Optical Computing คืออะไร ? จะเป็นอย่างไรหากคอมพิวเตอร์ใช้แสงแทนกระแสไฟฟ้า

Optical Computing คืออะไร ? จะเป็นอย่างไรหากคอมพิวเตอร์ใช้แสงแทนกระแสไฟฟ้า

คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันส่วนใหญ่พึ่งพากระแสไฟฟ้าในการทำงาน ซึ่งการประมวลผลข้อมูลในระบบคอมพิวเตอร์จะใช้กระแสไฟฟ้าเป็นตัวกลางในการส่งข้อมูล และดำเนินการทางลอจิก (Logic Operation) ต่าง ๆ แต่ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างรวดเร็ว เราอาจจะได้เห็นการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในอนาคต โดยคอมพิวเตอร์สามารถใช้แสงเป็นตัวกลางในการประมวลผลแทนกระแสไฟฟ้าได้ ซึ่งเรียกว่า "Optical Computing" หรือภาษาไทยคือ "การคำนวณเชิงแสง" หรืออีกคำก็คือ "การประมวลผลด้วยแสง" นั่นเอง

ในบทความนี้ เราจะมาทำความรู้จักกับ Optical Computing ให้ลึกซึ้งยิ่งขึ้นว่าเทคโนโลยีนี้คืออะไร ?, มีหลักการทำงานอย่างไร ?, ความแตกต่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไป และมันเป็นอนาคตของคอมพิวเตอร์ยุคใหม่อย่างไร ?

การคำนวณเชิงแสง คืออะไร ? (What is Optical Computing ?)

Optical Computing (การคำนวณเชิงแสง) หรือที่บางครั้งเรียกว่า "Optoelectronic Computing" และ "Photonic Computing" ซึ่งก็คือการใช้แสงในการประมวลผล แทนการใช้กระแสไฟฟ้าเหมือนคอมพิวเตอร์ทั่ว ๆ ไป แสงที่ใช้ก็อาจจะมาจากเลเซอร์ หรือแหล่งกำเนิดแสงอื่น ๆ สาเหตุที่ทำให้มันน่าสนใจก็เพราะว่า "แสง" ซึ่งมีคุณสมบัติด้านฟิสิกส์ที่เดินทางเร็วได้เร็วกว่ากระแสไฟฟ้า และไม่ต้องอาศัยตัวกลาง ทำให้สามารถส่งข้อมูลได้รวดเร็วกว่า และยังมีประสิทธิภาพสูงกว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมอีกด้วย

ภาพจาก : https://www.photonics.com/Articles/Photonics_Reshapes_the_Future_of_Computing/a69683

การใช้แสงช่วยให้ข้อมูลสามารถเคลื่อนที่ไปได้ ในขณะที่ข้อมูลยังถูกประมวลผลอยู่ในเวลาเดียวกัน ไม่ต้องหยุดการเคลื่อนที่ของข้อมูลเพื่อให้คำนวณเสร็จสิ้น ยิ่งทำให้การประมวลผลด้วยแสง จะไม่มีการหน่วงเวลา (Latency) เหมือนกับระบบที่ใช้กระแสไฟฟ้า

หลักการทำงานของ การคำนวณเชิงแสง (How does Optical Computing work ?)

เช่นเดียวกับคอมพิวเตอร์ทั่วไป Optical Computing จำเป็นต้องมีองค์ประกอบสำคัญ 4 ส่วน ได้แก่

ภาพจาก : https://electricalfundablog.com/optical-computer/

1. Optical Processor (หน่วยประมวลผลเชิงแสง) : ทำหน้าที่ประมวลผลข้อมูลโดยใช้แสงผ่านอุปกรณ์พิเศษ เช่น Optical Logic Gates และ Photonic Crystals
2. Optical Data Transfer (การรับส่งข้อมูลด้วยแสง) : ใช้สายใยแก้วนำแสง (Fiber Optic) หรือ Waveguides เพื่อส่งข้อมูลภายในระบบ
3. Optical Storage (หน่วยเก็บข้อมูลเชิงแสง) : ใช้หลักการบันทึกข้อมูลด้วยแสง เช่น Holographic Memory หรือ Quantum Dots
4. Optical Power Source (แหล่งกำเนิดแสง) : แหล่งกำเนิดพลังงานแสง

