استفاده محاسباتی از لیزر ژرمانیم امکان‌پذیر شد

محبوبه عمیدی: پژوهشگران ام.آی.تی «مؤسسه فناوری ماساچوست» به تازگی موفق به ساخت لیزری از جنس ژرمانیم شده‌اند که می‌تواند در دمای محیط نیز عمل کند. محققان این دانشگاه معتقدند، نتایج حاصل از این پژوهش راه را برای انتقال نوری داده‌ها با سرعت بالا درون رایانه‌های امروزی هموار خواهد کرد.

به گزارش سی.نت، در حال حاضر از پرتوهای لیزر برای ارسال حجم عظیمی از اطلاعات، آنهم به کیلومترها دورتر استفاده می‌شود، اما استفاده از این فناوری برای انتقال داده‌ها در فواصل کوتاه چیزی نیست که از لحاظ اقتصادی مقرون‌به‌صرفه باشد. با این وجود، بسیاری از محققان دارند برای ادغام مستقیم لیزر در تراشه‌های کامپیوتری امروزی تلاش می‌کنند تا بتوانند در کنار کاهش این هزینه‌های نامتعارف، امکان افزایش سرعت انتقال داده‌ها را نیز در سطح وسیعی فراهم کنند.

اغلب لیزرهای امروزی حاصل عبور جریان الکتریکی از ترکیبات نیمه‌رسانای گران‌قیمتی مانند آرسنید گالیم هستند که باید هر یک به شکل جداگانه‌ای پس از آنکه تمامی اجزاء تراشه‌های محاسباتی ساخته شدند، به تراشه متصل شوند. محققان ام.آی.تی در مقاله‌ای که در «اپتیک لترز» منتشر شده است، علت موفقیت این روش را استفاده از فناوری «شکاف انرژی غیرمستقیم» در نیمه‌هادی‌ها عنوان کرده‌اند که پیش از این احتمال می‌رفت غیرممکن باشد. به گفته این تیم تحقیقاتی استفاده از این فناوری در ژرمانیوم به مراتب ساده‌تر است، چرا این ماده به سادگی و در حین ساخت تراشههای امروزی با آنها تلفیق پیدا خواهد کرد.

برای تولید لیزرهای امروزی از فناوری «شکاف انرژی مستقیم» استفاده می‌کنند که در آن الکترون‌های پر انرژی می‌توانند در سطح بلوری نیمرسانا که «نوار رسانا» نامیده می‌شود، حرکت کنند. این الکترون‌ها انرژی را در «نوار رسانا» به شکل فوتون آزاد خواهند کرد.

در روش «شکاف انرژی غیرمستقیم»، چنین الکترون‌هایی می‌توانند بخش قابل‌توجهی از انرژی حرکتی را به صورت گرما از دست بدهند و سهم چندانی در ایجاد پرتوهای لیزر نداشته باشند. برای تولید نور در این فناوری باید الکترون‌ها برای رسیدن به تراز بالاتری از انرژی برانگیخته شوند. محققان ام.آی.تی برای حل این مشکل به تغلیظ ساختار بلوری ژرمانیوم با استفاده از اتم‌های فسفر که الکترون آزاد پنجمی نیز در اختیار دارند، دست‌زده‌اند. این در حالی است که ژرمانیوم تنها 4 الکترون آزاد در اختیار دارد.

در این فناوری سطح ارژی پایین‌تر در نوار رسانا توسط الکترون‌های اضافی اتم‌های فسفر احاطه خواهد شد و بنابراین الکترون‌های برانگیخته ژرمانیوم چاره‌ای جز جهش به تراز بالاتر انرژی و تولید فوتون ندارند.

با این حال محققان ام.آی.تی می‌گویند که هنوز هم به افزایش بهره‌وری این تکنیک نیاز دارند و برای رسیدن به بازده مطلوب باید میزان اتم‌های فسفر به‌کاررفته در تغلیظ ترکیب ژرمانیوم را افزایش دهند، تا در نتیجه آن با اتلاف انرژی کمتری در تولید پرتو‌های لیزر مواجه باشند. این تیم از هزینه‌های به کارگیری این فناوری جدید اطلاعاتی را در اختیار رسانه‌ها قرار نداده است.

بیش از چندین دهه است که لیزرها دارند در فرایند شبکه‌سازی مورد استفاد قرار می‌گیرند، اما این اولین بارست که می‌آیند تا به جزء ثابتی از ابزارهای محاسباتی بدل شوند. علیرغم اینکه در این تحقیق، تولید پرتوهای لیزر وارد فاز جدیدی می‌شود، اما باز هم برای ارسال الکترون‌ها و ایجاد فوتون همان روش‌های الکترونیک متداول، یعنی عبور الکترون‌ها از میان سیم‌های فلزی به کار گرفته خواهند شد.

این شیوه حرکت الکترون‌ها می‌تواند مشکل‌آفرین باشد. یکی از بزرگ‌ترین این مشکلات تولید گرمای تلف‌شده است که می‌تواند هزیه سنگینی را بابت کنترل دما در کیس‌های کامپیوتر و مراکز داده‌ای که به تعداد بسیاری رایانه مجهز هستند به کاربران تحمیل کند. مسئله دیگر تشعشعات الکترومغناطیسی است که می‌تواند به دلیل تداخل با سایر جریان‌ها یا ابزارهای الکترونیکی درون یک رایانه مشکل‌آفرین شود یا در عملکرد بخش‌های دیگری مانند شبکههای بی‌سیم اختلال ایجاد کند. این نکته را هم در نظر بگیرید که هرچقدر سرعت ارسال و دریافت داده‌ها در سیمهای انتقال بیشتر شود، مشکلات نیز پیچیده‌تر خواهند شد.

به همین دلیل است که شرکت‌های پیشروی مانند اینتل سخت دارند روی انتقال فوتون‌ها به وسیله سیلیکون که در واقع بیشتر انتقال داده‌ها به وسیله پرتوهای نور است تا الکترون‌ها کار می‌کنند و به نظر می‌رسد که به استناد این خبر و فناوری تولید کابل‌های «لایت‌پیک» شرکت اینتل می‌توانیم امیدوار باشیم این فناوری در آینده نزدیک در اختیار کاربران قرار گیرد. «لایت‌پیک» طراحی‌شده تا بتواند یک اتصال نوری ساده را جایگزین بخش عظیمی از پورت‌های پرسرعت کامپیوتری امروزی که برای انتقال ویدئوها و شبکه‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند و اتلاف انرژی بسیار‌بالایی دارند، در کنار تعداد بی‌شماری از ابزارهای یو.اس.بی مورد نیاز انسان کند.

قدم بعدی کوتاه‌تر کردن مسیر انتقال اطلاعات درون کامپیوترها از یک تراشه به دیگری است و در نهایت از فوتونیک انتظار داریم ما را به جایی برساند که بتوانیم تمامی محاسبات را به کمک آن و تنها روی یک تراشه به انجام برسانیم.