تسخير سرعة الضوء: “الحياة” الاصطناعية تفتح قوة الحوسبة الضوئية
يستكشف الباحثون الحوسبة الضوئية كبديل للتقنيات القائمة على السيليكون بسبب الصعوبات في تصنيع ترانزستورات السيليكون الدقيقة.
دفع البحث اللامتناهي عن أجهزة كمبيوتر أسرع وأصغر يمكنها فعل المزيد إلى قيام الشركات المصنعة بتصميم ترانزستورات أصغر حجمًا يتم تعبئتها الآن في رقائق الكمبيوتر بعشرات المليارات.
وحتى الآن، نجح هذا التكتيك. لم تكن أجهزة الكمبيوتر أقوى مما هي عليه الآن من قبل. لكن هناك حدودًا: يمكن أن تصبح ترانزستورات السيليكون التقليدية صغيرة جدًا فقط بسبب الصعوبات في تصنيع الأجهزة التي، في بعض الحالات، لا يتجاوز عرضها بضع عشرات من الذرات. ردا على ذلك، بدأ الباحثون في تطوير تقنيات الحوسبة، مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية، التي لا تعتمد على ترانزستورات السيليكون.
طريقة أخرى للبحث هي الحوسبة الضوئية، التي تستخدم الضوء بدلاً من الكهرباء، على غرار الطريقة التي حلت بها كابلات الألياف الضوئية محل الأسلاك النحاسية في شبكات الكمبيوتر. بحث جديد أجراه علي رضا ماراندي من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية والفيزياء التطبيقية، يستخدم الأجهزة الضوئية لتحقيق الأتمتة الخلوية، وهو نوع من نماذج الكمبيوتر يتكون من “عالم” (منطقة شبكية) تحتوي على “خلايا” (كل مربع من الشبكة)) يمكنها أن تعيش، وتموت، وتتكاثر، وتتطور إلى كائنات متعددة الخلايا لها سلوكياتها الفريدة. تم استخدام هذه الآلات لأداء مهام الحوسبة، ووفقًا لماراندي ، فهي مناسبة بشكل مثالي للتقنيات الضوئية.
يقول ماراندي: “إذا قارنت ليفًا ضوئيًا بكابل نحاسي، يمكنك نقل المعلومات بشكل أسرع باستخدام الألياف الضوئية”. “السؤال الكبير هو هل يمكننا استخدام سعة المعلومات من الضوء للحوسبة بدلاً من مجرد الاتصال؟ للإجابة على هذا السؤال، نحن مهتمون بشكل خاص بالتفكير في بنى أجهزة الحوسبة غير التقليدية التي تناسب الضوئيات بشكل أفضل من الإلكترونيات الرقمية “.
خلية مستقلة
لفهم الأجهزة التي صممتها مجموعة Marandi بالكامل، من المهم أن نفهم ما هي الأجهزة الخلوية وكيف تعمل. من الناحية الفنية، فهي نماذج حسابية، لكن هذا المصطلح لا يساعد معظم الناس على فهمها. من المفيد التفكير فيها كخلايا محاكاة تتبع مجموعة أساسية جدًا من القواعد (كل نوع من أنواع الأوتوماتا له مجموعة القواعد الخاصة به). من هذه القواعد البسيطة يمكن أن تظهر سلوكيات معقدة بشكل لا يصدق. تم تطوير واحدة من أفضل الأجهزة الخلوية المعروفة، مى The Game of Life أو Conway’s Game of Life ، بواسطة عالم الرياضيات الإنجليزي John Conway في عام 1970. وهي تحتوي على أربعة قواعد فقط يتم تطبيقها على شبكة من “الخلايا” التي يمكن أن تكون إما على قيد الحياة أو ميت. هذه القواعد هي:
- تموت أي خلية حية بها أقل من جيران حيين، كما لو كان ذلك بسبب نقص السكان.
- أي زنزانة حية بها أكثر من ثلاثة جيران تموت، كما لو كانت بسبب الاكتظاظ.
- أي خلية حية بها اثنان أو ثلاثة من الجيران الأحياء تعيش في الجيل التالي.
- أي خلية ميتة بها ثلاثة جيران أحياء بالضبط ستظهر للحياة، كما لو كانت عن طريق التكاثر.
يقوم الكمبيوتر الذي يقوم بتشغيل لعبة الحياة بتطبيق هذه القواعد بشكل متكرر على العالم الذي تعيش فيه الخلايا على فترات منتظمة، مع اعتبار كل فترة جيلاً. في غضون بضعة أجيال، تؤدي هذه القواعد البسيطة إلى تنظيم الخلايا نفسها في أشكال معقدة بأسماء مثيرة للذكريات مثل الرغيف وخلايا النحل والضفدع وسفينة الفضاء الثقيلة.
