«Κατέβασμα» μεγάλων αρχείων σε μικρό χρονικό διάστημα, αναπαραγωγή μουσικής και βίντεο απευθείας από ένα σάιτ, τηλεφωνικές συνδιαλέξεις και βιντεοκλήσεις με υψηλή ποιότητα και ελάχιστο ή μηδενικό κόστος. Αν σήμερα εκατομμύρια χρήστες απολαμβάνουν τέτοιες υπηρεσίες διαθέτοντας απλώς έναν υπολογιστή με σύνδεση στο Διαδίκτυο, αυτό οφείλεται στα αμέτρητα χιλιόμετρα οπτικών ινών που συνδέουν όλες τις ηπείρους του πλανήτη, εκτός από την Ανταρκτική. Εξάλλου, παίζοντας τον ρόλο των… ιντερνετικών λεωφόρων, οι οπτικές ίνες διακινούν τις πληροφορίες υπό τη μορφή φωτονίων, ώστε να διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός. Την ίδια στιγμή όμως, η υποδομή του παγκόσμιου ιστού που αναλαμβάνει την αποθήκευση των πληροφοριών και ρυθμίζει την κυκλοφορία τους στο Διαδίκτυο -δηλαδή οι σέρβερ, τα κέντρα δεδομένων και οι δρομολογητές- είναι αρκετά αργή για να αξιοποιήσει στον μέγιστο βαθμό αυτές τις «λεωφόρους».
Μία βασική αιτία είναι ότι τα εξαρτήματα όλων αυτών των μηχανημάτων, όπως οι επεξεργαστές και οι μνήμες, λειτουργούν επικοινωνώντας μεταξύ τους μέσω χάλκινων καλωδίων που μεταφέρουν ηλεκτρόνια και επομένως πετυχαίνουν σχετικά μικρές επιδόσεις. Ωστόσο, ερευνητές από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας (Caltech) υπόσχονται να βελτιώσουν την υποδομή του Ιντερνετ και, κατά συνέπεια, την ταχύτητα του παγκόσμιου ιστού. Με ποιο τρόπο; Με φωτονικά τσιπ τα οποία θα λειτουργούν σαν οπτικές γέφυρες επικοινωνίας, έτσι ώστε τα παραπάνω μηχανήματα να διεκπεραιώνουν πολύ πιο άμεσα τις λειτουργίες τους. Κι αυτό, γιατί τα φωτονικά τσιπ θα επιτρέπουν στα επιμέρους εξαρτήματα, π.χ. ενός κέντρου δεδομένων, να συνδέονται κι αυτά μεταξύ τους με οπτικές ίνες, αφού θα συνεργάζονται ανταλλάσσοντας μεταξύ τους παλμούς λέιζερ αντί για ηλεκτρικά σήματα.
Η εργασία των Αμερικανών επιστημόνων δημοσιεύθηκε πριν από λίγες ημέρες στο περιοδικό Science, όπου περιγράφουν τον τρόπο κατασκευής του φωτονικού τους τσιπ και τις εφαρμογές του. Σύμφωνα μάλιστα με το ίδιο άρθρο, η συσκευή θα αποτελείται αποκλειστικά από πυρίτιο, όπως και τα ηλεκτρονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα, για να κατασκευάζεται από τις βιομηχανίες που παράγουν μέχρι σήμερα και τα συμβατικά τσιπ.
Βέβαια, για τον ίδιο σκοπό αρκετές ιδιωτικές εταιρείες και ακαδημαϊκά ιδρύματα έχουν ήδη αναπτύξει πειραματικά φωτονικά τσιπ: μεταξύ άλλων, η Intel παρουσίασε πέρυσι ένα φωτονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα το οποίο θα έδινε τη δυνατότητα στα εξαρτήματα ενός δρομολογητή, για παράδειγμα, να ανταλλάσσουν μεταξύ τους δεδομένα με ρυθμό 50 gigabits ανά δευτερόλεπτο (Gbps). Η Intel στοχεύει να 25πλασιάσει αυτή την ταχύτητα, μία επίδοση η οποία θα είναι εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από τις σημερινές. Παρ’ όλα αυτά, έως τώρα όλα τα φωτονικά τσιπ παρουσίαζαν ένα σημαντικό πρόβλημα που μετέθετε για πολλά χρόνια αργότερα την κυκλοφορία τους στην αγορά: το γεγονός ότι είχαν ασταθή λειτουργία, με συνέπεια να μη συμπεριφέρονται αξιόπιστα για μεγάλα χρονικά διαστήματα ως οπτικές γέφυρες επικοινωνίας.