Optical Logic Gates

Optical Logic Gates ทำหน้าที่คล้ายกับ Logic Gates ที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ทั่วไป ซึ่งจะควบคุมการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านการ "เปิด" และ "ปิด" วงจรไฟฟ้า แต่ใน Optical Computing ใช้แสงแทนอิเล็กตรอน ซึ่งทำให้การทำงานของมันมีความเร็วสูง และแม่นยำมากยิ่งขึ้น

ภาพจาก : https://electricalfundablog.com/optical-computer/

กระบวนการทำงานของ Optical Logic Gates เมื่อแสงถูกปล่อยออกจากแหล่งกำเนิด จะเดินทางต่อไปยัง Gate ที่ทำหน้าที่ควบคุมสถานะของแสงนี้ หากแสงสามารถเดินทางผ่านไปได้ Gate จะอยู่ในสถานะ ON หรือ 1 แต่ถ้าหากแสงถูกบล็อกไว้ที่ใดที่หนึ่งจะทำให้ Gate อยู่ในสถานะ OFF หรือ 0 ซึ่งคล้ายคลึงกับการทำงานของ Transistor ที่ควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้า

การใช้แสงในการควบคุมสถานะนี้ทำให้การประมวลผลของ Optical Logic Gates สามารถทำได้เร็วกว่า และแม่นยำมากขึ้น เนื่องจากแสงสามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยความเร็วสูง และไม่มีปัญหาความร้อนสะสมเหมือนการไหลของกระแสไฟฟ้าในระบบคอมพิวเตอร์ทั่วไป นอกจากนี้ ยังไม่ต้องกังวลเรื่องการสูญเสียพลังงานไปในกระบวนการ ซึ่งมักเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในระบบที่ใช้กระแสไฟฟ้านั่นเอง

Photonic Crystals

Photonic Crystals เป็นวัสดุโครงสร้างพิเศษที่สามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของแสง ผ่านการปรับแต่งคุณสมบัติทางแสงของวัสดุนั้น ๆ ได้ ทำให้ Optical Computing สามารถควบคุมแสงได้ในระดับนาโน ซึ่งเป็นสิ่งที่การใช้สายไฟเบอร์ออปติก หรือ Waveguides (ท่อนำคลื่น) แบบปกติไม่สามารถทำได้

ภาพจาก : https://physicsworld.com/a/shaped-light-waves-penetrate-further-into-photonic-crystals/

Photonic Crystals ถูกออกแบบมาให้สามารถ สะท้อน หรือกรองแสงในความถี่ที่เฉพาะเจาะจง สามารถใช้แทนสายไฟฟ้า และลายทองแดงใน หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ทำให้การส่งข้อมูลเกิดขึ้นในระดับที่เร็วกว่า และมีประสิทธิภาพสูงกว่า ซึ่งสามารถนำไปใช้กับ Optical Logic Gates เพื่อสร้างเงื่อนไขสำหรับการทำงานนั่นเอง

ความแตกต่างระหว่าง คอมพิวเตอร์ที่ใช้การคำนวณเชิงแสง และคอมพิวเตอร์ทั่วไป (Differences between Optical Computing and Conventional Computers)

ทุกคนน่าจะคุ้นชินกันดีกับคอมพิวเตอร์ทั่วไปที่ใช้กระแสไฟฟ้า หรืออิเล็กตรอนในการประมวลผลเพราะว่าเราใช้มันอยู่ทุกวัน กลับกันใน Optical Computing จะใช้โฟตอนแทน โดยที่แสงสามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่ากระแสไฟฟ้าแถมยังมี แบนด์วิดท์ (Bandwidth) ที่สูงกว่ามาก ทำให้สามารถส่งข้อมูลได้ในอัตราที่เร็วกว่าอิเล็กตรอน

คอมพิวเตอร์ทั่วไปจะต้องใช้ สายทองแดง หรือ วงจรไฟฟ้าที่ซับซ้อน ในการควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้า แต่ใน Optical Computing ไม่จำเป็นต้องใช้วงจรไฟฟ้าที่ซับซ้อนเลย ทำให้เครื่องคอมพิวเตอร์ ที่ทำการประมวลผลด้วยแสง มีขนาดที่เล็กลงแต่มันก็ยังเป็นเพียงแค่ข้อสันนิษฐาน เพราะปัจจุบันเจ้าเทคโนโลยีนี้มันยังคงอยู่ในห้องแล็ป ยังไม่ถูกพัฒนาในเชิงพาณิชย์ และตัวมันก็ยังมีขนาดใหญ่อยู่มาก