“رغيف” كما سيظهر في لعبة الحياة لكونواي. الائتمان: Maxgyisawesome / ويكيميديا كومنز
“خلية نحل” كما ستظهر في لعبة الحياة لكونواي. الائتمان: Maxgyisawesome / ويكيميديا كومنز
“علجوم” كما سيظهر في لعبة الحياة لكونواي. الائتمان: Maxgyisawesome / ويكيميديا كومنز
“سفينة فضاء ثقيلة الوزن” كما ستظهر في لعبة الحياة لكونواي. الائتمان: Maxgyisawesome / ويكيميديا كومنز
تجذب الأوتوماتا الخلوية الأساسية أو “الابتدائية” مثل The Game of Life الباحثين العاملين في الرياضيات ونظرية علوم الكمبيوتر، ولكن يمكن أن يكون لديهم تطبيقات عملية أيضًا. يمكن استخدام بعض الأوتوماتا الخلوية الأولية لتوليد الأرقام العشوائية والمحاكاة الفيزيائية والتشفير. البعض الآخر قويًا من الناحية الحسابية مثل بنيات الحوسبة التقليدية – على الأقل من حيث المبدأ. بمعنى ما، هذه الأوتوماتا الخلوية ذات المهام الموجهة تشبه مستعمرة النمل حيث تجتمع الإجراءات البسيطة للنمل الفردي لأداء أعمال جماعية أكبر، مثل حفر الأنفاق، أو جمع الطعام وإعادته إلى العش. يمكن استخدام الأوتوماتا الخلوية الأكثر “تقدمًا”، والتي لها قواعد أكثر تعقيدًا (على الرغم من أنها لا تزال تعتمد على الخلايا المجاورة)، في مهام الحوسبة العملية مثل تحديد الكائنات في الصورة.
يشرح ماراندي: “بينما نحن مفتونون بنوع السلوكيات المعقدة التي يمكننا محاكاتها باستخدام جهاز ضوئي بسيط نسبيًا، نحن متحمسون حقًا لإمكانية وجود أوتوماتيات خلوية ضوئية أكثر تقدمًا لتطبيقات الحوسبة العملية.”
مثالي للحوسبة الضوئية
يقول ماراندي إن الأوتوماتا الخلوية مناسبة تمامًا للحوسبة الضوئية لعدة أسباب. نظرًا لأن معالجة المعلومات تحدث على مستوى محلي للغاية (تذكر في الأجهزة الخلوية، تتفاعل الخلايا فقط مع جيرانها المباشرين)، فإنها تلغي الحاجة إلى الكثير من الأجهزة التي تجعل الحوسبة الضوئية صعبة: البوابات والمفاتيح والأجهزة المختلفة مطلوب خلاف ذلك لنقل وتخزين المعلومات المستندة إلى الضوء. وطبيعة النطاق الترددي العالي للحوسبة الضوئية تعني أن الأوتوماتا الخلوية يمكن أن تعمل بسرعة مذهلة. في الحوسبة التقليدية، قد تُصمم الأوتوماتا الخلوية بلغة كمبيوتر، مبنية على طبقة أخرى من لغة “الآلة” أدناه، والتي هي نفسها فوق الأصفار الثنائية والأصفار التي تشكل المعلومات الرقمية.
في المقابل، في جهاز ماراندي للحوسبة الضوئية، فإن خلايا الإنسان الخلوي ليست سوى نبضات ضوئية فائقة القصر، والتي يمكن أن تسمح بتشغيل ما يصل إلى ثلاثة أوامر من الحجم أسرع من أسرع أجهزة الكمبيوتر الرقمية. نظرًا لتفاعل نبضات الضوء هذه مع بعضها البعض في شبكة الأجهزة، يمكنها معالجة المعلومات أثناء التنقل دون إبطاء جميع الطبقات التي تكمن وراء الحوسبة التقليدية. في جوهرها، تُشغل أجهزة الكمبيوتر التقليدية عمليات محاكاة رقمية للأوتوماتا الخلوية، لكن جهاز ماراندي يدير آليًا خلويًا فعليًا.
يقول ماراندي: “الطبيعة فائقة السرعة للعمليات الضوئية، وإمكانية تحقيق الأوتوماتا الخلوية الضوئية على الرقاقة، يمكن أن تؤدي إلى أجهزة كمبيوتر من الجيل التالي يمكنها أداء مهام مهمة بشكل أكثر كفاءة من أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية الرقمية”.
الورقة التي تصف العمل بعنوان “Photonic Elementary Cellular Automata for Simulation of Complex Phenomena” ظهرت في عدد 30 مايو من مجلة Light: Science & Applications.
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
