الحوسبة
الفيرُوكهربائية الناشئة – ما هي، وكيف يمكن أن تغير الحوسبة؟
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
ترانزستورات وتجارب حوسبة منخفضة الطاقة
تعتمد معظم الحوسبة الحديثة على ترانزستورات مصنوعة في تقنيات السيليكون. ولا يستهلك الترانزستور طاقة كبيرة بالضرورة منفردًا، لكن مليارات العناصر وعمليات نقل البيانات والذاكرة والتبريد تجعل استهلاك الأنظمة الكلي مرتفعًا.
ترانزستور تأثير المجال (FET) ليس بديلًا غير سيليكوني بحد ذاته؛ بل هو فئة من الترانزستورات تتحكم في التيار بمجال كهربائي، وتشمل MOSFET السيليكونية المستخدمة على نطاق واسع. يعتمد استهلاك الطاقة على البنية والمواد والجهد وطريقة التشغيل.
درس باحثون من جامعة ولاية بنسلفانيا وجامعة مينيسوتا سلوكًا فيروكهربائيًا ناشئًا في أغشية نانوية من تيتانات السترونتيوم داخل أجهزة FET.
تشير الفيروكهربائية الناشئة إلى مادة قريبة من التحول الفيروكهربائي، من دون ترتيب قطبي مستقر طويل المدى في الظروف العادية. قد تظهر فيها عناقيد قطبية قصيرة المدى واستجابة حساسة للحرارة أو المجال الكهربائي.
يمكن أن يفيد هذا السلوك في عناصر حوسبة نيورومورفية تمثل حالات متعددة أو استجابات شبيهة بالمشابك العصبية. لكن الدراسة برهان مفهوم صغير، ولم تثبت أن النظام يخزن البيانات بطاقة أقل من كل الحواسيب التقليدية أو أنه مناسب للفضاء.
نشر الباحثون النتائج في Nature Communications بعنوان «ترانزستورات FET ثنائية الأبعاد متعددة الوظائف تستغل الفيروكهربائية الناشئة في أغشية SrTiO3 النانوية الحرة عند درجات دون المحيط»1.
ما الفيروكهربائية الناشئة؟
الفيروكهربائية خاصية في بعض المواد التي تمتلك استقطابًا كهربائيًا تلقائيًا يمكن عكس اتجاهه بمجال كهربائي خارجي ضمن شروط محددة.
تُستخدم المواد الفيروكهربائية في مكثفات وأجهزة استشعار ومشغلات وذواكر غير متطايرة مثل FeRAM. ولا يعني وصفها بأنها أصغر من المكثفات العازلة أن كل تصميم فيروكهربائي أعلى كثافة أو أكثر كفاءة.
في المادة الفيروكهربائية الناشئة لا يظهر ترتيب فيروكهربائي مستقر طويل المدى عند درجة حرارة الغرفة، لكن التقلبات أو المجالات القطبية القصيرة المدى يمكن أن تستجيب للمجال والحرارة. وهذا أدق من القول إنها «تحتفظ بشحنة» فقط عند شروط معينة.
«تعني الفيروكهربائية الناشئة عدم وجود ترتيب فيروكهربائي مستقر عند درجة حرارة الغرفة. بدلًا من ذلك، توجد عناقيد صغيرة متناثرة من المجالات القطبية، وبنية أكثر مرونة من المواد الفيروكهربائية التقليدية.»
عُد هذا السلوك في بعض تطبيقات الذاكرة قيدًا، لأن غياب الاستقطاب المستقر قد يقلل الاحتفاظ بالحالة. لكنه قد يكون مفيدًا في أجهزة تستغل الاستجابة التدريجية وغير الخطية بدل التخزين الثنائي طويل الأمد.
وجد الفريق أن أغشية تيتانات السترونتيوم أظهرت سلوكًا أقرب إلى الفيروكهربائية التقليدية في درجات حرارة شديدة الانخفاض، بينما كان السلوك عند درجة الغرفة أكثر استرخائية وقصير المدى.
كيف يمكن استخدام الفيروكهربائية الناشئة؟
قد تكون مرونة هذا السلوك مشكلة للذاكرة الثنائية التقليدية، لكنها يمكن أن توفر حالات قابلة للضبط في عناصر حوسبة نيورومورفية.
«في الظروف المبردة أظهرت المادة سلوكًا شبيهًا بالفيروكهربائية التقليدية يصلح لتطبيقات الذاكرة. أما عند درجة حرارة الغرفة فكان السلوك استرخائيًا، أي استجابة استقطاب أقل انتظامًا وقصيرة المدى.»
