ثورة التقنيات الضوئية في عالم الكمبيوتر... إمبراطورية التيرابايتات
- وهدان وهدان
هل تتخيل إنه صار بإمكان رقاقة معدنية صغيرة تخزين بيانات ومعلومات بحجم يصل إلى مليارات البايتات؟.. لسنوات قليلة خلت كان الحديث عن تخزين غيغابايت واحد من المعلومات (ما يعادل بايت أو ألف مليون ميغابايت) يعتبر فكرة تصلح لفيلم من الخيال العلمي. والأبحاث الجارية تبشر بقدرات خزن جديدة تصل إلى مئات التيرابايتات وربما البيتابايتات. لمعرفة المزيد عن هذا الموضوع ندعوكم لزيارة "إمبراطورية التيرابايتات" الجديدة التي باتت حديث التقنيين وعلماء الكمبيوتر في هذه الأيام.
بداية وقبل الشروع في بحث تفاصيل تقنيات التخزين الجديدة لابد من شرح ماهية القرص الحامل لهذا الكم من المعلومات والبيانات الرقمية. يعتبر القرص الصلب من المكونات الأساسية للكمبيوترات الحديثة، وكانت البديل الأفضل للكارتات المثقبة أو الأشرطة الممغنطة التي كانت تستخدم في السنوات الماضية لحفظ المعلومات، ويعود ابتكار أول سواقة (Drive) للقرص الصلب إلى العام 1965 كجزء من آلة بنَتها شركة (أي بي أم) آنذاك وأسمتها "راماك"، ووقتها لم يكن باستطاعة القرص الصلب تخزين سوى بضعة ملايين من البايتات (والبايت وحدة وصف المعلومة الرقمية وتتكون من ثمانية وقفات "بايت"). وكان القرص آنذاك ضخماً (قطره نحو 51 سنتيمتراً)، وبطيئاً يدور بسرعة 1200 دورة في الدقيقة، وتحفظ المعلومات بالترسيم المغناطيسي على طبقة رقيقة جداً من البلاستيك تغطي القرص المصنوع من معدن الألمنيوم.
ويمتاز القرص الصلب عن الشريط التقليدي بنقاط أساسية منها: سرعة انتقاء أي نقطة على القرص من خلال سرعة الدوران وخفة حركة الرأس القارئ / الكاتب (R/W) الذي يدور القرص تحته بسرعة 762 ألف سنتيمتر في الثانية، أو 272 كيلو متراً في الساعة، ولا يلمس الرأس القارئ / الكاتب سطح القرص عادة، إنما يطفو فوقه على عكس الحالة في الشريط الممغنط.
إن أهم أهداف استخدام جهاز الكمبيوتر هو تخزين المعلومات واسترجاعها في أي وقت، وتعتمد الأجهزة على وحدات التخزين التي تقسم إلى ثلاثة أنواع رئيسية: كهربائية، مغناطيسية، ليزرية.
النظام الرقمي الثنائي
يعالج الكمبيوتر المعلومات عادة باستخدام النظام الرقمي الثنائي المكون من رقمين فقط، صفر وواحد. فالصفر يمثل الإغلاق والواحد الفتح للدارات والمهام الرقمية، ويطلق على الصفر وحدة معالجة بالبت، وأما وحدة البايت (Byte) المكونة من ثماني وحدات بت، فتستخدم لقياس سعة أجهزة التخزين، مثل الأقراص المرنة والأقراص الصلبة، ويمثل البايت حرفاً واحداً الذي يمكن أن يكون حرفاً أبجدياً أو رقما عددياً أو رمزاً، ويساوي الكيلو بايت نحو 1024 بايت. ومن ناحية أخرى تعتمد أقراص التخزين المغناطيسية على ترسيم المعلومات بشكل شحنات مغناطيسية، وليست كهربائية، وهي تتمثل بالقرص الصلب ورديفه المرن، والنوع الثالث من وحدات التخزين ليزري، ويتم فيه تخزين المعلومات على شكل شحنات ضوئية (ليزرية) على أقراص مضغوطة بحجم يصل نحو 700 بايت. وتخزن المعلومات في القرص الصلب على سطح أسطوانة مقسمة إلى قطاعات دائرية وخطوط تكون على شكل فطائر إسفينية، ويحتوي كل قطاع دائري على البيانات (256، 512)، وتجمع عادة القطاعات على مستوى السواقة أو نظام التشغيل بشكل مجموعات عنقودية. وتخزن المعلومات الرقمية على قرص بشكل ملفات مكونة من مجاميع البايتات التي تؤدي وظائف محددة في تشغيل الكمبيوتر، كالأوامر التنفيذية، أو رمز اللون، أو رمز الصور.. إلخ.
