تقدم جديد نحو ذاكرة رقمية تتحمل درجات الحرارة العالية

إلكترونيات للحرارة الشديدة

مع تقدم التكنولوجيا، تتزايد الحاجة إلى تشغيلها في ظروف قاسية، ومنها درجات الحرارة المرتفعة. وتُستخدم لمواجهة ذلك مواد متقدمة، مثل السيراميك المركب ومعادن خاصة كـالتنغستن والتيتانيوم والروديوم؛ وتوفر الروابط أدلة تفصيلية للاستثمار في هذه المعادن.

تصبح مواجهة هذه الظروف أكثر تعقيدًا عند استخدام المكونات الإلكترونية. فقد يتحمل غلاف من التيتانيوم حرارة مرتفعة، لكنه لا يمنع انتقالها إلى الداخل إلى أجل غير محدد.

تعمل كثير من الرقاقات ضمن حدود حرارية محددة، وقد تؤثر الحرارة في التيارات الكهربائية واستقرار البيانات. وتختلف الحدود بحسب المواد والتصميم؛ فلا توجد درجة واحدة تتوقف عندها جميع أنواع الدوائر الكهربائية.

تُستخدم أنظمة تبريد وعزل لحماية إلكترونيات التحكم في المركبات الفضائية ومحطات الطاقة ومعدات الحفر من البيئة المحيطة.

لهذا قد تكون الذاكرة الرقمية التي تحتفظ بالمعلومات وتتيح إعادة كتابتها عند درجات تتجاوز نحو 600 درجة مئوية، أو 1100 درجة فهرنهايت، تقدمًا مهمًا. هذه الحرارة أعلى من درجة انصهار الرصاص، وليست درجة انصهار الفولاذ.

نشر باحثون من جامعة ميشيغان ومختبرات سانديا الوطنية نتائج العمل في مجلة Device، تحت عنوان «ذاكرة كهروكيميائية غير متطايرة عند 600 درجة مئوية بفضل انفصال الأطوار التركيبية¹».

الذاكرة القائمة على الأكسجين

تعتمد هذه الذاكرة على نقل أيونات الأكسجين السالبة بدلًا من الاعتماد على الإلكترونات وحدها لتخزين الحالة. وقد تؤدي الحرارة المرتفعة إلى زيادة تيارات التسرب في إلكترونيات السيليكون التقليدية وإفساد البيانات. أما هذا الجهاز فصُمم للاستفادة من عمليات كهروكيميائية مستقرة نسبيًا ضمن درجات الحرارة التي اختُبرت، لا لأن الأيونات محصنة من كل تأثير حراري.

كيف يعمل

تنتقل أيونات الأكسجين بين منطقتين من أكسيد التنتالوم والتنتالوم المعدني، عبر إلكتروليت صلب.

المصدر: Cell Device

يسمح الإلكتروليت الصلب بحركة الأيونات ويحد من انتقال شحنات أخرى بين الطبقات. ويساعد انفصال التنتالوم وأكسيده إلى أطوار مختلفة في تثبيت الحالة المخزنة حتى تُغيّر الإشارة الكهربائية.

تتحكم ثلاثة أقطاب من البلاتين في اتجاه انتقال أيونات الأكسجين.

تشبه العملية بعض جوانب شحن البطارية وتفريغها، لكنها تُستخدم هنا لتخزين المعلومات بدلًا من تخزين الطاقة.

المصدر: Cell Device

أظهرت التجارب احتفاظ حالات المعلومات لأكثر من 24 ساعة عند درجات تتجاوز نحو 1100 درجة فهرنهايت.

خطوة تجريبية أولى

كان العمل إثباتًا للمفهوم، لا ذاكرة تجارية مكتملة. احتفظ الجهاز الأولي ببت واحد من المعلومات. وقد يكون توسيع السعة ممكنًا، لكنه يتطلب تطويرًا واستثمارًا والتحقق من التصنيع والموثوقية.

أوضح الباحث أن النموذج الحالي يخزن بتًا واحدًا، وأن تطويره قد يتيح نظريًا سعات أكبر بكثير، تصل إلى ميغابايتات أو غيغابايتات.

يي يانغ لي – أستاذ مساعد لعلوم المواد والهندسة بجامعة ميشيغان

تتشابه مقاومة الجهاز للحرارة مع بعض بدائل الذاكرة القابلة لإعادة الكتابة في درجات مرتفعة، مثل الذاكرة الكهروحديدية والفجوات النانوية بين أقطاب البلاتين متعدد البلورات. لكنه يقدم مزايا تستحق الدراسة:

• يمكن تشغيله بجهود أقل من بعض البدائل المقارنة.
• قد يتيح عددًا أكبر من الحالات التناظرية للحوسبة داخل الذاكرة.
  • قد يسمح التحكم الأدق في تدرج الأكسجين بأكثر من مئة حالة مقاومة، بدلًا من حالتين ثنائيتين فقط.
• قد تدعم الحوسبة داخل الذاكرة تنفيذ بعض العمليات البسيطة بالقرب من البيانات، بما يقلل الحاجة إلى نقلها المتكرر إلى معالج منفصل.

الذكاء الاصطناعي في درجات حرارة عالية؟

يمكن للترميز التناظري متعدد الحالات أن يدعم خفض استهلاك الطاقة في بعض مهام المعالجة. وقد يكون ذلك مفيدًا في البيئات الحارة، حيث تفرض الطاقة المحدودة والحرارة الناتجة من المعالجة قيودًا إضافية. لكنه لا يعني أن الجهاز أصبح معالج ذكاء اصطناعي متكاملًا يعمل عند 600 درجة مئوية.

