المغونات: مستقبل الرقائق الموفرة للطاقة

حوسبة المغونات: مسار جديد للرقائق منخفضة الطاقة

مع تزايد طلبنا على مزيد من قوة الحوسبة، تصبح الأساليب المستخدمة حتى الآن غير كافية تدريجيًا. وعلى وجه الخصوص، جميع الرقائق القائمة على السيليكون، سواء كانت وحدات معالجة مركزية (CPU) أو وحدات معالجة رسومية (GPU) أو غيرها، تميل إلى استهلاك الكثير من الطاقة.

تتحول الطاقة المستهلكة إلى حرارة، يجب تبديدها من خوادم مراكز البيانات، وإلا قد تتلف المكونات الإلكترونية.

وهذا يجعل إمداد الطاقة والتبريد يصبحان القيد الرئيسي لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي الجديدة، بقدر ما أو أكثر من تطوير وتوريد الرقائق المتقدمة.

إحدى الطرق لتقليل استهلاك الطاقة في الحوسبة هي اعتماد تقنية السبينترونيك، التي تستخدم دوران الإلكترونات لإجراء العمليات الحسابية. هذه التقنية تُستخدم بالفعل في الأقراص الصلبة وتخزين البيانات، لكنها تقترب بسرعة من التطبيق التجاري في الحوسبة أيضًا.

خطوة جديدة نحو هذا الهدف اتخذها باحثون في جامعة ديلاوير وجامعة ماريلاند. اكتشفوا كيفية تحويل موجات السبين إلى تيار كهربائي، كاشفين عن مسار نحو فهم أعمق للمواد المغناطيسية.

نشر الباحثون نتائجهم في دورية PNAS¹ بعنوان «الاستقطاب الكهربائي المستحث بالمغونات وتأثيرات نرنست المغونية».

مزايا السبينترونيك وتطبيقاته المحتملة

المكونات الإلكترونية، مثل الترانزستورات، تُصنع تقليديًا من السيليكون وتعتمد على أشباه الموصلات. إشارة الصفر والواحد في النظام الثنائي تشير إلى مرور أو حجب التيار الكهربائي.

طريقة بديلة لإجراء الحوسبة هي عبر أجهزة السبينترونيك، التي تعمل على دوران الإلكترونات (خاصية كمية أساسية) بدلاً من التيار الكهربائي (تدفق الإلكترونات).

المصدر: Insight IAS

يمكن ترميز البيانات في كل من الزخم الزاوي للدوران، الذي يمكن تخيله كاتجاه “أعلى” أو “أدنى” مدمج للإلكترون، وكذلك الزخم الزاوي المداري، الذي يصف كيفية تحرك الإلكترونات حول نوى الذرات.

نظرًا لأن هذا يحتوي على معلومات أكثر من مجرد 0 و 1، يمكن للدوران أن يحمل بيانات أكثر لكل ذرة مقارنة بالإلكترونيات التقليدية.

للسبينترونيك بعض المزايا الأخرى مقارنة بالأنظمة الإلكترونية الكلاسيكية، ولا سيما:

• بيانات أسرع، حيث يمكن تغيير الدوران بسرعة أكبر.
• استهلاك طاقة أقل، حيث يمكن تغيير الدوران بقدرة أقل مما يتطلبه الحفاظ على تدفق الإلكترونات لإنشاء التيار.
• يمكن استخدام المعادن البسيطة بدلاً من مواد أشباه الموصلات المعقدة.
• الدوران أقل تقلبًا من حالة أشباه الموصلات، مما يجعل تخزين البيانات أكثر استقرارًا.

اسحب للتمرير →

يُستخدم السبينترونيك بالفعل في الأقراص الصلبة وقد سمح بزيادة سعة تخزين البيانات خلال العقد الماضي.

“الدوران هو خاصية ميكانيكية كمية للإلكترونات، تشبه مغناطيسًا صغيرًا يحمله الإلكترونات، يشير إلى أعلى أو أدنى.