ภาพจาก : https://www.mtek.co.uk/what-is-a-computer-circuit-board

อีกประเด็นที่สำคัญ ปัจจุบัน Optical Computing มีศักยภาพในการส่งข้อมูลที่ความเร็วสูงถึงระดับ เทราบิตต่อวินาที (Tbps) ซึ่งสูงกว่าการส่งข้อมูลผ่านสายทองแดงแบบดั้งเดิมที่รองรับเพียง กิกะบิตต่อวินาที (Gbps) เท่านั้น ซึ่งความแตกต่างนี้เกิดจากข้อจำกัดพื้นฐานของวัสดุที่ในคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม อิเล็กตรอน เป็นตัวกลางในการส่งสัญญาณไฟฟ้าผ่านลายทองแดง หรือวัสดุเซมิคอนดักเตอร์

โดยอิเล็กตรอนในสายทองแดงสามารถเคลื่อนที่ได้เร็วสูงสุดประมาณ 1% ของความเร็วแสงในสุญญากาศ หรือประมาณ 3,000 กม./วินาที เท่านั้น ในขณะที่ โฟตอน ซึ่งใช้ใน Optical Computing สามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงกว่าอิเล็กตรอนหลายเท่า อยู่ที่ประมาณ 50-75% ของความเร็วแสงในสุญญากาศ หรือ 150,000–225,000 กม./วินาที เมื่อผ่านวัสดุที่ออกแบบมาให้รองรับการประมวลผลด้วยแสง

ด้วยความแตกต่างด้านความเร็วนี้ทำให้ Optical Computing อาจมีศักยภาพในการพัฒนาเป็นส่วนหนึ่งของคอมพิวเตอร์ระดับ Exascale รุ่นต่อ ๆ ไป 

ประโยชน์ และขีดจำกัดของ Optical Computing (Benefits and Limitations of Optical Computing)

Optical Computing มีข้อดีอยู่หลายประการที่สามารถทำให้มันกลายเป็นอีกหนึ่งทางเลือกสำหรับการพัฒนาคอมพิวเตอร์ในอนาคต แต่ในขณะเดียวกันก็ยังมีข้อจำกัดอยู่บางประการ เราลองมาดูกันไปทีละหัวข้อเลย

ประโยชน์ของ Optical Computing

1. ความเร็ว และขนาดที่เล็ก

การใช้แสงในการส่งข้อมูลทำให้ Optical Computing ทำงานได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม โดยที่แสงสามารถเดินทางได้เร็ว และไม่มีปัญหา Latency ข้อมูลจึงสามารถถูกส่ง และประมวลผลได้อย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ขนาดของเครื่องยังสามารถเล็กลงได้มาก เพราะไม่ต้องใช้วงจรไฟฟ้าที่ซับซ้อนเหมือนกับคอมพิวเตอร์ทั่วไป

2. ลดความร้อนสะสม และไม่เกิดปัญหาจากไฟฟ้าลัดวงจร

เมื่อระบบไม่ใช้กระแสไฟฟ้า จึงไม่เกิดปัญหาความร้อนสะสมที่มักพบได้บ่อย นอกจากนี้ยังไม่ต้องกังวลเรื่อง ไฟฟ้าลัดวงจร หรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สามารถทำให้คอมพิวเตอร์เกิดปัญหาได้

3. การประมวลผลแบบขนาน (Parallel Computing)

Optical Computing สามารถประมวลผลข้อมูลหลายชุดพร้อมกันได้เช่นกัน ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญมากสำหรับการใช้งานใน ปัญญาประดิษฐ์ (AI), การประมวลผลข้อมูลขนาดใหญ่ (Big Data Analytics) หรือการทำงานที่ต้องการความเร็วสูงเช่นเอาไปคำนวณสมการง่าย ๆ แต่หลายค่า

