Ted Maiman در سال 1960، در آزمایشگاه‌های Hughes Research Laboratories لیزر را كشف؛ هیچ‌گاه فكر نمی‌كرد در آینده‌ای نزدیك این اختراع تا چه اندازه حیاتی و تأثیرگذار خواهد بود و حوزه‌های مختلفی از علم مانند پزشكی و ارتباطات برپایه آن پیشرفت می‌كنند. اگر اخبار فناوری‌های جدید شبكه‌های كامپیوتری و مراكز داده در یك سال اخیر را دنبال كرده باشید، به احتمال با عبارت  Silicon Photonics یا Silicon Nanophotonics برخورد كرده‌اید. حتی در كنفرانس‌ها و سمینارهای دو شركت بزرگ فعال در صنعت محاسبات کامپیوتری و شبكه؛ آی‌بی‌ام و اینتل نیز این كلمات زیاد تكرار شده است. سیلیكون فتونیك چیست؟ قرار است چه تغییرات و جهش‌هایی در شبكه‌های كامپیوتری نسل آینده، مراكز داده، سخت‌افزار و ارتباطات به‌وجود آورد؟ كدام شركت‌ها پیش‌گام این فناوری هستند؟ این فناوری چگونه كار می‌كند و پرسش‌هایی از این دست را در این مقاله جواب خواهیم داد.

 

سیلیكون فتونیك به روایت آی‌بی‌ام
اگر بخواهیم به‌طور ساده توضیح بدهیم كه قرار است چه اتفاقی بیفتد، باید گفت چیپ‌ست‌های شبكه آینده از اتصالات داخلی مبتنی‌بر نور به جای فلز یا الكترون بهره می‌برند و اینتركانكشن‌های آن‌ها فتونیك می‌شود. ساده‌ترین نتیجه این تغییرات افزایش پهنای‌باند است. برپایه فناوری سیلیكون فتونیك می‌توان اجزای یك چیپ‌ست CMOS مانند مالتی‌پلكسرهای طول موج، آشكارسازها، مدولاتورها و اجزای دیگر را براساس فتونیك ساخت و در كنار یكدیگر یكپارچه كرد (شكل1).

شکل 1: كالبدشكافی یك چیپ‌ست سیلیكون فتونیك آی‌بی‌ام. همان‌طور كه در شكل مشخص است تمامی اجزای این فناوری درون یك چیپ‌ست سیلیكونی CMOS یكپارچه شده‌اند

برت جان‌آفرین (Bert Jan Offrein)، مدیر تحقیقات فتونیك آزمایشگاه شركت آی‌بی‌ام در زوریخ می‌گوید با استفاده از قطعات نوری در یك چیپ‌ست می‌توان كارایی پردازنده، حافظه و پهنای‌باند سیستم را افزایش داد كه نتیجه آن دستیابی به كامپیوترهایی با سرعت بیشتر در پردازش و انتقال اطلاعات است. چرا می‌گوییم در پردازش و انتقال اطلاعات سرعت‌های بیشتری قابل استفاده است؟ زیرا همان‌طور که در بخش قبلی گفتیم، یكی از بزرگ‌ترین معایب كابل‌های فیبر‌نوری نیاز به انواع مبدل‌های الكتریكی به نور یا به‌عكس است. اطلاعات سیگنال‌هایی الكتریكی هستند و بستر رسانای شما نور. بنابراین، نیاز به انواع رابط‌ها و اجزای مبدل دارید كه باعث تأخیر و كاهش سرعت و مشكلات دیگر می‌شوند. اگر شما بتوانید كاری كنید كه در داخل خود دستگاه‌ها یا در داخل چیپ‌ست‌های شبكه عملیات تبدیل و كار با سیگنال‌های نور انجام شود از دست این كانكتورها و رابط‌های زیاد در كابل‌های فیبر‌نوری خلاص می‌شوید و می‌توانید تا حدود زیادی تأخیر را جبران كنید. بنابراین، هدف چیپ‌ست‌های سیلیكون فتونیك یكپارچه‌سازی تمامی كانكشن‌های نوری درون یك چیپ‌ست CMOS سیلیكونی است (شكل‌2).

شکل 2:  نمونه‌ای از چیپ‌ست سیلیكون فتونیك ساخته شده توسط شركت آی‌بی‌ام كه در پروژه Dome استفاده خواهد شد.

