تحطيم حدود جديدة: كيف يمكن لتعديل “مراكز اللون” في الألماس أن يغيّر تخزين البيانات؟

مراكز اللون في الألماس هي شيء كان الباحثون والمجتمع العلمي مهتمين به كثيرًا في الفترة الأخيرة. قبل الغوص أعمق في كيفية مساعدتها لتلبية احتياجات التخزين المتزايدة لدينا، دعونا نفهم بسرعة ما هي هذه مراكز اللون في الألماس.

ما هي مراكز اللون؟

مراكز اللون هي عيوب داخل بنية الروابط في المادة. الروابط، في هذه الحالة، تشير إلى الجذب الدائم بين الذرات أو الأيونات داخل الجزيء. القوة التي تربط الذرات أو الأيونات قد تكون قوى كهروستاتيكية بين الأيونات ذات الشحنات المتقابلة. قد تنبع أيضًا من مشاركة الإلكترونات.

يمكن أن تظهر العيوب داخل بنية الروابط بأشكال مختلفة، مثل الفجوات، والإكسيتونات، والفراغات، أو الشوائب. الإكسيتونات ليست سوى إلكترونات عالقة في حالات مُثارة. 

تعيش مراكز اللون كنقاط محلية في المادة حيث تغيرت بنية الروابط. يؤدي تكوين مراكز اللون إلى تغيير الانكسار الجزيئي للمادة. ومع ذلك، في حالة الألماس، تُثبت مراكز اللون فائدتها للتطبيقات الكمومية.

الأهم من ذلك، أن المجتمع العلمي كان يبحث مراكز اللون خلال السنوات القليلة الماضية بسبب خصائصها البصرية المحسنة. وجدوا أن مركز النيتروجين-الفراغ مفيد بشكل خاص لحالته الأرضية ذات اللف المغزلي العالي مع زمن تماسك مغزلي ملائم من درجات الحرارة المتجمدة إلى درجة حرارة الغرفة.

مؤخرًا، طور الفيزيائيون في كلية المدينة بجامعة نيويورك (CCNY) ابتكروا تقنية يمكنها أن تعزز وتوسّع سعة تخزين البيانات في الألماس.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل شركات الحوسبة السحابية.

اختراق تخزين البيانات الضوئي: مراكز اللون في الألماس واختراق علمي

البحث، الذي يحمل عنوان “تخزين بيانات ضوئي قابل للعكس تحت حد الانحراف”، يركز على تقنية تعدد التخزين في المجال الطيفي. وهذا يعني إمكانية تخزين صور متعددة مختلفة في نفس الموقع داخل الألماس. كل ما يتطلبه الأمر هو استخدام ليزر بلون مختلف قليلًا. وبالتالي، سيؤدي ذلك إلى تخزين معلومات متنوعة في ذرات مختلفة تشترك في نفس البقعة الميكروسكوبية.

وفقًا لتوم ديلورد، الباحث ما بعد الدكتوراه في CCNY، فإن الطريقة قادرة على الوصول إلى “تطبيقات الحوسبة” التي تتطلب “تخزينًا عالي السعة”.

لتحقيق ما وصلوا إليه حتى الآن، اضطر العلماء في CCNY إلى التحكم في الشحنة الكهربائية لمراكز اللون. وقد نجحوا في ذلك باستخدام ليزر ضيق النطاق وظروف تجميد دقيقة جدًا. ومن المناسب الإشارة هنا إلى أن علم التبريد هو الدراسة العلمية للمواد وسلوكها عند درجات حرارة منخفضة للغاية.

وفقًا للباحثين، ساعدتهم الطريقة في:

كتابة وقراءة وحدات بيانات صغيرة بمستوى أدق بكثير مما كان ممكنًا سابقًا، حتى مستوى ذرة واحدة.

لماذا يُعد هذا الاختراق مهمًا؟

في الأساس، يُظهر لنا البحث طريقة لتخزين المزيد من البيانات في مساحة محدودة. وهذا يصبح أكثر أهميةً مع تزايد أهمية الأبحاث والتطورات المرتبطة بها لعصرنا الحالي. وتُبرز ضرورة هذه التطورات حقيقة أن حجم البيانات التي نحتاج إلى تخزينها يتزايد بصورة أسية كل يوم.