محدودية السليكون
تحاول الأبحاث الآن الوصول بالمعالجات المصنوعة من السيلكون إلى أقصى سرعة متاحة، فهل تكون هذه النهاية ويتوقف الأمر عند هذا الحد؟ ربما تكون الإجابة في تقنية الكمبيوتر الضوئية، إذ قضت المعالجات المصنوعة من السيلكون في فترة الخدمة حتى الآن أكثر من ثلاثين عاماً، وربما تقضي في الخدمة عشر سنوات أخرى، ولكن عندما يصل التصغير بسرعة إلى أقصى حد ممكن من الشرائح الإلكترونية من السيلكون سيصبح إحالة شرائح السيلكون إلى التقاعد أمراً محتماً، لأن المستقبل يعني في الكمبيوتر السرعة والصغر، وهما مضمار سباق لا هوادة ولا رحمة فيهما، ويعتقد الخبراء إنه بحلول العام 2017، لن تصبح عملية شرائح السيلكون في صناعة الكمبيوتر، ولن تسمح بالوصول إلى السرعات المطلوبة في الوقت نفسه (ربما 100 ميغاهيرتز وربما تيراهيرتز وربما يتم ابتكار معيار للسرعة غير الميغا وغير التيراهيرتز).
والبدائل لشرائح السليكون من المتوقع أن تكون التقنية الكمية، أو تقنية الشريط الحيوي، ولم تستخدم أي من التقنيتين لتكوين أو تصميم جهاز كمبيوتر عملي متعدد الاستخدام فلكل منهما مستقبلها، وإن كان يشوبه بعض الغموض، كما أنهما ليستا التقنيتين الوحيدتين لتصنيع المعالجات، فهناك تقنية كمبيوتر أخرى جديدة يفكر فيها أغلب الخبراء، وهي تقنية الكمبيوتر الضوئية أو الفوتونية، والتي تعني تصنيع المعالجات ومكوناتها من مواد ضوئية أو فوتونية، أي تتعامل مع الضوء ولا تتعامل مع الإلكترون.
الإلكتـرون البـطيء
هناك وسيلتان لزيادة سرعة الكمبيوتر، إما بجعل المعالج سريعاً في حد ذاته بتصنيعه بتقنية وترتيب المكونات داخله بأسلوب معين، أو باستخدام عدد كبير من المعالجات بشكل متواز تعمل جميعها معاً في الوقت نفسه، وكل من تقنية الكوانتم وتقنية الشريط الحيوي يعملان بشكل متواز، بل ويعتمدان أصلاً على التوازي، وهذا سر أدائها. وأما التقنية الضوئية فتعتمد على معالج ضوئي واحد سريع في حد ذاته، والعقبات التي تعترض سباق السرعة في معالجات السيلكون كثيرة ومتعددة، ولا ينبغي أن نغفل القول إن الإلكترونات بطيئة جداً، ولو لم تكن بطيئة لما كانت تلك الحرب الضارية والسباق الشرس على تصغير حجم المعالج والترانزستورات إلى أقصى حد، ولأن الإلكترونات بطيئة فإن الحل المنطقي الوحيد هو تقليل المسافات التي تقطعها هذه الإلكترونات، ولكن للتصغير مشاكله أيضاً التي تختلف عن الصعوبات الخاصة بعمليات التسجيل الضغطي عند اقتراب الحجم من الطول الموجي للضوء حتى لو كان الضوء فوق البنفسجي شديد القصر في الموجات الضوئية، مما يؤدي إلى زيادة التسخين والتأثير المدمر مثل الاختراق الميكانيكي الكمي.
