الحوسبة
تكنولوجيا النانو تدفع حدود الحوسبة بالسرعة والكفاءة
تقنيات الحوسبة المتقدمة تحقق تقدماً كبيراً نحو تحقيق السرعة العالية واستهلاك الطاقة المنخفض.
تشمل التطورات الرئيسية في هذا المجال بنى سيليكون مبتكرة تستخدم تصاميم طبقية لبناء شرائح أسرع وأصغر بتكلفة أقل. وفي الوقت نفسه، تستخدم الحوسبة الضوئية موجات الضوء لمعالجة وتخزين البيانات. وبما أن سرعة الضوء لا يمكن تجاوزها، فإن ذلك يمكن أن يوفر سرعة عالية وزمن استجابة منخفض.
ثم هناك الحوسبة البيولوجية، حيث يتم ترميز المعلومات وتخزينها في الخلايا البيولوجية، مدفوعةً بالتقدم الذي أُحرز في تكنولوجيا النانو الحيوية. كما توفر الحوسبة الكمومية إمكانات كبيرة، إذ تحل المشكلات المعقدة أسرع من حواسيب اليوم من خلال الاستفادة من التراكب الكمومي، والتشابك، والتداخل.
علاوة على ذلك، تحاكي الحوسبة العصبية الأنظمة العصبية لأدمغتنا لإجراء حسابات متوازية؛ وتنقل الحوسبة السحابية المعالجة إلى مواقع بعيدة أو افتراضية؛ وتقوم الحوسبة الطرفية بنقل المعالجة من المرافق المركزية إلى أقرب للمستخدمين النهائيين.
كل هذه التطورات في تكنولوجيا الحوسبة، التي تركز على الأدوات والأنظمة لمعالجة وتخزين وتواصل البيانات، أدت إلى تقدم غير مسبوق في مجالات تشمل الذكاء الاصطناعي (AI) وتحليل البيانات.
البحث المستمر في هذا المجال أدى إلى ابتكار مستمر وسريع في تقنيات الحوسبة، حيث يذهب العلماء الآن أعمق لتحقيق نتائج أفضل وأسرع وأكثر كفاءة.
اختراق في تصنيع النانو بالليزر داخل السيليكون
حقق الباحثون من جامعة بيلكنت، تركيا، مؤخرًا إنجازًا مهمًا من خلال تطوير تقنية لتصنيع الهياكل النانوية داخل رقاقة السيليكون بعمق. إنجاز.
تمكن الطريقة الجديدة من تصنيع النانو داخل السيليكون عبر تعديل الضوء المكاني ونبضات الليزر، مما يخلق هياكل نانوية متقدمة ستفيد الإلكترونيات والضوئيات.
ركزت الدراسة على السيليكون، أساس الإلكترونيات والضوئيات والخلايا الضوئية. كشبكة شبه موصلة، تقع توصيلية السيليكون الكهربائية بين عازل وموصل نقي. وهو العنصر الثاني الأكثر وفرة في قشرة الأرض، ويتميز بخصائص معدنية وغير معدنية. بالإضافة إلى ذلك، تجعل الخصائص الكهربائية الممتازة للسيليكون، بما في ذلك فجوة الطاقة الصغيرة نسبيًا، منه مادة مهمة في صناعة أشباه الموصلات.
ومع ذلك، كان السيليكون محدودًا على تصنيع النانو السطحي بسبب الصعوبات التي تفرضها تقنيات النقش الحالية. الطرق الحالية إما غير قادرة على اختراق سطح الرقاقة دون إحداث أي تغييرات أو مقيدة بدقة نقش الليزر. بالإضافة إلى ذلك، لا تسمح التقنيات الحالية بتعديل عالي الدقة في أعماق الرقاقة.
إذا كان من الممكن تصنيع الأجهزة مباشرة داخل كتلة هذا المعدن دون تعديل السطح العلوي أو السفلي للرقاقة، فسيشكل ذلك معيارًا جديدًا.
بالطبع، يعني ذلك تجاوز جميع هذه التحديات المتعلقة بحدود الدقة التي تتجاوز الميكرو متر الواحد مع تحقيق تحكم متعدد الأبعاد على مستوى النانو داخل الرقاقة في آن واحد. ومع ذلك، سيكون ذلك تقدمًا سحريًا، يتيح وظائف جديدة للضوئيات النانوية ثلاثية الأبعاد ويقود إلى أسطح ميتا داخل السيليكون.
