أجهزة كمبيوتر قابلة لإعادة التكوين تعمل مثل دماغك

كشف مهندسو المعهد الهندي للعلوم مؤخرًا عن شريحة حاسوبية من الجيل التالي، قادرة على التبديل بين مهام حسابية متعددة بمجرد تغيير تركيبها الكيميائي. يستوحي التصميم الجديد إشاراته من الدماغ البشري، مما يفتح المجال أمام أنظمة الذكاء الاصطناعي المستقبلية التي لا تكتفي بالتعلم فحسب، بل تأتي مزودة بالمعرفة. إليكم ما تحتاجون معرفته.

يتطلب فتح آفاق مستقبل الحوسبة تفكيراً إبداعياً. فمع وصول الرقائق إلى الحد النظري لتصميماتها، لا بد من ابتكار أساليب جديدة لمواصلة دفع القدرة الحاسوبية إلى الأمام.

تصنيع الرقائق

عندما يتعلق الأمر بتطوير رقائق إلكترونية أسرع وأصغر حجماً لتشغيل أجهزة الجيل القادم، يُعتبر السيليكون الخيار الأمثل. يوفر هذا شبه الموصل الوفير والرخيص حركة حاملات شحنة مقبولة، مما يُمكّنه من العمل كعازل وموصل في آن واحد عند دمجه مع مواد أخرى وتطبيق تيار كهربائي عليه.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن إنتاج السيليكون المؤكسد (السيليكا) على شكل صفائح رقيقة تدعم تصميمات الدوائر متعددة الطبقات. وقد جعلت هذه الخاصية منه مادة مثالية للاستخدام في الإلكترونيات الدقيقة والنانوية الحديثة. مع ذلك، توجد بعض العيوب الخطيرة لهذه المادة.

قد تشكل معالجة السيليكون خطراً على البيئة نظراً للمواد الكيميائية المستخدمة. إضافةً إلى ذلك، فهي محدودة في قدرتها على استيعاب الإلكترونيات النانوية. فالأجهزة ذات طول البوابة الأقل من 7 نانومتر قد تتعرض للكثير من التداخل. ويمكن أن تحدث هذه الانقطاعات لأسباب عديدة، منها تسرب الإشارة والنفق الكمومي.

الإلكترونيات النانوية

تُمثل الإلكترونيات النانوية الخطوة التالية في مجال التصغير. هذه الأجهزة، التي يقل حجمها عن 100 نانومتر، صغيرة للغاية لدرجة أنها أكثر عرضة لتأثيرات ميكانيكا الكم من الفيزياء التقليدية. قد تُؤدي هذه التفاعلات إلى تغييرات في الأسطح البينية واستجابات غير خطية أخرى نظرًا لتعقيد العمل على هذا النطاق.

الحوسبة العصبية

عندما تُصغّر الدوائر الإلكترونية إلى النطاق النانوي، يصبح الاعتماد على العمليات الميكانيكية لإنجاز المهام أمرًا بالغ الصعوبة. ولذلك، اتجه المهندسون نحو خيارات الحوسبة العصبية لتخزين المعلومات وإجراء العمليات الحسابية. وتعتمد هذه الأجهزة على الدماغ البشري.

تستخدم الحواسيب العصبية الشكلية مواد أكسيدية وتقنية التبديل الخيطي لإنجاز المهام الحسابية. هذا الهيكل ببساطة يُصغّر النهج الحالي للحوسبة لمحاكاة التعلم. وتختلف هذه الاستراتيجية عن تصميم جهاز يأتي مزودًا بالبيانات كجزء لا يتجزأ من بنيته الطبيعية.

ونتيجة لذلك، بذل العلماء جهوداً حثيثة لابتكار مادة متطورة قادرة على تخزين البيانات ومعالجتها والتكيف معها دون تغيير سطحها المادي. ومع ذلك، لا تزال تفاصيل ابتكار مثل هذه البنية غامضة.

الالكترونيات الجزيئية

وقد دفعت هذه الرغبة في إنشاء آلات أصغر حجماً وأكثر تنوعاً مهندسي الإلكترونيات الجزيئية إلى محاولة توثيق التفاعلات الذرية والتأثيرات الكمومية بهدف نهائي يتمثل في القدرة على التنبؤ بهذه النتائج بدقة كبيرة.