حركـة الإلكترونات
تعتمد سرعة الإلكترونات وحركتها على قوة الفولط ودرجة الحرارة ومجموعة العوامل الأخرى، وليس من المجدي التقليل المستمر لقوة الفولط لتقليل تسرب الحرارة، والحد الأقصى لسرعة الإلكترون 100 ألف متر في الثانية، في حين إن سرعة الضوء 300 مليون متر أو 300 ألف كيلو متر في الثانية (أي أسرع من الإلكترون بنحو ثلاثة آلاف مرة)، ولن تكون الاتصالات الضوئية السريعة ذات قيمة إذا كانت عمليات المنطق الضوئي بطيئة، ولكن التقنية الضوئية تحمل لنا الأمل في مفاتيح أسرع وعمليات منطق أسرع بكثير من المفاتيح التقليدية، والسبب في سرعة المفاتيح هو عدم تفاعل الفوتونات مع بعضها بعضاً، حيث لا تحمل أي شحنات كهربائية أو مجالات محيطة بها، وليست المشكلة في أن صناعة المفاتيح أمر مستحيل، ولكن من عدم جدواها عملياً في الوقت الحالي، والعلماء يصنعون المفتاح الضوئي حالياً من مواد يتغير معامل انكماشها عندما يخترقها شعاع ليزر قوي.
وبهذه الطريقة يمكن تغيير مسار شعاع ضوء آخر بتمريره خلال تلك المادة، ووجد أن المادة التي تتميز بهذه الخاصية هي مادة الليثيوم نيوبيت (LithiumNiobate)، ومشكلة المفتاح الضوئي الخالص، وبالأخص مشكلة بلورات الليثيوم نيوبيت، وأغلب المواد الضوئية الأخرى غير الخطية، هي أن شعاع الفتح والإغلاق لابد أن يكون قوياً جداً، وهذا يعني أن أغلب أجهزة الكمبيوتر الضوئية ستكون شرهة في استهلاك الطاقة وتسريب الحرارة الناجمة عن المفاتيح الضوئية، مما يتسبب في مشكلة جديدة، ولهذا يبتعد أغلب الباحثين حالياً عن تقنية المعالجات الضوئية بسبب صعوبة وتعقيد مشاكلها الفنية، والاتجاه السائد حالياً هو استخدام التقنية الضوئية في المكونات التي تصلح لتصنيعها من المواد الضوئية، بدلاً من محاولة تطبيق التقنية الضوئية في مكونات ومجالات من الأفضل تركها للتقنية الإلكترونية.
كان معالج (إنتل - 4004) أول معالج في التاريخ يحتوي على 16 دبوساً فقط، وبعد مرور ثلاثين عاماً يحتوي معالج (بنتيوم - 4) على حوالي 423 دبوس توصيل، وعندما نفتح أي جهاز كمبيوتر وننظر إلى اللوحة المركزية، فإننا لا نرى المعالج نفسه ولكننا نرى الأسلاك والتوصيلات المتصلة به. ومن السهل صناعة هذا العدد من الوصلات مقارنة بصعوبة تصنيع المعالج نفسه الذي يبدو في شكل مستطيل صغير من السيلكون، ولا يقتصر الأمر على ذلك، فهناك المشاكل الميكانيكية العديدة التي تنجم عن حشر عدد كبير من الأسلاك في مكان صغير، فلابد أن تكون الأسلاك رفيعة حتى يمكن تثبيتها بسهولة مما يؤدي إلى زيادة مقاومتها وهذه مشكلة أخرى، ولابد من توصيلها بجوار بعضها بعضاً.