Ο λόγος είναι πως ένα φωτονικό τσιπ δεν μπορεί να διαχειριστεί τους παλμούς φωτός με την ίδια πιστότητα που ένα συμβατικό ολοκληρωμένο κύκλωμα απομονώνει τα ηλεκτρικά σήματα – κάτι που τα συμβατικά τσιπ καταφέρνουν χάρις στις διόδους, ένα ηλεκτρονικό στοιχείο το οποίο επιτρέπει στο ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει μόνο προς τη μία κατεύθυνση, μπλοκάροντας την κίνηση των ηλεκτρονίων κατά την αντίθετη φορά. Επειδή μέχρι σήμερα δεν υπήρχε ένα ανάλογο στοιχείο το οποίο να καταφέρνει το ίδιο με τα οπτικά σήματα -μία δηλαδή φωτονική δίοδος- συχνά διαφορετικοί παλμοί αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσα στο τσιπ, κάνοντάς το να εμφανίζει σφάλματα. Και, παρά τις προσπάθειες πολλών επιστημονικών ομάδων εδώ και δύο δεκαετίες να αναπτύξουν μία μέθοδο ελέγχου της φοράς κίνησης των παλμών, μέχρι σήμερα αυτό δεν είχε επιτευχθεί.
Φωτονική δίοδος
Οι ερευνητές όμως από το Caltech υποστηρίζουν πως κατάφεραν να αναπτύξουν μία αποτελεσματική φωτονική δίοδο, η οποία έχει τη μορφή μιας λεπτής ταινίας από πυρίτιο, πάχους μόλις 800 δισεκατομμυριοστών του μέτρου. Πιο συγκεκριμένα, η εν λόγω ταινία επιτρέπει σε έναν παλμό να διέρχεται ελεύθερα όταν διαδίδεται προς την επιθυμητή κατεύθυνση. Παράλληλα, διαταράσσει σε τέτοιο βαθμό τα οπτικά σήματα που κινούνται αντίθετα, ώστε να τα εξουδετερώνει για να μην μπορούν πλέον να προκαλέσουν παρεμβολές. Ανοίγοντας με αυτό τον τρόπο τον δρόμο για την παραγωγή των πρώτων φωτονικών τσιπ που θα λειτουργούν ακριβώς όπως προγραμματίζονται, με συνέπεια να αυξήσουν την ταχύτητα όσων μηχανημάτων εμπλέκονται στη λειτουργία του παγκόσμιου ιστού.
Πιο οικονομική λειτουργία
Τα φωτονικά τσιπ δεν θα δώσουν μόνο τη δυνατότητα για πιο γρήγορες ιντερνετικές συνδέσεις, αλλά και θα επιτρέψουν την πιο οικονομική λειτουργία του παγκόσμιου ιστού, μειώνοντας παράλληλα την επιβάρυνση που προκαλεί αυτός στο περιβάλλον. Αλλωστε, το γεγονός ότι τα εξαρτήματα των σέρβερ θα συνδέονται πλέον με οπτικές ίνες και όχι με χάλκινα καλώδια, αφού θα επικοινωνούν με παλμούς λέιζερ, σημαίνει πως θα μπορούν να τοποθετηθούν σε μεγαλύτερες αποστάσεις μεταξύ τους, ώστε να μην υπερθερμαίνονται εύκολα. Ετσι, θα χρειάζονται μικρότερα συστήματα ψύξης, τα οποία θα κρατούν χαμηλά τη θερμοκρασία καταναλώνοντας λιγότερο ρεύμα και προκαλώντας επομένως περιορισμένες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο αντιστοιχεί άλλωστε στο 50% των χρημάτων που δαπανούν ιντερνετικοί κολοσσοί όπως το Facebook ή η Google για να διατηρούν τεράστιες «φάρμες» από σέρβερ.
Από την άλλη μεριά, τα φωτονικά τσιπ αναμένεται να χρησιμοποιηθούν και σε υπερυπολογιστές για να αυξήσουν τις επιδόσεις τους, αφού θα επιτρέπουν στις επιμέρους μονάδες αυτών των συστημάτων να συνεργάζονται με μεγαλύτερη ταχύτητα, ανταλλάσσοντας οπτικά σήματα. Και η ίδια τεχνολογία θα μπορεί κάλλιστα να χρησιμοποιηθεί στο μέλλον, ώστε οι οικιακοί υπολογιστές να συνδέονται με μια σειρά από περιφερειακά, όπως εξωτερικά αποθηκευτικά μέσα, μέσω οπτικών ινών. Πετυχαίνοντας έτσι τη μεταφορά αρχείων μεγάλου μεγέθους σε κλάσματα του δευτερολέπτου.