Ruti Ben-Shlomi

لقد دفعت التطورات في الحوسبة القائمة على السيليكون الابتكار في العقود الأخيرة. ومع ذلك، فإن أعباء العمل الحديثة تدفع أجهزة الكمبيوتر عالية الأداء إلى أقصى حدودها.

وفي الوقت نفسه، لا تزال الحوسبة الكمومية في مراحلها المبكرة، وبعيدة سنوات عن دعم التطبيقات على نطاق تجاري. وفي هذه الفجوة تبرز منافس واعد.. الحوسبة الضوئية “أو البصرية”.

تستخدم الحوسبة الضوئية الضوء بدلاً من الكهرباء لإجراء العمليات الحسابية. وبينما تم استكشاف هذا المفهوم لعقود، فإن التطورات الأخيرة تقربه من الجدوى التجارية.

في الواقع، أدرجت شركة Gartnerمؤخرًا الحوسبة الضوئية في “دورة الضجيج لعام 2025 لتقنيات البنية التحتية لمراكز البيانات”، وهو مؤشر رئيسي على أن التكنولوجيا تكتسب زخمًا بين قادة الصناعة والمستثمرين.

لماذا تعتبر الحوسبة الضوئية مهمة؟

تستفيد الحوسبة الضوئية من سرعة وكفاءة الضوء. يمكن للفوتونات نقل البيانات بشكل أسرع من الإلكترونات وتعمل في بيئات منخفضة الطاقة، مما يجعلها مثالية لمعالجة أعباء العمل الكثيفة مثل الحسابات العلمية، والتعلم الآلي، ومشاكل التحسين.

علاوة على ذلك، بينما تقوم الأنظمة الإلكترونية بتبديد الحرارة وتتطلب تبريدًا مكثفًا، تعمل الأنظمة الضوئية بأقل قدر من الحمل الحراري.

يتزايد الزخم وراء الحوسبة الضوئية، وتمهد الأبحاث الحالية الطريق لعالم جديد من الحوسبة الأسرع والأكثر كفاءة.

يتميز مجال الحوسبة الضوئية بالعديد من البنى، ولكل منها فوائدها ومقايضاتها الخاصة:

البصريات في الفضاء الحر “FSO”: أقدم أشكال الحوسبة الضوئية، تقوم أنظمة FSO بمعالجة المعلومات عن طريق معالجة الضوء في الهواء أو الفراغ باستخدام العدسات، ومعدلات الضوء المكانية، والأقنعة. تتراوح أحجام أنظمة FSO من صناديق صغيرة إلى احتلال عدة رفوف، وتوفر كلاً من المرونة والسرعة.

تواجه أنظمة FSO بعض التحديات قبل أن تتحول إلى منتجات عملية. إحدى القضايا الرئيسية هي جعل الأنظمة أكثر متانة وموثوقية، مما يتطلب هندسة بصرية ميكانيكية محسّنة، مثل دمج كتل بصرية صلبة، أو معدلات ضوء مكانية “SLMs” مدمجة، أو مواد ضوئية فائقة “metamaterials”.

مشكلة أخرى هي أن معدلات الضوء المكانية الحالية، التي تعالج وتتحكم في الضوء في هذه الأنظمة، أبطأ بكثير من الأجهزة الإلكترونية. ومع ذلك، يجري تطوير جيل جديد من معدلات الضوء المكانية الأسرع والأعلى دقة، ومن المفترض أن يساعد ذلك في التغلب على هذه القيود.

الرقائق الضوئية: من خلال دمج المكونات البصرية المصغرة مثل الليزر ومقسّمات الحزم والمقاييس التداخلية في عامل شكل مدمج، تتيح الرقائق الضوئية السرعة وسهولة التكامل مع البنى الإلكترونية الحالية. هناك العديد من التقنيات في هذا المجال، ولكنها جميعًا تكافح من أجل التوسع للتعامل مع المهام الأكثر تعقيدًا.

تصميمات الرقائق الحالية ثنائية الأبعاد في الغالب، مما يحد من فائدتها. لزيادة أدائها، حاولت بعض الشركات ربط الرقائق ببعضها البعض، ولكن هذا غالبًا ما يتسبب في فقدان كبير للإشارة. التحدي الآخر هو أن الرقائق الضوئية لا تستطيع تخزين الذاكرة بصريًا، لذا يتعين عليها التبديل باستمرار بين الضوء والكهرباء، مما يقلل من الأداء والدقة. في الدوائر البصرية الكبيرة، يمكن أن تصبح الإشارات التناظرية ضعيفة وصاخبة، مما يجعل من الصعب تحقيق نتائج دقيقة.

