محاسبه بسیار سریع با استفاده از پالس‌های نور و بدون صرف انرژی

مفهوم محاسبات دیجیتال
اعتبار: © Jürgen Fälchle / Adobe Stock
 

پردازش فوق سریع داده با استفاده از پالس های نور به جای برق توسط دانشمندان اختراع شده است.
 
این اختراع از آهن رباها برای ثبت داده های کامپیوتری که مصرف انرژی تقریبا صفر دارند استفاده می کند، و با این کار معضل چگونگی ایجاد سرعت بالا برای پردازش داده ها بدون هزینه های بالای انرژی را حل می کند.
 
سرورهای مرکز داده ها امروزه بین 2 تا 5 درصد از مصرف برق جهانی را به خود اختصاص می دهند، و گرمائی را تولید می کنند که به نوبه خود نیاز به توان بیشتری برای خنک کردن سرورها دارد.
 
مشکل آن قدر حاد است که مایکروسافت حتی صدها سرویس مرکز داده خود را، در تلاشی برای خنک نگاه داشتن آنها و شکستن هزینه ها، به زیر آب اقیانوس برد.
 
اکثر داده ها به صورت اطلاعات دودویی (به ترتیب، 0 یا 1) از طریق جهت گیری آهنرباهای ریز، به نام اسپین، در داریوهای هارد مغناطیسی کد گذاری می شوند. از هدِ خواندن / نوشتن مغناطیسی برای تعیین یا بازیابی اطلاعات با استفاده از جریان  های الکتریکی که مقدار زیادی انرژی را تلف می کنند استفاده می شود.
 
اکنون یک تیم بین المللی با انتشار مقاله در مجله نیچر این مشکل را با جایگزینی برق با پالس های بسیار کوتاه از نور حل کرده است – که در طول زمانی یک تریلیونم ثانیه توسط آنتن های ویژه در بالای یک آهنربا متمرکز می شوند.
 
این روش جدید فوق العاده سریع است، و بلکه آن چنان در مصرف انرژی کارآمد است که دمای آهنربا اصلاً بالا نمی رود.
 
آنها این روش جدید را با پالس دادن به یک آهنربا با توالی های نوری بسیار کوتاه (به طول زمانی یک میلیونم یک میلیونم ثانیه) در فرکانس های مادون قرمز دور، به اصطلاح محدوده ویژه تراهرتز، نشان دادند.
 
با این حال، حتی قویترین منابع موجود نور تراهرتز، پالس های به اندازه کافی قوی برای تغییر جهت یک آهنربا ارائه نمی کرد.
 
این پیشرفت با استفاده از سازوکار تعامل کارآمد جفت شدگی بین اسپین ها و میدان الکتریکی تراهرتز به دست آمد، که توسط همان تیم کشف شد.
 
دانشمندان سپس یک آنتن بسیار کوچک را روی بالای آهنربا توسعه داده و ساختند تا میدان الکتریکی نور را متمرکز کنند و از آن طریق افزایش دهند. این قوی ترین میدان الکتریکیِ موضعی کافی بود تا مغناطیس شدگی آهنربا را به جهت گیری جدیدش در تنها یک تریلیونم ثانیه هدایت کند.
 
دمای آهنربا به هیچ وجه افزایش نیافت، زیرا این فرآیند نیاز به انرژی به اندازه تنها یک کوانتوم نور تراهرتز - یک فوتون - برای هر اسپین دارد.
 
دکتر میخاییلوفسکی گفت: "رکورد اتلاف انرژی پایین، این روال را مقیاس پذیر می سازد.
دستگاه های ذخیره سازی آینده نیز از تعریف فضایی عالی ساختارهای آنتن بهره مند خواهند شد و این وجودِ حافظه های مغناطیسی عملی با همزمانی ماکزیممی کارایی انرژی و سرعت را مقدور می سازد."
 
او قصد دارد تحقیقات بیشتری را با استفاده از لیزر فوق العاده سریع جدید در دانشگاه لنکستر و همچنین شتاب دهنده های موسسه کاکرُفت انجام دهد که قادر به تولید پالس های شدید نور برای اجازه دادن به سویچ کردن مغناطیس ها و تعیین سرعت عملیاتی و اساسی و محدودیت های انرژی ضبط مغناطیسی هستند.
 

