الرئيسية - المساحة الإخبارية - هل تكون المواد الكهربائية الحديدية هي مستقبل الحوسبة؟

هل تكون المواد الكهربائية الحديدية هي مستقبل الحوسبة؟

في مجال الصناعة التقنية المتعلقة بالحواسيب والمعالجات الحاسوبية، فإن السليكون هو العصب الأساسي لهذه الصناعة حتى الآن، فهو المادة الخام التي يتم تشكيل الدارات المتكاملة منها، وتكوين العناصر نصف الناقلة الموجودة ضمن هذه الدارات المتكاملة، والتي أهمها فيما يتعلق بالصناعة الحاسوبية: المعالجات. وفعلياً، فإن أهم ما يجب التركيز عليه في الصناعة التقنية هو الترانزستور، فهو الوحدة الأساسية التي يتم بناء المعالجات الحاسوبية منها.

وبعد عدة عقود من التحديث والتجديد المتكرر، بدأت علامات الكبر تظهر على الترانزيستور السيلكوني، وبدأ المُصنّعون بالبحث عن بدائل. يتضمن أحد الخيارات طريقةً جديدة للتلاعب بخواص مادة يتم استخدامها في صناعات الحواسيب حالياً. في حال نجاح هذا الخيار، سيؤدي ذلك إلى مُعالجاتٍ حاسوبية ذات كفاءة عالية من ناحية الطاقة وقادرة على القيام بالحوسبة وتخزين الذاكرة في آن واحد.

أثناء بعض التجارب العشوائية، وجد الباحثون أن المواد التي تتميز بخواص كهربائية حديدية Ferroelectric Materials – والمُستخدمة على نطاق واسع لتخزين البيانات باستخدام الشحنة الكهربائية – تستطيع أن تتحول بين أربع حالات مختلفة. حيث قد يستطيع ترانزيستور مصنوع من تلك المواد استخدام تلك الحالات الأربع لإظهار أكثر من ‘0’ و ‘1’ التي تمثل أساس في نظام المنطق الرقمي المُستخدم حالياً، ويمكن أن تحافظ على كلٍّ من هذه الحالات دون الحاجة لمصدر طاقة خارجي، وقد تتمكن من معالجة المعلومات وتخزينها في نفس الوقت.

حيث أننا بتقليص الترانزستورات السيلكونية إلى مستوى الأبعاد النانوية، نقوم أيضاً بإيصالها إلى حدود قُدراتها، مما يسبب بمشاكل في استهلاك الطاقة، تبديد الحرارة والسرعة. قد نحتاج إلى أجهزة تعمل بطرق مختلفة في أساسها لتخطي هذه المشاكل، يقول Thomas N. Thesis، عالم لشركة IBM في مركز واتسون للأبحاث في مدينة نيويورك، والمدير التنفيذي لمبادرة أبحاث الالكترونيات النانوية Nanoelectronics Research Initiative ضمن مُنظمة أبحاث أنصاف النواقل.

تَكمن أهم ميزة للمواد الكهربائية الحديدية أنها ليست جديدة في مجال صناعة أنصاف النواقل، كما يقول Lane Marin، عالم مواد في جامعة كاليفورنيا، التي ترأست هذا البحث الجديد. بدأت الشركات المُصنعة مثل Fujitsu و Texas Instruments وغيرها بتصنيع أجهزة ذاكرة من هذه المواد. “نحن نعمل على نسخة جديدة من هذه المواد، حيث إذا أرادت الشركات أن تتبناها، لا تحتاج إلى انتظار عشر سنوات من العمليات والتجارب،” كما هي العادة للمواد الجديدة، كما يقول Martins.

يتعاون Martin مع عالم الفيزياء النظرية Andrew Rappe من جامعة بنسلفانيا لمُحاكاة واختبار الكهربائيات الحديدية.

كما في الترانزيستور المصنوع من السيلكون، من الممكن جعل خلايا هذه المواد تتحول بين الحالات المُختلفة لإظهار بتات من المعلومات. لكن الاختلاف يوجد في الأساس الفيزيائي لهذا التحول. وبدلاً من التحول بين الحالتين الناقلة للكهرباء والعازلة لها، تُغَير المواد الكهربائية الحديدية من استقطابها الكهربائي Electrical Polarization – أي اتجاه الشحنات بين المواد.

تمتلك المواد ذات الخواص الكهربائية الحديدية استقطاباً كهربائياً مُعتدل، ومن الممكن قلب الشحنات إلى الاتجاه المعاكس باستخدام حقل كهربائي. إلى الآن، تمتلك هذه العملية، التي تستغرق بضعة نانو ثانية، السرعة الكافية لتخزين البيانات، لكنها بطيئة جداً لمُعالجتها، وتستهلك قدراً كبيراً من الطاقة.

تنبأ Rappe أنه بإنشاء كريستالات كهربائية حديدة في زاوية مُعينة، وتطبيق حقل كهربائي من زاوية مُختلفة عن التي تُستخدم عادةً، ستتحول المواد بشكلٍّ مُختلف. حيث يوجد حالات غير الحالة العليا والسفلى، وهي حالة وسطية يَدعوها Martin “حالات جانبية Side States”.

صنع Martin خلايا من عدة مواد كهربائية حديدية، بما فيها خليطة الرصاص والزركونات والتيتانات – حيث الزركونات عبارة عن مركب أوكسجيني يحتوي على ذرة زركونيوم (Zr) والتيتانات عبارة عن أكسيد التيتانيوم – وأظهرت أنها تستطيع التّحول بشكل أسرع، وبجهد أقل، عندما تتحول من الحالة العليا إلى الجانبية إلى السفلى، مما عندما تتحول من الأعلى إلى الأسفل مباشرةً. يقول Martin أن هذه التحولات الكهربائية الحديدية تعمل أيضاً على الأقل أسرع بمرتين أو ثلاث من التصاميم العادية.

يبدو أن هذا العمل سيمثل “تقدماً كبيراً جداً” في فهم هذه المواد، كما يقول Thesis من IBM.

يقول Martin أنه مع Rappe يريد الذهاب لاستخدام الكهربائيات الحديدية في أماكن غير الذاكرة. تطرح أحد الأفكار دمج هذه المواد مع السيلكون لصنع ترانزيستورات ذات أساس من نوع جديد. سيكون هذا الجهاز ذو كفاءةٍ عالية في استهلاك الطاقة ويستطيع دمج الحوسبة والذاكرة في مكان واحد، كما يقول Martin. “عندها يمكنك العودة حيث كنت تَعمل إذا انقطع التيار – الذي يُعتبر مناسباً للاستخدامات المنزلية وقد يوفر المال لمراكز البيانات،” كما يقول Martin.

هذه المواد ليست الوحيدة المُرشحة لخلافة السيلكون. تَعرّف في مقال آخر عن المواد مُتغيرة الطور.

المصدر: MIT Technology Review

عن Michel Aractingi

طالب هندسة كهرباء في جامعة البلمند

اضف رد

لن يتم نشر البريد الإلكتروني . الحقول المطلوبة مشار لها بـ *

*

x

‎قد يُعجبك أيضاً

(11) حاسب يتسع براحة يدك!

الحواسيب الشخصية أصبحت محمولة بشكل جنوني! حتّى أنّ بعض الحواسيب المكتبية الموجودة اليوم تجعل الحواسيب ...