نظرًا لصعوبة التوسع، تحول بعض الشركات تركيزها من بناء رقائق ذكاء اصطناعي بصرية كاملة إلى إنشاء وصلات بصرية، والتي تستخدم الضوء لنقل البيانات بين المكونات الإلكترونية. يتضمن هذا المسار إلى الأمام إنشاء مواد وأجهزة جديدة تقلل من فقدان الإشارة وتحسن الدقة. على سبيل المثال، أظهر نيوبات الليثيوم واعدة في التجارب المبكرة.

أنظمة الألياف البصرية: تستفيد هذه الأنظمة من الضوء الموجه داخل الألياف البصرية، مستندة إلى البنية التحتية الناضجة لاتصالات الألياف الضوئية لإجراء حسابات معقدة، والتي تعد مفيدة لحل المشكلات الصعبة في التحسين والذكاء الاصطناعي، من بين أمور أخرى.

أحد الأمثلة على ذلك هو آلة إيزينغ المتماسكة “CIM”، التي ترسل نبضات ضوئية حول حلقة من الألياف البصرية لإجراء الحسابات. لسوء الحظ، تعتمد هذه الآلة على الإلكترونيات للوظائف الرئيسية، مما يؤدي إلى تحويل بصري-كهربائي-بصري يقلل بشكل كبير من سرعة الحوسبة. من المرجح أن تتجه التصميمات المستقبلية نحو البنى القائمة على الرقائق لتحقيق تكامل وقابلية توسع أفضل. ولتحقيق الاستفادة الكاملة من الميزة البصرية، يجب استبدال مصفوفة البوابات القابلة للبرمجة ميدانياً الإلكترونية “FPGA” التي تتحكم في النظام بمعالج بصري بالكامل، وبالتالي التخلص من “عقوبة التحويل”.

تصميم إبداعي آخر يستخدم أليافًا خاصة ذات نوى متعددة لإجراء العديد من الحسابات في نفس الوقت، مثل تعدد المهام باستخدام الضوء. لا تزال معظم أنظمة الألياف البصرية متعددة النوى في مرحلة البحث.

عقبات أخرى في طريق التسويق التجاري

على الرغم من الزخم المتزايد، يجب التغلب على عقبات تقنية إضافية قبل أن تتمكن الحوسبة الضوئية من تحقيق انتشار واسع:

الدقة والاستقرار: الأنظمة القائمة على الضوء عرضة لعدم المحاذاة، وتغيرات درجة الحرارة، أو الضوضاء العشوائية في الإشارة. يعالج الباحثون هذه المشكلات باستخدام أنظمة التغذية الراجعة ذات الحلقة المغلقة التي تقوم بإجراء تعديلات تلقائية، وعدسات خاصة تتكيف لتحقيق التركيز الأمثل، وأدوات التعلم الآلي التي تساعد في الحفاظ على ضبط النظام بشكل صحيح.

الذاكرة والتخزين: يعد تخزين البيانات الضوئية تحديًا كبيرًا. قد يكون تطوير الذاكرة الضوئية، بما في ذلك القلابات “التي تخزن بتات فردية من المعلومات” وخطوط التأخير للتحكم في توقيت الإشارات الضوئية، بمثابة تغيير جذري. استثناء واعد هو الأنظمة القائمة على التجويف البصري، التي تستخدم الضوء كوسيط للذاكرة والحساب، وبالتالي تلغي النفقات العامة لنقل البيانات بين الذاكرة والمعالج.

التكامل والتعبئة: سواء كان الأمر يتعلق بمحاذاة الليزر في أنظمة الفضاء الحر أو تصغير الدوائر الضوئية على الرقائق، يظل التكامل المادي تحديًا. قد تساعد الابتكارات في التعبئة ثلاثية الأبعاد والمواد في تحسين قابلية التوسع وتقليل التكاليف.

الطريق إلى الأمام للحوسبة الضوئية

ندخل نافذة حرجة في تطور الحوسبة الضوئية. مع تزايد الطلب العالمي على حوسبة أسرع وأكثر صداقة للبيئة وأكثر قدرة يوميًا، توفر الأنظمة الضوئية بديلاً يكمل، وفي بعض الحالات يفوق، الأنظمة التقليدية القائمة على السيليكون.

في حين أن الأنظمة البصرية بالكامل في الفضاء الحر تبدو الأكثر جدوى على المدى القريب، فإن الأنظمة الهجينة التي تجمع بين المكونات البصرية والإلكترونية قد تلعب أيضًا دورًا مهمًا، خاصة إذا أدت التطورات في تحويل OEO إلى تقليل عقوبات الطاقة.

قد تحمل الحوسبة داخل الذاكرة، الاستخدام المتزامن للضوء للحساب والتخزين، وعدًا. على المدى المتوسط، قد تفتح البنى التي تجمع بين المعالجة المكانية والزمانية مستويات جديدة من الأداء والكفاءة.

إعداد: وحدة الترجمات بمركز سمت للدراسات
المصدر: World Economic Forum