اوفرین می‌گوید در آزمایشگاه‌های آی‌بی‌ام متوجه شده‌اند كه سیلیكون نسبت به اشعه مادن قرمز نورگذران (Transparent) است یعنی می‌تواند نور را از خود عبور بدهد. بنابراین، شما می‌توانید روی سیلیكون یك موج‌بر (Waveguide) استفاده كنید. می‌توان در میان لایه‌های سیلیكون نوارهای بسیار نازك در حد میكرومتر و شاید كمتر استفاده كرد كه نور را منتقل و هدایت می‌كنند و هیچ‌گونه مشكلی هم برای كاركرد سیلیكون به وجود نمی‌آورند. اوفرین ادامه می‌دهد كه متوجه شده‌اند چیپ‌ست‌های سیلیكون فتونیك می‌توانند تمام توابع مورد نیاز برای انتقال سیگنال‌های نوری را انجام دهند به جز تولید نور. به همین دلیل لیزرهای نوری خارجی را روی چیپ‌ست‌ها مونتاژ می‌كنند تا سیگنال‌های نوری نیز با موج‌برهای تعبیه شده درون چیپ‌ست همراه شوند (شكل3).

شکل 3: برشی از چیپ‌ست سیلیكون فتونیك 90 نانومتری شركت آی‌بی‌ام كه تركیبی از مدارهای الكتریكی و امواج نوری است.

عملیات تبدیل سیگنال‌های الكتریكی به سیگنال‌های نوری توسط مدولاتورهای الكترو نوری (Electro-Optical Modulators) درون سیلیكون انجام می‌شود و اجازه می‌دهد تا مرحله شگفت‌انگیز انتقال اطلاعات درون چیپ‌ست به صورت نوری اتفاق بیفتد و اطلاعات به صورت سیگنال‌های نوری به كابل‌های فیبرنوری منتقل شوند (شكل4).

شکل 4: در چیپ‌ست‌های سیلیكون فتونیك آی‌بی‌ام موج‌برهای آبی رنگ می‌توانند امواج نوری را با سرعت‌های خیلی زیاد منتقل و هدایت كنند. اما كابل‌های مسی زردرنگ می‌توانند حامل پرسرعتی برای سیگنال‌های الكتریكی باشند.