مبدئياً لا يبدو هذا الاقتراح معضلة عسيرة أو صعبة التنفيذ، فعندما تحتاج إلى بيانات من معالج وبدلاً من توصيل سلك بحافة المعالج يمكنك استخدام صمام ثنائي من الليزر في نقطة إصدار إشارة البيانات على المعالج، وعندما تريد إدخال أمر في المعالج يتم إدخال صمام ضوئي ثنائي على سطح الشريحة، ويلتقط الصمام الضوئي الثنائي الموجود على إحدى الشرائح الإلكترونية شعاع الليزر المنبعث من صمام الليزر الثنائي المثبت على شريحة أخرى، وهكذا نكون قد وجدنا بديلاً للوصلات السلكية، ومن مميزات الوصلات الضوئية أن أشعة الليزر لا تتداخل ببعضها ولا تحتاج إلى مواد عازلة أو إشارة إلكترونية مثل الأسلاك العادية، بل ولا تحتاج إلى فراغ ومساحة كبيرة لحشرها مثل الأسلاك وبدون أي آثار جانبية، وقد ابتكرت الأبحاث الأوروبية توصيلات ضوئية عالية السرعة في مساحة فارغة بين معالجات الكمبيوتر بمعدل نقل بيانات وصلَ إلى واحد تيرابايت من البيانات (التيرابايت يساوي ألف غيغابايت)، بينما سعة الذاكرة في (بنتيوم – 4) تصل إلى 40 غيغابايت، وعلى الرغم من أن هذه السعة تعد إنجازاً بالنسبة للمعالج السابق، ولكنها بطيئة للغاية عن مقارنتها بأول رقم تحققه الألياف الضوئية في نقل البيانات بنسبة تصل من واحد إلى عدة مئات.
الهولوغـراف
ويعكف العلماء الآن على تطوير تقنيات خزن المعلومات بأبعاد ثلاثية فيما تسمى بتقنية الهولوغراف، خلافاً لتقنية أشباه الموصلات التي تستعمل مساحة ثنائية الأبعاد، كما إنه بالإمكان دمج العديد من الهولوغرافات في نفس الحجم، مما يتيح خلق أبعاد جديدة للسعة التخزينية وزمن الوصول للبيانات. وفكرة الهولوغراف لم يتم تطبيقها عملياً إلا بعد اكتشاف الليزر، لأنها تحتاج إلى شعاع ضوئي وحيد اللون مستقطب ومترابط زمانياً ومكانياً، وهي الخصائص التي يتمتع بها شعاع الليزر، وباستخدام ليزري ذي طول موجي 500 نانوميتر يمكن تخزين نحو تيرابت من المعلومات في السنتيمتر الواحد، وتتم معالجة كل صفحة من البيانات في التخزين الهولوغرافي بواسطة كاشف ضوئي مرة واحدة، أي إن معلومات الصفحة تنتقل جميعها في اللحظة نفسها وليس بعملية توالي البت، ولهذا فإن سرعة تداول البيانات ستكون أكبر، ويمكن في هذه الحالة مثلاً معالجة غيغابيت في الثانية الواحدة، أي أسرع بمئة مرة من قراءة البيانات المخزنة على الأقراص المدمجة حالياً.
الأسطوانة الفلورسنتية
يعتقد كثير من الباحثين إنه كلما قصر الطول الموجي لشعاع الليزر إلى الطول الموجي نفسه للضوء الأزرق أو البنفسجي مثلاً أمكن قراءة أدق التفاصيل، وتزيد قدرة تخزين المعلومات في مساحة معينة، ومع ذلك لا يتعدى الفرق في الطول الموجي من نهايته إلى القطاع المرئي إلى الآخر مقدار اثنين، وإذا علمنا أن كثافة تخزين البيانات تتناسب تناسباً عكسياً مع مربع الطول الموجي (كلما قصر الطول الموجي لشعاع الليزر زادت كثافة المعلومات في مساحة معينة)، وبات من الواضح أن فرصة زيادة كم البيانات التي يمكن تخزينها على أسطوانة الليزر محدودة بالقدرة على تغيير الطول الموجي لشعاع الليزر فقط.