استفادت الأبحاث الأخيرة من أشعة الليزر المعدلة مكانيًا والتغذية الراجعة المتناظرة من الهياكل تحت السطحية المسبقة لتتحقق ذلك. سمح ذلك للفريق بإنشاء قدرة تصنيع نانو محكومة داخل السيليكون من خلال تعديل المادة على مستوى النانو.
لتوضيح ذلك، تعامل فريق بيلكنت مع تحدي التأثيرات البصرية المعقدة داخل الرقاقة والحد الانحرافي الفطري للضوء الليزري باستخدام نبضة الليزر الفريدة، التي تم إنشاؤها عبر تعديل الفضاء. تتوافق نبضات الليزر المعدلة مكانيًا مع دالة بيسيل.
تم تجاوز تأثيرات التشتت البصري، التي كانت تعيق الترسيب الدقيق للطاقة، بفضل الطبيعة غير الانحرافية لشعاع الليزر الخاص. تُنشأ هذه الطبيعة غير الانحرافية باستخدام تقنيات الإسقاط الهولوجرافي المتقدمة، التي تسمح بتحديد موقع الطاقة بدقة. يؤدي ذلك إلى ضغط ودرجة حرارة مرتفعة بما يكفي لتعديل المادة في حجم صغير.
وفقًا لأونور توكل، أستاذ في قسم الفيزياء:
“نهجنا يعتمد على توطين طاقة نبضة الليزر داخل مادة شبه موصلة إلى حجم صغير للغاية، بحيث يمكن استغلال تأثيرات تعزيز المجال الناشئة المشابهة لتلك الموجودة في البلازمونات. يؤدي ذلك إلى تحكم دون الطول الموجي ومتعدد الأبعاد مباشرة داخل المادة.”
أضاف:
“يمكننا الآن تصنيع عناصر ضوئية نانوية مدفونة في السيليكون، مثل الشبكات النانوية ذات كفاءة انحراف عالية وحتى تحكم طيفي.”
تبع ذلك تأثير زرع ناشئ، حيث أدت الفجوات النانوية على السطح تحت السطحي إلى خلق تعزيز مجال قوي في محيطها القريب. بمجرد تأسيسه، يستمر تعزيز المجال الناتج في نفسه، مما يعني أن إنشاء الهياكل النانوية السابقة يساعد في تصنيع الهياكل النانوية اللاحقة.
في الوقت نفسه، وفّر استخدام استقطاب الليزر للباحثين تحكمًا إضافيًا في محاذاة وتناسق الهياكل النانوية على مستوى النانو، مما يسمح بتطوير دقيق لمصفوفات نانوية متنوعة.
“من خلال الاستفادة من آلية التغذية الراجعة المتناظرة الموجودة في نظام تفاعل الليزر مع المادة، حققنا نقشًا نانويًا يتحكم فيه الاستقطاب داخل السيليكون.”
– المؤلف الرئيسي للدراسة، الدكتور أصغري سابت
حقق أسلوب التصنيع الجديد أحجام ميزات تصل إلى 100 نانومتر فقط، وهو تحسين كبير مقارنة بالأنظمة التقليدية.
قد يكون لهذه الدراسة آثارًا كبيرة على الأنظمة النانوية ذات الهياكل المحددة من خلال إظهار تشكيل نانوي حجمي واسع النطاق مع تحكم متعدد الأبعاد وميزات تتجاوز حد الانحراف. وفقًا للباحثين، قد تشمل التطورات المستقبلية المحتملة نتيجة هذه الدراسة المواد الميتا، والأسطح الميتا، وتطبيقات معالجة المعلومات، والبلورات الضوئية.
تظهر الأبحاث أيضًا إمكانات كبيرة للتكامل مع الأنظمة على الرقاقة، حيث تُعد القدرة على إنشاء شبكات نانوية خطوة نحو هذا الهدف. وتشير الدراسة إلى أنها تمثل أيضًا أول ضوئيات سيليكون متعددة الطبقات.
بشكل عام، قدمت الدراسة “نموذج تصنيع جديد للسيليكون. القدرة على التصنيع على مستوى النانو مباشرة داخل السيليكون تفتح نظامًا جديدًا نحو مزيد من التكامل والضوئيات المتقدمة”، وفقًا للبروفيسور توكل. الخطوة التالية للدراسة هي استكشاف ما إذا كان يمكن تحقيق تصنيع نانو ثلاثي الأبعاد كامل في السيليكون.