يمكننا الاستفادة من دوران الإلكترونات لنقل ومعالجة المعلومات في ما يُسمى بأجهزة السبينترونيك.

Talieh Ghiasi - باحث ما بعد الدكتوراه في Delft University of Technology

التحكم في المغونات للسبينترونيك من الجيل التالي

شرح المغونات

ركز الباحثون على تيارات الدوران، التي تُعرف أيضًا باسم المغونات. وتتصرف هذه التيارات كموجة مغناطيسية تنقل اتجاه دوران الإلكترونات أثناء انتشارها.

المصدر: Hubpage

المغونات هي الجزء الأساسي في أجهزة السبينترونيك المحتملة. ذلك لأن الإلكترونات نفسها تبقى ثابتة عندما تمر المغونات عبرها، ولا ينتج حرارة تحتاج إلى تبديد، وهو العامل المحدد الرئيسي في رقائق السيليكون.

في هذه الدراسة، وجد الباحثون أن نقل المغونات يمكن أن يسبب استقطابًا كهربائيًا قابلاً للقياس. استخدموا مادة ذات بنية تشبه خلية النحل مكونة من النيكل-الفوسفور-السيلينيوم (NiPSe3).

وجد الفريق أن صافي الاستقطاب الكهربائي المستحث أكبر بنحو ألف مرة من ذلك المسجل في مواد استُخدمت سابقًا، مثل كبريتيد المنغنيز والفوسفور (MnPS3).

ما وراء التيارات الدوارة

كانت فرق بحثية أخرى قد وجدت أن المغونات يمكن أن تحول فقدان الدوران إلى طاقة، مما يزيد كفاءة أنظمة السبينترونيك بدرجة كبيرة. كما أضاف التقدم في السبينترونيك الكيرالي وشبكات موجات الدوران القابلة للتوسع إمكانات واعدة للحواسيب المستقبلية القائمة على السبينترونيك.

تذهب هذه الدراسة أبعد من ذلك بإثبات أن المغونات، على الرغم من حيادها الشحني، يمكنها إحداث استقطاب كهربائي من خلال دورانيها الدورانية والمدارية.

تعمل الآلية من خلال «تأثير نرنست»، أي توليد مجال كهربائي عندما تتعرض مادة في الوقت نفسه لتدرج حراري ومجال مغناطيسي.

والأهم من ذلك، وجدوا أيضًا أن الاستقطاب الكهربائي الصافي يمكن التحكم فيه بواسطة حقول مغناطيسية خارجية (طريقة تُسمى التهجين المغوني).

تكشف هذه النتائج أن المجالات الكهربائية يمكن استخدامها، في ظروف معينة، لاكتشاف المغونات والتحكم فيها بالاستفادة من زخمها الزاوي الدوراني والمداري.

نحو نموذج حوسبة مغناطيسية موحد

استند هذا الاكتشاف إلى عمل سابق للفريق نفسه سعى إلى بناء فهم موحد لدوران الإلكترونات والمغونات ومدارات الإلكترونات.

«تدمج هذه النتائج التطورات في علم المغونات والسبين-أوربيترونيك والأوربيترونيك ضمن إطار موحد يمكن استخدامه لفهم التحكم في الحالات المغناطيسية وضبطه.»

يمكن لهذا الاكتشاف الأخير تحويل المغونات من ظواهر مثيرة للاهتمام تشكل أساس السبينترونيك إلى تأثيرات قابلة للتحكم الكامل، باستخدام الحقول المغناطيسية.

كما أنه يخلق إطارًا نظريًا سيكون مفيدًا لاحقًا لاكتشاف أو هندسة مواد ذات لحظات مدارية مغونية كبيرة، مما يجعل خصائص المغونات أسهل في التعديل حسب الرغبة.

وبينما لا تزال شرائح السبينترونيك غير جاهزة بعد للتكامل الروتيني في مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي وأجهزة الكمبيوتر، فإنها تتقدم بسرعة نحو فهم موحد، سواء على المستوى النظري أو الهندسي العملي.

