CCD Charge-Coupled Device). يساعد انعدام الحركة في هذا الجهاز مقارنة بمشغلات الاسطوانات الحالية على ملاءمة هذا الجهاز لأجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة, وتزيد إمكانية القراءة الثنائية من معدل نقل البيانات. والمنتج الأولي من هذا الجهاز سيستطيع استيعاب ضعف سعة اسطوانة DVD أحادية الجانب مرتين وأقل منها في تكلفة صناعته كما أن القدرة المتوقعة للتخزين أكبر من ذلك.

وقد تم بالفعل انتاج نموذج يستطيع تخزين حتى واحد تيرابايت وسرعة نقل البيانات منه تساوي واحد جيجابايت في الثانية. التخزين في العمق: رغم أن الاسطوانة الفلورسنتية متعددة الطبقات متطورة عن اسطوانة الليزر وعن اسطوانة DVD بمراحل عديدة لكنها تفتقر إلى ذاكرة التخزين الحجمية الكاملة Full Volumetric Memory فرغم قراءة البيانات من مائة طبقة فوق بعضها البعض لا تزال الاسطوانة الفلورسنتية متعددة الطبقات مسطحة بشكل أساسي, وإذا استطاعت هذه الاسطوانة تطبيق وسط تخزين ذي عمق كبير ستزداد سعتها التخزينية عدة مرات. تستخدم تقنية مثل هذه الذاكرة نوعا من البكتريا يجري تفاعلات كيميائية متعددة عند التعرض لأنواع مختلفة من الضوء, ولمماثلة الحالات التي تمثل صفر وواحد كان لابد من إجراء تفاعلين كيميائيين يتطلب كل منهما نوعا مختلفا من الضوء بحيث يقفز كل منهما مقدار جزئ من الصفر إلى حالة الواحد.

وهذا يعني أنه في حالة بعثرة هذه البكتريا في مكعب من الجيل ستتكون كتلات ضئيلة جدا داخل هذا المكعب تمثل كل منها مقدار البايت, ويمكن تمييزها بعنوان ثلاثي الأبعاد. وعمليا تم تمرير شعاع من الضوء في شريحة من الذاكرة حيث يتم اختيار وحدات البت المطلوبة في هذه الشريحة باستخدام شاشة كريستالية (LCD) بالزوايا الصحيحة ونفس الأسلوب استخدم لقراءة البيانات, وحيث أصبحت الجزيئات في حالة الصفر والواحد تسمح بمرور الشعاع الأحمر المستخدم في قراءة البيانات وبذلك لم تؤثر الطبقات الوسيطة على عملية القراءة, ولكن إذا تم تمرير شعاع ضوء باللون المطلوب في طبقة تحتوي على وحدات بت جاري قراءتها حاليا سيتم نقل وحدات البت التي في حالة الصفر من هذه الطبقة إلى حالة غير مستقرة مؤقتة تمتص الضوء الأحمر, وسيرى المجس الموجود في نهاية المكعب فقط الفرق بين وحدات بت الصفر والواحد في هذه الطبقة, وبعد عملية القراءة تعود الجزيئات من الحالة غير المستقرة إلى حالة الصفر الأصلية وكأن شيئا لم يكن. وقد تم تصنيع نموذج عملي وعرض في بداية التسعينيات وكان يحتوي على مكعب أبعاده بوصة في بوصة في بوصتين واستطاع تخزين حوالي 800 ميجابايت, وقد تطورت هذه التقنية كثيرا خلال السنوات الماضية وتتوقع الشركة المنتجة أن تصل الطاقة المتوقعة للتخزين في جهاز حجمه 2 بوصة مكعب إلى 125 جيجابايت. إضاءة الويب: الاتصالات هي أكثر المجالات التي يمكن تطبيق التقنية الضوئية فيها, ويقصد بالاتصالات ربط ملايين أجهزة الكمبيوتر التي تكون الإنترنت, وليس الوصلات بين أجهزة المستخدمين الشخصية وشركات خدمات الإنترنت التي تنقل فيها البيانات بسرعة 56 كيلوبت في الثانية.