لكن هذه المهمة بدت مستحيلة. إلى أن جاء هذا الشهر، حين نشر فريق من العلماء دراسة رائدة أظهرت كيف تمكنوا من التنبؤ بهذه الأفعال والتحكم بها بدقة.

دراسة الحواسيب القابلة لإعادة التكوين

قام المهندسون والعلماء في مركز علوم وهندسة النانو (CeNSE) في الهند بإعادة كتابة دليل الإلكترونيات الجزيئية باستخدام "الميمريستورات المصممة هندسيًا جزيئيًا لوظائف عصبية قابلة لإعادة التشكيلدراسة ¹ بوصة.

المصدر - المواد المتقدمة

تجمع هذه الورقة البحثية بين التطورات الحديثة في الهندسة الكهربائية والكيميائية والفيزيائية لإنشاء أجهزة نانوية يمكنها تعديل تركيبها الكيميائي لتؤدي أدوارًا متعددة، بما في ذلك وحدات الذاكرة، والبوابات المنطقية، والمعالجات، أو المشابك الإلكترونية.

أجهزة جزيئية قابلة للتكيف

يُسهم نجاح هذه الدراسة في إثبات قدرة الكيمياء على تقديم أكثر من مجرد دعم العمليات الحسابية، بل وتوفيرها بالكامل. كما تُمكّن هذه المرونة الجهاز نفسه من العمل كوحدة ذاكرة ووحدة حسابية في آنٍ واحد دون إضافة مواد أو تغيير شكله المادي.

إطار عمل تنبؤي

كان من أولى الخطوات التي كان على المهندسين اتخاذها ابتكار طريقة للتنبؤ بكيفية تأثير التغيرات الكيميائية على النقل الكهربائي. وعلى وجه التحديد، قاموا بتطوير خوارزمية نمذجة كيميائية كمومية قادرة على تتبع الجزيئات بدقة أثناء انتقالها عبر الغشاء.

تضمنت الخوارزمية العديد من البيانات الأخرى ذات الصلة، بما في ذلك كيفية تأثير الأكسدة والاختزال على كل جزيء وكيفية تفاعلهما بالنسبة للمصفوفة الجزيئية الكلية. ثم استُخدمت هذه البيانات لتحديد الاستقرار العام للجزيئات، مع تسجيل أي تحولات في الأيونات المضادة في الوقت الفعلي.

بدأ المهندسون، مستعينين بخوارزميتهم التنبؤية، باستخدام سلوك التبديل للتنبؤ بكيفية تحويل جهاز واحد من التخزين إلى العمليات الحسابية وغيرها. تُمكّن هذه الخوارزمية المهندسين من ضبط البيئة الجزيئية المحلية والتفاعلات بين الجزيئات بدقة باستخدام مركبات الروثينيوم العضوية.

الاستجابات المقاومة للذاكرة

باستخدام الخوارزمية لتوجيه جهودهم، نجح الفريق في تعديل دائرة واحدة برمجياً. ومن المثير للإعجاب أنهم تمكنوا من تحقيق أنماط متعددة، بما في ذلك الذاكرة الرقمية والتناظرية والثنائية والثلاثية.

ولإنجاز هذه المهمة، كان عليهم تعديل الروابط والأيونات المحيطة بجزيئات الروثينيوم. وقد توسعت هذه المرونة لتشمل قيم توصيلية مختلفة تعيد تشكيل قدرات الجهاز ذي الحالة الصلبة ديناميكيًا.

مرر للتمرير →

اختبار أجهزة الكمبيوتر القابلة لإعادة التكوين

لاختبار نظريتهم، اضطر العلماء إلى ابتكار مركبات روثينيوم مصممة خصيصاً لهذا الغرض. وقد نجحوا في بناء 17 مركباً لهذه الدراسة، مما مكنهم من رصد التغيرات الدقيقة في بنية الجزيء والتركيب الأيوني.

أشرفت بالافي غور على تصنيع الجهاز. وأفادت غور بأن الجهاز قادر على التبديل بين التخزين والحوسبة وإعادة التكوين دون أي تغييرات مادية. هذه الميزة تجعل الجهاز أقرب بكثير إلى طريقة عمل الدماغ، مما يدفع علم الحوسبة العصبية إلى الأمام.