ويشير الباحثون أن الوسيلة الوحيدة لتطوير أسطوانة الليزر إلى أسطوانة DVD تمثلت في تغيير عدد طبقات الألمنيوم في كل جانب، فالتخزين على أسطوانة DVD تخزين حجمي، فالبيانات تخزن من خلال حجم المادة التسجيلية وليس على السطح كما هو الحال في أسطوانة الليزر، ولهذه الأسباب جرى ابتكار الأسطوانة الفلورسنتية متعددة الطبقات التي تستخدم تقنية الفلورة في أدائها، فعندما يسقط ضوء ذو طول موجي معين على مادة فلورسنتية تصدر ضوءاً ذا طول موجي أكبر بتردد منخفض، ويمكن استخدام وجود أو غياب الصبغة الفلورسنتية في الطبقة التخزينية على أسطوانة معينة لتخزين البيانات الثنائية، وبتسليط عدسة ليزر على الأسطوانة وفحص الأجزاء التي تشع ضوءاً بالتردد الفورسنتي يمكن قراءة البيانات المخزنة في مثل هذه الطبقة، وهكذا يمكن وضع عدد كبير من طبقات التخزين في أسطوانة واحدة وقراءة البيانات عليها بالتركيز على طبقة معينة بعكس التسجيل الانعكاسي في أسطولنة الليزر، حيث لا تنخفض قوة الأشعة الصادرة خلال الطبقات الوسيطة، وأمكن صناعة أسطوانات تحتوي على مئة طبقة تخزينية.
إن خبراء المعلوماتية واثقون من إنه باستخدام هذا العدد من الطبقات التخزينية (مئة طبقة)، واستخدام الشعاع الأزرق لتقليل حجم التركيز يمكن إنتاج أسطوانة تصل قدرتها التخزينية إلى واحد تيرابايت (ألف جيغابايت)، ويخطط الآن لإنتاج أسطوانة تحتوي على عشرة طبقات تخزينية فقط كباكورة إنتاج وسعتها التخزينية تصل إلى 140 غيغابايت، وتستخدم تقنية الفلورسنتية متعددة الطبقات في تصنيع جهاز تخزيني في حجم بطاقة الائتمان، وميزة القرص الصلب إنه لن يحتوي على أجزاء متحركة مثل أسطوانات الليزر DVD الحالية، ويطلق على الجهاز التخزيني الجديد اسم "كلير كارد" (ClearCard)، ويستخدم بدلاً من عدسة القراءة عدستين للقراءة، ويطلق عليهما اسم (CCD – Charge Coupled Device)، وقد تم فعلاً إنتاج نموذج يستطيع تخزين واحد تيرابايت، وسرعة نقل البيانات فيه تساوي واحد جيغابايت في الثانية.
على الرغم من أن الأسطوانة الفلورسنتية متعددة الطبقات متطورة عن أسطوانة الليزر وعن أسطوانة DVD بمراحل عديدة، ولكنها تفتقر إلى ذاكرة التخزين الحجمية الكاملة، فعلى الرغم من قراءة البيانات من مئة طبقة فوق بعضها بعضاً، لاتزال الأسطوانة الفلورسنتية متعددة الطبقات مسطحة بشكل أساسي، وإذا استطاعت هذه الأسطوانة تطبيق وسط تخزين ذي عمق كبير ستزداد سعتها التخزينية مرات عدة. ومع هذا التسارع يتوقع خبراء المعلوماتية أن تصل سعة الخزن في العام 2017 إلى نحو 120 تيرابايت، وبمعنى عملي سيصبح بإمكان قرص واحد بقدرة خزن مماثلة حفظ مجموعة كتب، كالتي موجودة في مكتبة الكونغرس الأمريكي، والتي تبلغ نحو 24 مليون مجلد على خمس القرص المدمج فقط، وهذا يعني إنه يمكن جمع المعارف الإنسانية جميعها وخزنها على قرص مدمج واحد.. وإن غدا لناظره لقريب.
إمبراطورية التيرابايتات
العرض العادي