يمكن استخدام استجابات الأجهزة التي تستغل الفيروكهربائية الناشئة لبناء عناصر تحاكي بعض وظائف العصبونات أو المشابك في أنظمة نيورومورفية، لكنها لا تعيد تكوين العصبون البيولوجي كاملًا.
تهدف الحوسبة النيومورفية إلى معالجة المعلومات بأحداث وحالات موزعة مستوحاة من الشبكات العصبية. يمكن لبعض البنى أن تقلل حركة البيانات والطاقة في مهام معينة، لكن المقارنة مع الحوسبة التقليدية تعتمد على المهمة والدقة والعتاد والتدريب.
لبحث هذا الاحتمال، كان على الفريق تصنيع أجهزة FET تجمع قناة شبه موصلة ثنائية الأبعاد مع أغشية نانوية تُظهر السلوك الفيروكهربائي الناشئ.
أجهزة FET ذات أغشية فيروكهربائية ناشئة
سترونتيوم تيتانات
صنع باحثو جامعة مينيسوتا أغشية نانوية حرة من تيتانات السترونتيوم (STO) ودمجوها مع ثنائي كبريتيد الموليبدينوم، وهو شبه موصل ثنائي الأبعاد، لتكوين أجهزة FET.
المصدر: Nature Communication
تيتانات السترونتيوم مادة بيروفسكايت كمومية شبه فيروكهربائية: لا تُظهر عادة ترتيبًا فيروكهربائيًا طويل المدى في البلورة الحجمية النقية عند الظروف المحيطة، رغم ارتفاع قابليتها للاستقطاب.
يمكن أن تظهر تيتانات السترونتيوم سلوكًا شبيهًا بالفيروكهربائية عند درجات منخفضة أو تحت تأثير الإجهاد والعيوب والحجم والواجهات. «البيروفسكايت» هنا يصف بنية بلورية، لا نوعًا واحدًا من الخلايا الشمسية.
«فوجئنا بأن مواد البيروفسكايت المعروفة هذه يمكن أن تُظهر خصائص فيروكهربائية غير مألوفة على مستوى الجهاز.
لم نتوقع ذلك، لكن بعد تصنيع الأجهزة رأينا سلوكيات قد تفتح طرقًا جديدة للإلكترونيات المتقدمة.»
تشترك مواد البيروفسكايت في نمط بنيوي بلوري واسع، وبعض مركباتها تُستخدم أو تُدرس للخلايا الشمسية. كما قد تكون مواد أخرى منها مفيدة في الحوسبة الفوتونية، لكن الخصائص تختلف بشدة باختلاف التركيب.
برهان مفهوم بأجهزة FET
استخدم الباحثون أغشية تيتانات السترونتيوم لصنع ثلاث عصبونات اصطناعية، ثم اختبروا تصنيف أنماط بسيطة ضمن شبكة صور 3×3 بكسل. كانت التجربة برهان مفهوم محدودًا وليست نظام رؤية عمليًا.
المصدر: Nature Communication
تمكنت الأجهزة من تصنيف الصور إلى فئات مختلفة. وقد يُستخدم هذا الأسلوب مستقبلًا في التعرف إلى الصور والأنماط. عملت التجربة عند درجة حرارة الغرفة، لكن الدراسة لم تقدم مقارنة شاملة لطاقة نظام كامل.
قد تدعم هذه العصبونات الاصطناعية القائمة على FET عتادًا نيورومورفيًا منخفض الطاقة، إلا أن التكلفة والكفاءة لم تُثبتا بعد على نطاق التصنيع أو التطبيقات الكبيرة.
ينضم هذا العمل إلى مسارات أخرى لأجهزة FET في الحوسبة والاتصالات، ومنها ترانزستور الحركة الإلكترونية العالية الفيروكهربائي (FeHEMT). تختلف بنية كل جهاز ومرحلة نضجه.
التطبيقات المحتملة والقيود
لا يزال الجهاز تجربة مخبرية تستكشف تطبيقًا جديدًا للفيروكهربائية الناشئة. يلزم إثبات المتانة، والتباين بين الأجهزة، والاحتفاظ بالحالة، وعدد دورات التشغيل، والتكامل، وقابلية التوسع.