في السياق، وفقًا لأحدث الأبحاث، هناك 64 زيتابايت من البيانات في العالم بصيغة رقمية فقط، حيث يساوي الزيتابايت الواحد تريليون جيجابايت. ومن المدهش أن 90٪ من بيانات العالم تم إنشاؤها خلال العامين الماضيين. يُقدّر أنه بحلول عام 2025، سيصل حجم البيانات العالمي إلى ما بين 150-175 زيتابايت، مع تحمّل أجهزة إنترنت الأشياء وحدها مسؤولية 90 زيتابايت من هذه البيانات.

نظرًا لهذا الارتفاع الهائل في إنشاء البيانات، يمكن للحل المطور عبر التحكم في مراكز اللون في الألماس أن يساعد في تخزين المزيد من البيانات دون جهد كبير، مما يؤدي إلى توسيع كبير في مساحة التخزين الفيزيائية. هذا التقدم يأتي في الوقت المناسب، نظرًا للطلب المتزايد على مساحة تخزين مادية كبيرة في مختلف القطاعات.

على سبيل المثال، تُولد فيسبوك 4 بيتابايت من البيانات يوميًا، حيث يساوي البيتابايت الواحد مليون جيجابايت من البيانات. لدعم ذلك، تمتلك فيسبوك وتدير 18 مركز بيانات عالميًا، تغطي مساحة 40 مليون قدم مربع. ومع ذلك، تمثل فيسبوك مجرد أحد عمالقة التقنية الذين يواجهون أحجام بيانات هائلة. محرك بحث جوجل يعالج 3.5 مليار استعلام يوميًا، ومستخدمي واتساب يتبادلون أكثر من 65 مليار رسالة يوميًا، ويولد مستخدمو الإنترنت حول العالم ما يقرب من 2.5 كوينتليون بايت من البيانات كل يوم. وهذا يبرز الطلب المستمر على التخزين، التخزين، والمزيد من التخزين.

لا شك أن معلومات CCNY المتعلقة بمراكز اللون في الألماس ستكون تغييرًا جذريًا عندما تُطبق على نطاق واسع.

البحث السابق حول مراكز اللون الفردية ذات الفراغ الجرمانيوم في الألماس

تم إجراء أبحاث مماثلة على مراكز اللون في الألماس في وقت سابق أيضًا. الـ البحث المنشور في 2015، على سبيل المثال، ساعد في فهم العيوب الفلورية بحجم ذري في الألماس كمنصة صلبة واعدة للتشفير الكمومي ومعالجة المعلومات الكمومية، مما شكل خطوة أساسية للدراسات اللاحقة في هذا المجال.

اختبر البحث جدوى استخدام مصادر فوتون واحدة ذات كثافة عالية وطرق تصنيع قابلة للتكرار لهذا الغرض. لاحظ البحث وجود مركز لون جديد في الألماس، مكوّن من الجرمانيوم وفراغ، والذي أطلق الباحثون عليه اسم مركز GeV.

بحث آخر، نُشر في 2022، أجره باحثون من جامعة ساغا وشركة آدمانت ناميكي للمنتجات الدقيقة، أدى إلى تطوير طريقة جديدة لتصنيع رقائق ألماس نقية للغاية. تبلغ أبعاد هذه الرقائق 5 سم.

بفضل كثافة البيانات لديها، يمكن لهذه الرقائق تخزين ما يعادل مليار قرص بلو-راي. لتوضيح ذلك، يستطيع قرص بلو-راي العادي تخزين ما يصل إلى 25 جيجابايت من البيانات. وبالتالي، سيعادل مليار قرص بلو-راي 25 إكسابايت من البيانات. لتحقيق هذا الإنجاز، استخدم البحث مركز النيتروجين-الفراغ لتخزين البيانات على شكل فائق التوصيل كبتات كمومية (qubits).

المزيد عن شركة آدمانت ناميكي للمنتجات الدقيقة أو أوربراي

قامت شركة آدمانت ناميكي للمنتجات الدقيقة بتغيير اسمها إلى Orbray Co., Ltd.، اعتبارًا من 1 يناير 2023. تمتلك الشركة مجموعة واسعة من المنتجات، بما في ذلك المجوهرات الدقيقة، ومكونات الألياف الضوئية، والمحركات الصغيرة. من حيث التطبيقات، تخدم الشركة مجالات الاتصالات المعلوماتية، وأشباه الموصلات، والآلات الصناعية، والروبوتات، والسيارات، وأجهزة القيادة الضوئية، وصناعة الصوت، وغيرها الكثير.

تأسست في عام 1939 ومقرها في طوكيو، اليابان، وتُعد أوربراي شركة خاصة.