انقر هنا لتعرف كيف ستساعدنا الضوئيات النانوية المتقدمة في بناء هاتف ذكي أفضل.
المواد النانوية تمهد الطريق للحوسبة الجيل القادم
كما رأينا أعلاه، يستهدف الباحثون الهياكل النانوية للحصول على نتائج أفضل. تكنولوجيا النانو تدور حول التحكم في المادة على مستوى النانو، التي تتراوح من 1 إلى 100 نانومتر في الحجم.
على هذا النطاق الصغير جدًا، يمكننا ملاحظة خصائص وسلوكيات فريدة للمواد، مما يمكّن الباحثين والمهندسين من تعديلها لتطبيقات مختلفة. نتيجة لذلك، تمتلك تكنولوجيا النانو تأثيرات واسعة عبر العديد من الصناعات، بما في ذلك الطاقة والإلكترونيات والطب وعلوم المواد.
مع إمكانات كبيرة لمعالجة بعض أكثر التحديات إلحاحًا في العالم، تتطور تكنولوجيا النانو بسرعة مع تقدم مستمر واختراقات، خاصة في الحوسبة والإلكترونيات. وقد ساهمت تكنولوجيا النانو بشكل كبير في التقدمات الكبرى في هذه القطاعات، مما أدى إلى أنظمة أسرع وأصغر وأكثر قابلية للنقل.
على سبيل المثال، أظهرت المواد النانوية مثل الجرافين وأنابيب الكربون النانوية واعدة في إنشاء إلكترونيات مرنة وشفافة.
قامت الهياكل النانوية بتحويل مجالات أشباه الموصلات والحوسبة من خلال تحسين الخصائص الكهربائية والضوئية والمغناطيسية للمواد بما يتجاوز نظيراتها الضخمة.
في هذا السياق، يتم إحراز تقدم في الحوسبة الكمومية والاتصالات باستخدام بتات كمومية نانوية. بالإضافة إلى ذلك، يستمر البحث في تطوير مواد نانوية لبطاريات ذات سعة عالية وشحن سريع ومكثفات فائقة. وفي الوقت نفسه، تتيح التقدمات في تقنيات التصنيع النانوي إنشاء أجهزة ومكونات مصغرة ذات أداء قوي.
من خلال تمكين تطوير أجهزة أصغر وأكثر كفاءة مثل الترانزستورات والشرائح الذاكرة النانوية، زادت تكنولوجيا النانو بشكل هائل من قدرة الحوسبة وسعة التخزين، مما يدفع حدود قانون مور.،
قانون مور المذكور هنا صاغه شريك مؤسس إنتل غوردون مور، الذي افترض أن عدد الترانزستورات على شريحة واحدة سيتضاعف تقريبًا كل سنتين، مع ارتفاع طفيف في التكلفة.
إذا نظرنا إلى ذلك، فقد بدأت الترانزستورات في الخمسينات تستبدل الأنابيب المفرغة كالمكون الرئيسي للدوائر الإلكترونية. بينما كانت الترانزستورات الأولية عادةً بطول سنتيمتر، سرعان ما قُست بالمليمترات.
وبالانتقال إلى بداية هذا القرن، تم تقليل الحجم إلى ما بين 130 إلى 250 نانومتر، ثم تم تقليصه أكثر إلى 14 نانومتر تقريبًا قبل عقد من الزمن. ثم، في عام 2015، قامت إنتل (IBM) بتقليل هذا الحجم إلى النصف من خلال إنشاء أول ترانزستور بسبعة نانومتر. تستمر هذه الرحلة نحو ترانزستورات أصغر وأكثر كفاءة وسرعة حتى اليوم.
في السنوات القليلة الأخيرة، تم تقليل أصغر حجم ترانزستور في الإنتاج إلى 3 نانومتر، مع إعلان إنتل عن ترانزستور 2 نانومتر في مايو 2021، وهو أصغر من خيط الحمض النووي. نركز على الترانزستورات لأنها أساسية لتشغيل تقريبًا كل جهاز إلكتروني.
ومن المثير للاهتمام، كلما صغر حجم هذه الترانزستورات، قل استهلاكها للطاقة وزادت سرعتها. ومع ذلك، يعتقد الكثيرون أنه لا يمكن الاستمرار في تصغير الأشياء إلى الأبد، وفي النهاية لن نتمكن من الاستمرار في تقليل الحجم. عندها ستحتاج إلى مواد نانوية جديدة وتكنولوجيا متقدمة لتحسين أجهزتنا.