قد تكون تطبيقات الذكاء الاصطناعي هدفًا محتملًا لأن نقل البيانات بين الذاكرة والمعالجة يستهلك طاقة كبيرة. لكن نماذج اللغة ليست مجرد «ذاكرة ضخمة»، ولا تثبت هذه التجربة أنها ستخفض طاقة مراكز البيانات.
يمكن أن تساعد تحسينات بنية الشبكات والبرمجيات، مثل الأساليب المرتبطة بـDeepSeek، إلى جانب كفاءة مراكز البيانات والشرائح والذاكرة. قد يسهم عتاد جديد أيضًا، لكن ليس من المؤكد أن تقنية واحدة ستكون ضرورية أو كافية لمنع ارتفاع استهلاك الطاقة.
«سيستغرق تحسين هذه المواد ودمجها في أجهزة يومية كالهواتف والحواسيب المحمولة وقتًا، ولا يزال أمامنا الكثير لاستكشافه.
كما ندرس مواد أخرى، مثل تيتانات الباريوم، لفهم إمكاناتها. توجد مسارات عديدة للبحث في المواد وتطبيقات الأجهزة.»
شركات تبحث في الحوسبة النيومورفية
1. Intel
INTC مخطط السعر
Intel (INTC ) شركة كبرى في أشباه الموصلات طورت المعالجات ومنصات الحوسبة والتصنيع. فقدت ريادة حجم التصنيع المتقدم لصالح مسابك مثل TSMC، وتعمل في الوقت نفسه على إعادة بناء أعمالها التصنيعية؛ نجاح ذلك غير مضمون.
تجري Intel أبحاثًا في الحوسبة النيومورفية، ومن منصاتها شريحة Loihi 2. وهي منصة بحثية وليست دليلًا على قيادة سوق تجارية واسعة.
المصدر: Intel
أنشأت الشركة مجتمع Intel لأبحاث الحوسبة النيومورفية، الذي ضم جامعة ولاية بنسلفانيا المشاركة أيضًا في أبحاث حديثة لثاني أكسيد الفاناديوم وعشرات المجموعات الأخرى. تتغير العضوية بمرور الوقت.
المصدر: Intel
تبحث Intel أيضًا في الحوسبة المستوحاة من الأنظمة الحسية البيولوجية، وهو موضوع تناولناه في «رقائق الشم المحاكية للحياة: هل الذكاء الاصطناعي والأنوف الإلكترونية هي طائر الكناري الجديد؟».
تغطي أبحاث Intel Labs مجالات تشمل الذكاء الاصطناعي والحوسبة الكمومية والنيومورفية. لا يعني النشاط البحثي وحده تفوقًا تجاريًا أو عائدًا استثماريًا.
ناقشنا أعمال Intel الكمومية في «الوضع الراهن للحوسبة الكمومية» وفي تقرير سبتمبر 2024 «سهم الأسبوع: Intel (INTC)».
2. IBM
IBM مخطط السعر
شركة International Business Machines (IBM) (IBM ) رائدة تاريخية في الحوسبة وتبحث أيضًا في الحوسبة النيومورفية، لكن برامجها البحثية لا تمثل بالضرورة منتجات تجارية حالية.
طورت IBM برنامج SyNAPSE للحوسبة العصبية القابلة للتوسع والموفرة للطاقة بدعم من DARPA. كان مشروعًا بحثيًا لدمج علوم النانو والأعصاب والحوسبة لمحاكاة بعض وظائف الإدراك والعمل، وليس منصة حديثة مضمونة التسويق.
طورت IBM معالجات كمومية مثل Eagle ذي 127 كيوبت وOsprey ذي 433 كيوبت وCondor ذي 1,121 كيوبت فائق التوصيل. عدد الكيوبتات وحده لا يحدد جودة الحاسوب الكمومي؛ فالخطأ والترابط وزمن التماسك وقابلية التصحيح عوامل حاسمة.
المصدر: All About Circuits
تستثمر Intel وIBM في أشكال جديدة من الحوسبة، ومنها الكمومية والنيومورفية. قد تستفيدان من فهم أفضل لمواد الترانزستورات النيومورفية، لكن الانتقال من البحث إلى منتج وربحية يتطلب سنوات من التطوير وقد لا ينجح.
الدراسات المشار إليها:
1. سين، د.، رافيتشاندران، هـ.، داس، م. et al. ترانزستورات FET ثنائية الأبعاد متعددة الوظائف تستغل الفيروكهربائية الناشئة في أغشية SrTiO3 النانوية الحرة عند درجات دون المحيط. Nat Commun 15، 10739 (2024). doi:10.1038/s41467-024-54231-z