أشار تالين إلى الاهتمام باستخدام الذكاء الاصطناعي للمراقبة في البيئات القاسية، وإلى صعوبة الجمع بين المعالجات القوية وحدود الطاقة الصارمة.

وقد تساعد المعالجة داخل الذاكرة في تجهيز بعض البيانات قبل إرسالها إلى رقاقات الذكاء الاصطناعي، بما يخفض استهلاك الجهاز الإجمالي للطاقة.

أليك تالين عالم أول في قسم الكيمياء والاحتراق وعلوم المواد بمختبرات سانديا الوطنية

القيود

من القيود المهمة أن كتابة بيانات جديدة تتطلب درجة حرارة مرتفعة، تتجاوز نحو 250 درجة مئوية أو 500 درجة فهرنهايت. وهذا قيد على الكتابة، وليس دليلًا على فقدان البيانات بمجرد انخفاض الحرارة.

يمكن استخدام سخان إذا احتاج الجهاز إلى الكتابة في بيئة أبرد، لكن ذلك يضيف استهلاكًا للطاقة وتعقيدًا في التصميم.

التطبيقات

قد تدعم هذه الذاكرة مستقبلًا تسجيل البيانات والمعالجة المحدودة في بيئات شديدة الحرارة، بعد مزيد من التطوير والاختبار. ومن التطبيقات المحتملة:

• الهندسة الفضائية: قد تستفيد أنظمة مراقبة المحركات النفاثة من مكونات تتحمل حرارة أعلى، لكن الذاكرة وحدها لا تلغي متطلبات تبريد بقية النظام.
• قطاع الطاقة: تتعرض أدوات الآبار الحرارية الجوفية لدرجات مرتفعة. وقد يساعد تحسين تحمل الذاكرة في تطوير أجهزة مراقبة أكثر متانة.
• التصنيع الصناعي: قد تستفيد مراقبة عمليات تشكيل المعادن وإنتاج الزجاج من إلكترونيات أكثر تحملًا للحرارة، مع مراعاة متطلبات بقية المكونات.
• استكشاف الفضاء: على كواكب مثل الزهرة، قد تدعم الذاكرة المقاومة للحرارة تطوير أجهزة استكشاف أطول عمرًا. لكنها لا تكفي وحدها لإنشاء مسبار قادر على تحمل جميع ظروف السطح.
• الطاقة النووية: قد تكون مراقبة بعض بيئات الطاقة النووية تطبيقًا محتملًا. تحمل الحرارة لا يثبت تلقائيًا تحمل الإشعاع، الذي يحتاج إلى اختبارات مستقلة.

شركة تعمل في إلكترونيات التنتالوم

Vishay Intertechnology

قد تؤدي التطبيقات الجديدة للمكونات المعتمدة على التنتالوم في الطيران والطاقة الحرارية الجوفية إلى فرص طويلة الأجل للمصنعين. ولا يثبت البحث وجود منتج تجاري أو عقد محدد للشركة المذكورة.

يُستخدم التنتالوم بالفعل في المكثفات، إذ يسمح بتكوين طبقة عازلة رقيقة تحقق سعات مرتفعة ضمن أحجام صغيرة.

تقدم Vishay مكثفات تنتالوم للتركيب السطحي أو عبر الثقوب، وتُستخدم في السيارات والمعدات العسكرية والأجهزة المحمولة والطبية وتطبيقات أخرى.

المصدر: Vishay

تنتج الشركة أيضًا أشباه موصلات القدرة، ومنها مكونات كربيد السيليكون، وثنائيات، وترانزستورات MOSFET، وحساسات كهروضوئية، ومقاومات، ومحاثات وأنواعًا أخرى من المكثفات.

تُعد المقاومات وترانزستورات MOSFET والثنائيات من فئات المنتجات المهمة من حيث الإيرادات.

وتصف الشركة نفسها بأنها توفر «إحدى أوسع مجموعات أشباه الموصلات المنفصلة والمكونات السلبية».

المصدر: Vishay

ذكرت البيانات التي استند إليها المقال أن آسيا وأوروبا تمثلان نحو 39% و35% من المبيعات على التوالي، مع مصانع في أمريكا الشمالية وآسيا وأوروبا. وتتغير النسب مع الفترة وطريقة تصنيف المبيعات.

قد تفيد خبرة الشركة في تصنيع مواد ومكونات إلكترونية متنوعة مع توسع التطبيقات خارج رقاقات السيليكون التقليدية.

في سبتمبر 2024 أعلنت Vishay خطة لإغلاق ثلاث منشآت بحلول نهاية 2026 وخفض عدد العاملين بنحو 6%، مستهدفة وفورات سنوية لا تقل عن 23 مليون دولار. وتحدثت خططها الاستثمارية عن 2.6 مليار دولار لتوسعة القدرة خلال أربع سنوات. بلغت إيرادات الربع الثالث من 2024 نحو 735.4 مليون دولار؛ أما 720 مليون دولار فكانت نقطة المنتصف في توقعات إيرادات الربع الرابع، وليست الإيرادات الفعلية للربع الثالث. خطط الاستثمار والوفورات وتوزيعات المساهمين ليست نتائج مضمونة.

قد تدعم تطبيقات الطاقة المتجددة والاتصالات والمركبات الكهربائية والطيران الطلب على منتجات Vishay. لكن المبيعات المستقبلية تعتمد على الطلب والمنافسة وتنفيذ الاستثمارات، ولا ترتبط تلقائيًا بتحويل هذا البحث إلى منتج تجاري.

مرجع الدراسة:

^{1. لي، ج.، وآخرون (2024). ذاكرة كهروكيميائية غير متطايرة عند 600 درجة مئوية بفضل انفصال الأطوار التركيبية. Device. https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100623}