ข้อมูลเพิ่มเติม : Parallel Processing คืออะไร ? ทำงานอย่างไร ? รู้จักการประมวลผลแบบขนาน

4. ส่งข้อมูลได้หลายช่องทางพร้อมกัน

อีกหนึ่งข้อดีของการใช้แสงคือ การส่งข้อมูลที่มีแบนด์วิดท์สูง ซึ่งสามารถส่งข้อมูลผ่านหลาย ๆ ช่องทางได้ในเวลาเดียวกัน ทำให้ไม่ต้องรอคิวในการส่งข้อมูลเหมือนกับระบบคอมพิวเตอร์ที่ใช้ลายทองแดง

5. ต้นทุนที่ต่ำกว่า

การผลิตส่วนประกอบที่ใช้ใน Optical Computing มักจะมีต้นทุนที่ต่ำกว่า เพราะวัสดุที่ใช้ในระบบแสงสามารถเข้าถึงได้ง่าย และมีการผลิตในปริมาณมาก

ข้อจำกัดของ Optical Computing

1. การพัฒนา Photonic Crystals ยังคงเป็นเรื่องท้าทาย

การพัฒนา Photonic Crystals หรือวัสดุที่ใช้ควบคุมการเคลื่อนที่ของแสงใน Optical Computing ยังมีความยากลำบาก เนื่องจากมันมีความซับซ้อนในการออกแบบให้ผลิตวัสดุเหล่านี้ให้มีคุณสมบัติที่สามารถใช้งานได้จริง

2. ความซับซ้อนจากการปฏิสัมพันธ์ของหลายสัญญาณ

เมื่อใช้แสงในการประมวลผลข้อมูล การที่แสงหลาย ๆ สัญญาณมาปะทะกันอาจทำให้การคำนวณมีความซับซ้อนมากขึ้น หากไม่มีการควบคุมที่ดี อาจทำให้ผลลัพธ์ผิดพลาด หรือไม่ตรงตามที่คาดหวัง

3. ต้นแบบในปัจจุบันยังมีขนาดใหญ่

แม้ว่า Optical Computing จะมีศักยภาพที่น่าสนใจ แต่ต้นแบบในปัจจุบันยังค่อนข้างใหญ่ และไม่สะดวกในการใช้งานจริง ยังต้องการการพัฒนาอีกมากให้มีขนาดเล็กลง

ภาพจาก : https://news.microsoft.com/source/features/innovation/building-a-computer-that-solves-practical-problems-at-the-speed-of-light/

บทสรุป : อนาคตของ Optical Computing (The Future of Optical Computing)

Optical Computing เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ โฟตอน (Photon) แทนอิเล็กตรอนในการประมวลผลข้อมูล ซึ่งช่วยให้สามารถส่งข้อมูลได้เร็วขึ้น และมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยไม่เกิดการสะสมความร้อนเหมือนในระบบคอมพิวเตอร์ที่ใช้กระแสไฟฟ้า ถึงแม้ว่าในปัจจุบันเทคโนโลยีนี้จะยังมีข้อจำกัด โดยเฉพาะความซับซ้อนในการพัฒนา Photonic Crystals และยังขาดความรู้ความเข้าใจ แต่นักวิจัยก็ยังพยายามหาทางเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้อยู่ หากสำเร็จ Optical Computing ก็จะมีศักยภาพในการประมวลผลข้อมูลขนาดใหญ่ และการใช้งานใน Artificial Intelligence (AI) ให้รวดเร็วขึ้นไปอีก

และเมื่อพูดถึงระบบคอมพิวเตอร์ที่กำลังจะมาแทนที่ในอนาคต อย่าง การคำนวณเชิงควอนตัม (Quantum Computing) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่สามารถแก้ปัญหาที่เกินขีดความสามารถของคอมพิวเตอร์ทั่วไปได้ Optical Computing เองก็มีศักยภาพในการทำงาน ที่เร็วกว่าบางกรณีด้วยโดยเฉพาะในการคำนวณที่ง่ายก็จะทำได้เร็วกว่า ทั้งสองเทคโนโลยีนี้มีโอกาสที่จะทำงานร่วมกันในอนาคต และสามารถเปลี่ยนแปลงวงการคอมพิวเตอร์ และการประมวลผลข้อมูลให้ล้ำสมัยไปอีกขั้น