وقد دفع ذلك العلماء إلى تحويل تركيزهم إلى تقنيات مثل الأنظمة العصبية الاصطناعية، التي تتطلب تطوير خلايا عصبية صناعية ومشابك جديدة يمكنها تجاوز أداء دوائر CMOS (أشباه الموصلات المعدنية-أكسيدية المكملة) القياسية.
من خلال استخدام الخلايا العصبية الصناعية والمشابك، تحاكي هذه الحواسيب طريقة معالجة المعلومات في أدمغة البشر. يتيح ذلك لها التعرف على الأنماط، حل المشكلات، واتخاذ القرارات بشكل أكثر كفاءة وسرعة من الحواسيب الحالية. على الرغم من أن هذا المجال لا يزال جديدًا، إلا أنه يظهر واعدًا في الحوسبة الإدراكية، المركبات الذاتية، والذكاء الاصطناعي، حيث السرعة والكفاءة مهمتان.
كما يستكشف الباحثون فئات جديدة من المواد، مثل النقاط الكمومية والجرافين، لتلبية احتياجات الحوسبة المتقدمة. درست دراسات حديثة تقنية الخلايا الأوتوماتيكية بالنقاط الكمومية (QCA) لتصميم حواسيب نانوية مع تحسينات في كل من السرعة والكفاءة.
إلى جانب الجرافين، تُعتبر المواد ثنائية الأبعاد مثل ثنائيات الفلز الانتقالي (2D-TMDs) للاستخدام في أشباه الموصلات. تسمح مساحة سطح هذه المادة الواسعة بتفاعل فعال مع الضوء وتعزز استخدامها في تعديل الضوء، بينما تعزز حركية حاملات الشحنة غير العادية أداء الجهاز. تجعل متانتها منها مادة صامدة لتطبيقات واقعية متعددة.
كما ذكر أعلاه، يهدف البحث الأخير الذي يحقق تصنيع نانو داخل السيليكون إلى تمكين الجيل القادم من الشرائح القائمة على السيليكون بقدرة معالجة أكبر بكثير.
انقر هنا للحصول على قائمة بأهم الشركات التي تعمل على تعزيز مجال تكنولوجيا النانو.
الشركات العاملة في تقنيات الحوسبة المتقدمة
إذا نظرنا إلى الشركات المشاركة في هذا المجال، توفر شركة Applied Materials (AMAT) تقنية التصنيع النانوي لأشباه الموصلات المتقدمة. وتطوّر شركة Advanced Micro Devices (AMD) أجهزة حوسبة عالية الأداء وتستكشف تقنيات الحوسبة المتقدمة.
تُعرف شركة NVIDIA Corporation (NVDA) بمعالجاتها الرسومية (GPU)، وتستثمر أيضًا بشكل كبير في أبحاث الحوسبة الكمومية. تُستخدم حواسيب نيفيديا الفائقة لتطوير أنظمة التلدين الكمومي لحل مشكلات محددة. وغالبًا ما تُشار إلى NVIDIA بأنها ‘عشق الذكاء الاصطناعي’، وقد ارتفعت أسهمها بنسبة 157٪ منذ بداية العام (YTD).
سجلت الشركة مبيعات قياسية بقيمة 26 مليار دولار في الربع الأول من عام 2024، بزيادة 18٪ عن الربع السابق و262٪ عن العام السابق. كما أعلنت الشركة عن تقسيم أسهم بنسبة عشرة مقابل واحد في 7 يونيو 2024، وزادت توزيعاتها النقدية الفصلية إلى 0.01 دولار.
دعونا الآن نلقي نظرة على الشركات التي تقود الأبحاث في الحوسبة المتقدمة، تكنولوجيا النانو، والابتكارات في تصميم الرقائق.
#1. IBM
شركة International Business Machines Corporation (IBM) هي شركة تقنية شهيرة تشارك في فرص السحابة والذكاء الاصطناعي. تركيزها ينصب على البحث في الحوسبة الكمومية وتطوير تكنولوجيا أشباه الموصلات.
خلال العام الماضي، قدمت الشركة معالجها الكمومي من الجيل الأخير، IBM Heron، الذي يحتوي على 133 كيوبيت ثابت التردد وتحسين من ثلاثة إلى خمسة أضعاف في أداء الجهاز.
وفقًا لجاي جامبيتا، نائب الرئيس في IBM Quantum:
“ستُستمد القوة الكاملة لاستخدام الحوسبة الكمومية من الذكاء الاصطناعي التوليدي لتبسيط تجربة المطور.”