الشركات العاملة على تقنية رقائق الألماس

بينما تُعرف أوربراي بصناعة رقائق الألماس خصيصًا للتخزين، هناك عدد قليل من الشركات الأخرى في الصناعة التي طورت حل تخزين مماثل. ومع ذلك، من الجدير بالذكر أن العديد من الشركات الأخرى تنتج رقائق ألماس لأغراض مختلفة. وهذا يستدعي الانتباه لأن هذه الشركات قد تتجه أيضًا إلى حلول التخزين في المستقبل القريب، نظرًا لمعرفتها الحالية بالتقنية الأساسية.

#1. Stanford Advanced Materials

شركة أخرى مشهورة بصناعة رقائق الألماس هي Stanford Advanced Materials. تقدم منتجًا يُعرف باسم رقاقة الألماس CVD، والتي تُلاحظ بخصائصها البصرية والحرارية المتقدمة. علاوة على ذلك، يدعون أن هذه الرقائق تتمتع بخصائص فيزيائية وكيميائية ممتازة. ومن الجدير بالذكر أنها تتميز بشريط شبه مستمر من الشفافية البصرية من الأشعة فوق البنفسجية إلى تيراهرتز، مما يجعلها متوافقة مع نطاقات متعددة، بما في ذلك الأشعة السينية، والأشعة فوق البنفسجية، وتحت الحمراء، والمايكروويف، وغيرها. (INTC )

رقائق الألماس CVD لها العديد من الخصائص التي تكاد تكون مستحيلة الحصول عليها في المواد البصرية العامة. على سبيل المثال، يمكنها أن تلعب أدوارًا حاسمة في إدخال طاقة عالية، فقدان عازل منخفض، كسب رامان عالي، تشوه شعاع منخفض، مقاومة للتآكل، وغيرها من الجوانب.

تخدم رقاقات الألماس CVD من Stanford العديد من الصناعات، بما في ذلك الطيران، والعسكرية، وغيرها. وهي فعّالة للغاية في إدارة الحرارة، خاصةً في المكونات الإلكترونية ذات القدرة العالية، التردد العالي، الصغر، والدمج العالي.

يقع مقرها الرئيسي في ليك فورست، كاليفورنيا، الولايات المتحدة، وتعمل Stanford Advanced Materials منذ عام 1994 وهي شركة خاصة.

#2. AKHAN Semiconductors

شركة أخرى في مجال أشباه الموصلات تحقق نجاحًا كبيرًا في تصنيع رقائق الألماس هي Akhan Semiconductors. في عام 2021، صنعت أول رقائق ألماس CMOS بحجم 300 مم. تم تطوير التقنية أساسًا لتحسين قدرة التحمل الكهربائي، وإدارة الحرارة، والمتانة. ومع ذلك، تخدم مجموعة متنوعة من الصناعات وعمليات التصنيع. وفقًا للرئيس التنفيذي لشركة Akhan Semiconductor، آدم خان، رقائق الألماس من Akhan ستساعد في بناء أجهزة أقوى وأكثر متانة.

يقع مقرها الرئيسي في إلينوي، الولايات المتحدة، وتُعد Akhan Semiconductor شركة خاصة تأسست في عام 2012. وفقًا لأحدث الأخبار المتاحة، جمعت الشركة 20 مليون دولار أمريكي في 17 فبراير 2022.

حلول تخزين البيانات الأخرى

بينما يُعد استكشاف مراكز اللون في الألماس ابتكارًا يغيّر قواعد اللعبة في مجال تخزين البيانات، إلا أن الحل لم يُطبق بعد على نطاق واسع.

عملاق التكنولوجيا الذي يواصل تجربة تقنيات تخزين بيانات جديدة ومحسنة باستمرار هو إنتل. لديه عدة تقنيات تخزين مبتكرة لتقديمها.

#1. Intel Storage Technologies 

تقنيتها Optane Technology، على سبيل المثال، تساعد في القضاء على عنق زجاجة تخزين مراكز البيانات، مما يسمح للمستخدمين بالتعامل مع مجموعات بيانات أكبر وأكثر تكلفة معقولة. تُعرف منتجات تقنية 3D NAND بقدرتها وموثوقيتها. تساعد حلول SSD من نوع EDSFF في تحقيق سعة محسنة بتكلفة أقل.

إيرادات إنتل لعام 2022 كانت 63.1 مليار دولار، بانخفاض 16.0 مليار دولار، أو 20٪، مقارنةً بـ 2021. استثمرت الشركة 17.5 مليار دولار في البحث والتطوير، وأجرت استثمارات رأس مال بقيمة 24.8 مليار دولار، وحققت 15.4 مليار دولار من النقد من العمليات و(4.1) مليار دولار من التدفق النقدي الحر المعدل.