وبالتالي، قد يكون لهذا تأثيرات هامة على كيفية بناء الجيل التالي من كل من الحواسيب الكلاسيكية والكمومية.

في الوقت الحالي، تُستخدم تقنية السبينترونيك بالفعل من قبل الشركات لبناء إلكترونيات الذاكرة وأجهزة الاستشعار، وقد تكون أساسية في إنشاء شرائح سبينترونيك أكثر تقدمًا في المستقبل.

الاستثمار في السبينترونيك

1. Everspin Technologies

Everspin هي فرع من Freescale (المعروفة الآن باسم NXP (NXPI )) مكرس لتطوير أنظمة الذاكرة MRAM. تم فصلها عن Freescale وأطلقت عملية الطرح العام الأولي في عام 2016.

تُعتبر Everspin رائدة تقنية MRAM (الذاكرة العشوائية المقاومة للمغناطيسية)، مستفيدةً من خبرة Freescale في كونها الأولى التي تجّرت شريحة MRAM في عام 2006.

نظرًا لأن MRAM هي ذاكرة تستمر حتى في غياب التيار، فإنها تُستخدم بشكل متزايد في حالات حساسة حيث تكون البيانات الحرجة مهمة جدًا بحيث لا يمكن المخاطرة بفقدانها.

مدفوعةً بالتطبيقات الواسعة مثل تحليلات البيانات، الحوسبة السحابية، سواء الأرضية أو الفضائية، الذكاء الاصطناعي (AI)، والذكاء الاصطناعي الطرفي، بما في ذلك إنترنت الأشياء الصناعي، من المتوقع أن ينمو سوق الذاكرة المستمرة بمعدل نمو سنوي مركب قدره 27.5٪ بين عامي 2020 و2030

Everspin

المصدر: Everspin

تقدّر الشركة أن السوق سيصل إلى حجم 7.4 مليار دولار بحلول عام 2027. ولم تكن لدى الشركة ديون وتدفق نقدي حر إيجابي منذ عام 2021.

تحتل منتجات MRAM من Everspin حاليًا شريحة صغيرة لكنها متنامية، تخدم أسواقًا حيث الاعتمادية حاسمة، مثل الفضاء الجوي، الأقمار الصناعية، مسجلات البيانات، أجهزة مراقبة المرضى، وغيرها.

المصدر: Everspin

قد يكون نمو مجموعات الشرائح، والذكاء الاصطناعي، وأنظمة المشابك أيضًا دفعة طويلة الأجل للشركة.

2. NVE Corporation

تُعد NVE رائدة أخرى في السبينترونيك، وقد عملت على هذه التقنية منذ أول براءة اختراع لها في ذاكرة MRAM عام 1995. وتنتج مستشعرات وعوازل سبينترونية تُستخدم أساسًا في أنظمة القياس والاستشعار للسيارات والتروس والأجهزة الطبية ومصادر الطاقة وغيرها من المعدات الصناعية.

المصدر: NVE

يضع هذا NVE في فئة مختلفة إلى حد ما عن Everspin، حيث تُعد NVE شركة صناعية ذات موقع قوي في سوق متخصص (مقاييس مغناطيسية تستخدم السبينترونيك)، بينما تُعد Everspin شركة ذاكرة/حوسبة تعمل وتتنافس مع شركات مثل Intel (INTC ) وQualcomm (QCOM ) وToshiba وSamsung، الذين يطورون أيضًا منتجات MRAM الخاصة بهم.

يمكن أن يجعل ذلك السهم أكثر (أو أقل) جاذبية حسب ملفات المستثمرين، حيث من المرجح أن يجذب سهم NVE المستثمرين الأكثر تحفظًا الباحثين عن عائد توزيعات وأمان.

الدراسة المشار إليها

^{1. D.Quang To, Federico Garcia-Gaitan, Yafei Ren, et al. الاستقطاب الكهربائي الناجم عن المغونات وتأثيرات نرنست للمغونات. PNAS. 23 أكتوبر 2025. https://doi.org/10.1073/pnas.2507255122}