این اتفاق مزیت بزرگ چیپ‌ست‌های جدید است كه در این وسط مبدل‌های سیگنال‌های الكتریكی به امواج نوری را از بین می‌برد. در این فرآیند پرتوهای لیزر نور مورد نیاز درون چیپ‌ست‌ها را تولید كرده و همانند یك سوئیچ شبكه عملیات كنترل و مدیریت امواج نوری را برعهده دارند. انتقال و مسدود كردن امواج نوری نیز براساس ورودی‌های الكتریكی انجام می‌شود. مدیر گروه تحقیقاتی آی‌بی‌ام روی چیپ‌ست‌های سیلیكون فتونیك می‌گوید كه مزیت فناوری آی‌بی‌ام این است كه توابع الكتریكی مورد نیاز برای هدایت مدولاتورها نیز درون یك چیپ‌ست سیلیكونی تعبیه شده و در حقیقت با اجزای دیگر به خصوص نوارهای فتونیك یكپارچه شده است. هر طول موج با یك سیگنال 25 گیگابیت بر ثانیه مدوله می‌شود و بعد با استفاده از مالتی‌پلكسرهای تقسیم‌كننده طول موج یا WDM به چندین طول موج مجزا تقسیم می‌شوند تا پهنای باند بیشتری را برای انتقال اطلاعات نوری فراهم كنند. به عنوان مثال، اگر طول موج اولیه 25 گیگابیتی به چهار طول موج دیگر تقسیم شود كه هریك پهنای‌باند 25 گیگابیتی دارند، در مجموع پهنای‌باند انتقال اطلاعات در این چیپ‌ست برابر صد گیگابیت بر ثانیه خواهد شد. در شركت آی‌بی‌ام سعی شده است طول‌ موج‌ها مدیریت شده و محدود باشند و مثلاً به چهار، هشت و 12 طول موج تقسیم شوند كه در نهایت چیپ‌ست‌های این شركت می‌توانند پهنای باند 300 گیگابیت بر ثانیه را تأمین كنند. علت محدود كردن طول موج‌ها نیز به دلیل رعایت فاصله كافی از یكدیگر و تداخل نداشتن، سردرگم نبودن و جلوگیری از تأثیرگذاری متغیرهای دیگری مانند دما است. اوفرین می‌گوید: «دماراندگی (Drift temperature) نكته بسیار مهمی است كه باید رعایت كنیم. كارایی چیپ‌ست و موفقیت در انتقال اطلاعات برای ما مهم است و نباید بگذاریم به بهانه دستیابی به پهنای‌باند بیشتر دما روی كارایی تأثیرگذار باشد.» این محقق چیپ‌ست‌های سیلیكون فتونیك می‌افزاید: «در دریافت‌كننده‌ها یا سخت‌افزار مقصد سیگنال‌های WDM با استفاده از دی‌مالتی‌پلكسرهای WDM به یك سیگنال الكتریكی تبدیل می‌شوند و فرآیندی برعكس روی سیگنال‌ها به وجود می‌آورد. در این فرآیند از تقویت‌كننده‌ها و كدكننده‌های سیگنال استفاده می‌شود تا به همان اطلاعات اولیه برسیم.» 
پرسشی كه مطرح می‌شود این است كه چرا برای ساخت این چیپ‌ست‌ها باید از فناوری ساخت 90 نانومتر استفاده شود در حالی كه چیپ‌ست‌های دیگر خیلی كوچك‌تر هستند؟ به نظر می‌رسد اندازه موج‌برهای استفاده شده در این چیپ‌ست‌ها به شدت به شاخص‌های نورگذرانی و شیشه سیلیكون وابسته هستند. همچنین هزینه تولید این چیپ‌ست‌ها با 90 نانومتر بسیار ارزان‌تر از 22 نانومتر خواهد بود و شركتی مانند آی‌بی‌ام نیازی ندارد كه از فناوری‌های پیچیده‌تری استفاده كند. مدیر تحقیقات آی‌بی‌ام می‌گوید: «ما نخستین چیپ‌ست را در 12 دسامبر 2012 رونمایی كردیم و به تجاری‌سازی رساندیم و به زودی شاهد استفاده این چیپ‌ست‌ها در سخت‌افزارهای شبكه، مراكز داده، ابركامپیوترها و سرورها خواهیم بود كه تأثیر زیادی روی سرعت انتقال اطلاعات در شبكه‌های كامپیوتری خواهند داشت.» یكی از مراكزی كه از چیپ‌ست‌های سیلیكون فتونیك استفاده خواهد كرد، پروژه Dome است كه بخشی از تلسكوپ رادیویی  Square Kilometre Array است. این پروژه در سال 2024 افتتاح می‌شود كه در نوع خودش بزرگ‌ترین و حساس‌ترین تلسكوپ رادیویی روی زمین خواهد بود و اخترشناسان و دانشمندان می‌توانند آسمان 13 میلیارد سال قبل را بررسی كنند؛ آرزو و رؤیایی كه انسان همیشه دوست داشته به آن دست یابد و بفهمد در آن سال‌ها چگونه این كهكشان‌ها، ستاره‌ها و سیاره‌ها شكل گرفته‌اند. 
آسفا می‌گوید چیپ‌ست‌های سیلیكون فتونیك مزایای زیادی دارند كه اگر شركت‌ها و صنعت شبكه متوجه آن‌ها شوند، جهش بزرگی به‌وجود خواهد آمد. مزیت اول این است كه سرعت انتقال اطلاعات فقط با تغییر یك چیپ‌ست در شبكه می‌تواند به صد‌گیگابیت یا بیشتر برسد. در حال حاضر، برای دستیابی به این سرعت انتقال اطلاعات باید از انواع روترها و سوئیچ‌های بزرگ و غول‌پیكر در كنار انواع كانكتورها و استانداردها استفاده كرد. مزیت دوم چیپ‌ست‌های سیلیكون فتونیك، موجود بودن فناوری ساخت و تولید آن‌ها به تعداد انبوه است. برخی از اختراع‌ها نیاز به فناوری تولید پیچیده و پیشرفته‌ای دارند كه به این زودی‌ها نمی‌توان به آن دست یافت و باید منتظر زمان و توسعه شركت‌های سخت‌افزاری بود اما فناوری تولید این چیپ‌ها ساده است. مزیت سوم هزینه پایین تولید این چیپ‌ست‌ها است. مزیت بعدی این است كه شما به هر تعداد دلخواه می‌توانید سیگنال‌های نوری را در یك چیپ‌ست افزایش داده و در نتیجه سرعت را افزایش دهید. برای مثال، می‌توان چیپ‌ستی با سرعت چند صد گیگابیت بر ثانیه تولید كرده و آن را میان چندین دستگاه به اشتراك گذاشت. یكی از كاربردهای اصلی این چیپ‌ست‌ها در ابركامپیوترها است.



_______________________________
منبع : پایگاه اطلاع رسانی ماهنامه شبکه