#2. Seagate

Seagate هي رائدة أخرى في مجال تخزين البيانات، وقد قدمت مؤخرًا ابتكارًا كبيرًا. أحدث عروضها هو نظام تخزين كتلي عالي الأداء، الكفاءة، والمتانة بسعة متعددة بيتابايت يُعرف باسم Exos® CORVAULT™. تضمن ميزات الكثافة العالية لهذا النظام استغلالًا مثاليًا للمساحة، دورات حياة ممتدة، واستهلاكًا منخفضًا للطاقة لكل بيتابايت.

بالإضافة إلى ذلك، يساهم في خفض البصمة الكربونية لمراكز البيانات من خلال الحاجة إلى موارد حوسبة وشبكات أقل. حاليًا، يتوفر الحل في نسختين: النسخة الأولى توفر حتى 2.5 بيتابايت من التخزين في رفوف بطول 1.2 متر، بينما النسخة الثانية توفر 1.5 بيتابايت لرفوف بعمق 1.0 متر.

للسنة المالية التي انتهت في 30 يونيو 2023، سجلت Seagate إيرادات تزيد عن 7.3 مليار دولار أمريكي، وهو أقل بكثير من إيرادات العام السابق التي تجاوزت 11.5 مليار دولار أمريكي.

البحث المستقبلي في مراكز اللون بالألماس

هناك الكثير من الأبحاث الجارية لاستكشاف وفهم مراكز اللون في الألماس بشكل أفضل. يتحفّز الباحثون لأسباب عديدة، لا سيما لأن مراكز اللون تُظهر خصائص بصرية محسنة من حيث الاستقرار الطيفي، الطول الموجي، وخصائص اللف. بينما الألماس غني عمومًا بالمراكز البصرية، غالبًا ما يظل الأصل الدقيق لهذه المراكز غير معروف. من المتوقع أن توفر الأبحاث المستقبلية بلا شك مزيدًا من الرؤى.

كانت رقائق الألماس اختراقًا مهمًا لتخزين البيانات بكميات كبيرة. وهذا أحد المجالات التي تُجرى فيها الكثير من الأبحاث حاليًا. معرفة المزيد عن رقائق الألماس سيساعد بلا شك على تحسين خصائصها كنظم تخزين.

على الرغم من ذلك، لتشغيل أشباه الموصلات من الجيل التالي، طور العلماء في جامعة تشيبا اليابانية طريقة تستخدم الليزر لإنشاء رقائق ألماس. وفقًا لـ هيروفومي هيداي، أستاذ في كلية الهندسة بجامعة تشيبا:

تقطيع الألماس يتيح إنتاج رقائق عالية الجودة بتكلفة منخفضة وهو لا غنى عنه لتصنيع أجهزة أشباه الموصلات.

هذه الطريقة المطورة حديثًا حاسمة لأسباب تتجاوز استخدام الألماس كأشباه موصلات. فهي تساعد في تطوير آليات للتحكم في تكوين الشقوق عبر الألماس بحيث يمكن جعلها تنمو على طول مستوى مرغوب.

في أبريل من هذا العام، قامت Amazon Web Services بإبرام تعاون مع شركة De Beers الفرعية Element Six لتطوير ألماس صناعي، سيُستخدم في توزيع المفاتيح الكمومية. ما يبرز في هذه الشراكة هو طريقتهم التي تتضمن إنشاء مراكز لون في الألماس. ستمتص هذه المراكز الفوتونات التي تحتوي على معلومات كمومية لتعيد إصدارها لاحقًا.

وفقًا لـ أنطيا لاماس-ليناريس، التي تقود مركز AWS للشبكات الكمومية:

نحن [Amazon] يمكننا بالفعل القيام ببعض الأشياء على نطاقات صغيرة نسبيًا، لكن لنقل ذلك إلى نطاق عالمي فعليًا – AWS شركة عالمية – هناك بعض الأمور التي تحتاج إلى تطوير.

ختامًا، سيشهد العالم المزيد من الأبحاث التي تستهدف الاستفادة من مراكز اللون في الألماس. ليس كل هذه الأبحاث سيساعد في تحسين تخزين البيانات، لكن الكثير منها سيفعل ذلك. البيانات هي الوقود الذي يعمل به عالمنا الحديث. ومن الطبيعي أن تستثمر الشركات الرائدة المزيد في المستقبل نحو حلول تساعد على حل احتياجات التخزين المتزايدة بصورة أسية.