(IBM )
تبلغ القيمة السوقية للشركة 180.57 مليار دولار، وتُتداول أسهمها عند 195.51 دولار، بارتفاع 19.86٪ منذ بداية العام. نسبة عائد الأرباح هي 3.41٪. في الربع الثاني من عام 2024، أبلغت إنتل عن إيرادات قدرها 15.8 مليار دولار، بزيادة 2٪ عن العام السابق.
في الوقت نفسه، كان التدفق النقدي الحر 2.6 مليار دولار، والتي ارتفعت الشركة إلى 12 مليار دولار للعام الكامل، مع عودة 1.5 مليار دولار للمساهمين على شكل توزيعات خلال الفترة. أنهت الشركة الربع بـ 16 مليار دولار من النقد والنقد المقيد والأوراق المالية القابلة للتداول. بينما أشارت إلى خبرة إنتل في الذكاء الاصطناعي المؤسسي ونمو أعمال الذكاء الاصطناعي التوليدي إلى أكثر من 2 مليار دولار منذ إطلاق Watsonx قبل عام، قال الرئيس التنفيذي لإنتل أرڤيند كريشنا:
“حققنا ربعًا ثانيًا قويًا، متجاوزين توقعاتنا.”
#2. Intel Corporation
تُبتكر شركة Intel Corporation (INTC) تصاميم الرقائق وتستكشف الحوسبة العصبية والكمومية. هذه الشركة المصنعة لأشباه الموصلات هي مخترعة سلسلة المعالجات الدقيقة x86، التي توجد في معظم الحواسيب الشخصية. تعمل الشركة حاليًا على استعادة ميزتها في صناعة الرقائق العالمية، وقد تلقت تمويلًا عبر منح وقروض من الحكومة الأمريكية.
من خلال أبحاث الحوسبة العصبية، تهدف إنتل إلى تسريع مستقبل الذكاء الاصطناعي التكيفي من خلال التصميم المشترك للعتاد المحسن مع برامج الذكاء الاصطناعي من الجيل التالي. بالإضافة إلى ذلك، أنشأت إنتل مجتمع أبحاث الحوسبة العصبية (INRC). يجمع هذا الجهد التعاوني العالمي فرقًا من مؤسسات البحث، المجموعات الأكاديمية، الشركات، ومختبرات الحكومة لتطوير حدود الذكاء الاصطناعي المستوحى من الدماغ.
(INTC )
تبلغ القيمة السوقية للشركة 89.56 مليار دولار، وتُتداول أسهمها عند 21.06 دولار، بانخفاض 58.23٪ منذ بداية العام. في الربع الثاني من عام 2024، أبلغت إنتل عن نتائج مالية “مخيبة للآمال”، حيث بلغت إيراداتها 12.8 مليار دولار، بانخفاض 1٪ على أساس سنوي، بينما كان ربح السهم غير GAAP 0.02 دولار. أعلنت الشركة عن تعليق توزيعات الأرباح بدءًا من الربع الرابع من عام 2024 مع تجديد التزامها “طويل الأجل بتوزيعات أرباح تنافسية مع تحسن التدفقات النقدية إلى مستويات أعلى بشكل مستدام”.
الخلاصة
تجذب الحوسبة المتقدمة، التي تركز على الأساليب والتقنيات الجديدة التي تدفع الابتكار في الحوسبة، اهتمامًا كبيرًا من الشركات والباحثين والمهندسين والحكومات على حد سواء. فهي في الأساس أساسية للأمن السيبراني، والأسواق المالية، والعديد من البنى التحتية الحيوية الأخرى. علاوة على ذلك، يدعم الاستخدام الواسع للذكاء الاصطناعي قوة الحوسبة المتقدمة، إلى جانب البيانات والخوارزميات والرقائق الدقيقة.
على مدار العقود القليلة الماضية، حسّنت التطورات في تكنولوجيا الحوسبة بشكل كبير من أداء ووظائف الأجهزة التي نستخدمها بانتظام، مما أدى إلى تعزيز نمو الاقتصاد الرقمي. نظرًا لتأثيرها العميق على المجتمع، فإن البحث والتطوير المستمرين ضروريان لتلبية متطلبات الحوسبة التي تستهلك طاقة كبيرة وتمهيد الطريق للحوسبة المتقدمة، مما يتيح إنشاء منتجات وخدمات كانت غير متخيلة سابقًا.