داده ها در کابل های فیبر نوری در فرکانس های چند تراهرتز ازدحام می کنند. به محض اینکه داده ها بر روی یک کامپیوتر یا تلویزیون قرار می گیرند، این سرعت باید مطابق با سرعت پردازش داده های اجزاء دستگاه باشد که در حال حاضر تنها در حدود چند صد گیگا هرتز است. محققان در حال حاضر یک فن آوری را توسعه داده اند که می تواند داده ها را تا صد بار سریعتر پردازش کند و بنابراین فاصله بین سرعت انتقال و پردازش را می بندد.
   
محققان آکادمی علوم چک با همکاران خود در دانشگاه میشیگان راه را برای افزایش قابل توجه سرعت پردازش داده ها در حدود یکصد برابر تا سرعت های تراهرتز کشف کرده اند.
 

به طور کلی، حافظه داده ها و ذخیره سازی به استفاده از مواد فرومغناطیسی تکیه می کنند. با این حال، دو معضل وجود دارد. در مرحله اول، تراکم محدوده ای و بنابراین ظرفیت ذخیره سازی این مواد محدود است زیرا آنها لزوما به محدودیت های طبیعی می رسند. این به این دلیل است که هر بیت اطلاعات در یک نوع آهن ربای میله ای ریز ذخیره می شود، که هر کدام از آنها بر حسب جهت گیری‌اش به ترتیب نشان دهنده 0 یا 1 است. اما اگر این آهنرباهای میله ای بیش از حد نزدیک به یکدیگر قرار بگیرند، شروع به تأثیر گذاری بر یکدیگر می کنند. آنها این روش جدید را با پالس دادن به یک آهنربا با توالی های نوری بسیار کوتاه (به طول زمانی یک میلیونم یک میلیونم ثانیه) در فرکانس های مادون قرمز دور، به اصطلاح محدوده ویژه تراهرتز، نشان دادند. مشکل دوم این است که محدودیت هایی نیز در سرعت هایی وجود دارد که در آنها داده ها می توانند به این نوع رسانه ذخیره سازی نوشته شوند. امکان رفتن به سرعت هایی بیش از گیگا هرتز وجود ندارد. در غیر این صورت انرژی فوق العاده ای نیاز خواهد داشت.
 
اما در مورد حافظه های آنتی فرو مغناطیس چنین نیست. آنها می توانند به چگالی بسیار بالاتری نوشته شوند زیرا در این موارد آهنرباهای میله ای همیشه به صورت متناوب جهت گیری می شوند و بنابراین بر یکدیگر اثر نمی گذارند. این بدان معنی است که می توانند اطلاعات قابل ملاحظه‌ی بیشتری را ذخیره کنند. و آنها اجازه سرعت بیشتری برای نوشتن را می دهند.
 
حافظه آنتی فرومغناطیسی اجازه سرعت های پردازش تراهرتز را می دهد.
 
پروفسور جیرو سینوا گفت: "اگر می خواهید اطلاعاتی مانند تصاویر متحرک از یک بازی فوتبال ارسال کنید، این را به صورت نور می توانید از طریق فیبر نوری انتقال دهید. چون انجام این کار در فرکانس های محدوده تراهرتز ممکن است، این عمل بسیار سریع اتفاق خواهد افتاد. در حال حاضر سرعت پذیرش باید کاهش پیدا کند تا توسط کامپیوتر یا تلویزیون پردازش شود، زیرا این دستگاه ها با استفاده از تکنیک های مبتنی بر برق به پردازش و ذخیره سازی داده ها می پردازند و سرعت این کارها تنها چند صد گیگا هرتز است. مفهوم حافظه آنتی فرومغناطیسی ما در حال حاضر قادر به کار مستقیم با داده های ارسال شده در نرخ های محدوده تراهرتز است." این به این معنی است که سیگنال دیگر نباید توسط دستگاه کاهش یابد. در عوض آن را نیز می توان در سرعت های تراهرتز توسط کامپیوتر و یا تلویزیون پردازش کرد.
 

منبع: دانشگاه لنکستر