نتائج اختبار أجهزة الكمبيوتر القابلة لإعادة التكوين

أكدت نتائج الاختبار صحة نظرية المهندس القائلة بإمكانية دمج الذاكرة والحوسبة في نفس المادة. كما أظهرت كيف يمكن استخدام الكيمياء لإجراء العمليات الحسابية، وليس فقط لتكملة المكونات النشطة للجهاز. ونتيجة لذلك، يجمع هذا العمل بين الحوسبة النانوية وتقنية الهندسة الكيميائية، مما يفتح المجال أمام أجهزة كمومية أصغر حجمًا وأكثر قوة.

فوائد أجهزة الكمبيوتر القابلة لإعادة التكوين

تُقدّم دراسة الحواسيب القابلة لإعادة التكوين فوائد عديدة للسوق. فهي، على سبيل المثال، تفتح آفاقًا جديدة للإلكترونيات النانوية. ففي السابق، كان من الممكن تصنيع هذه الأجهزة بأحجام صغيرة جدًا قبل أن تفقد موثوقيتها تمامًا. كما أن وجود أجزاء متحركة فيها حال دون تحديد مدى قابليتها للتشغيل على المستوى النانوي.

يُمكّن هذا النهج الجديد جهازًا صلبًا من أداء مهام حسابية متعددة، مثل العمل كعنصر ذاكرة، أو بوابة منطقية، أو مُحدِّد، أو معالج تناظري، أو مشبك عصبي إلكتروني. ستساعد هذه المرونة المهندسين في المستقبل على تصميم أجهزة أكثر كفاءة وأخف وزنًا.

تدخل أقل

يُقلل هذا التصميم أيضًا من التداخل الناتج عن النفق الكمومي وغيره من المشكلات عند الحديث عن الأجهزة ذات الحجم الجزيئي. فكلما صغر حجم الجهاز، زاد تأثير التداخل من المصادر الخارجية عليه. وعند ربط هذه الحقيقة بتصغير الأجهزة، يتضح سبب اعتبار هذا النهج نقلة نوعية في هذا المجال.

الموصلية المضافة

ومن المزايا الرئيسية الأخرى زيادة الموصلية. فالسيليكون النقي ليس موصلاً أو عازلاً جيداً، ولذلك يتطلب إضافة مواد كيميائية لتحسين أدائه. يوفر هذا التصميم الجديد موثوقية أكبر ويدعم موصلية أعلى بكثير، حيث سجل العلماء تحسناً بمقدار ستة أضعاف.

الحواسيب القابلة لإعادة التكوين: تطبيقات عملية وجدول زمني

يمكن أن تُسهم العديد من تطبيقات الحواسيب القابلة لإعادة التكوين في تسهيل حياة ملايين الأشخاص. فعلى سبيل المثال، سيتم استخدامها في نهاية المطاف في تطبيقات الذكاء الاصطناعي. تتطلب أنظمة الذكاء الاصطناعي نقل كميات هائلة من البيانات بين الأجهزة والمراجع.

يوجد حاليًا فارق ضئيل بين منطق الحوسبة والذاكرة، مما يؤدي إلى تأخير. ومع ازدياد العمليات الحسابية، يزداد هذا التأخير، مما يُبطئ الحوسبة. من شأن هذا النهج أن يُلغي الحاجة إلى فصل المنطق والذاكرة والمهام الأساسية الأخرى، مما يُمكّن جهازًا واحدًا من التحويل الفوري إلى كل منها عند الحاجة.

الأجهزة الطبية من الجيل التالي

يُعدّ المجال الطبي مجالاً آخر يُمكن لهذه التقنية أن تُحدث فيه فرقاً كبيراً. إذ يُمكن تصنيع الغرسات والوحدات الداخلية الأخرى بحجم أصغر وأجزاء متحركة أقل. وهذا النهج سيجعلها أقل تدخلاً جراحياً، ويُتيح مجالاً لمزيد من القدرة الحاسوبية عند الحاجة.

الجدول الزمني لأجهزة الكمبيوتر القابلة لإعادة التكوين

قد يستغرق الأمر من 7 إلى 10 سنوات قبل أن نرى حاسوبًا قابلًا لإعادة التكوين. ستظهر هذه الأجهزة أولًا في أنظمة الذكاء الاصطناعي الأكبر حجمًا، مما يُسهم في خفض تكاليف تشغيلها وتحسين كفاءتها. مع ذلك، لا يزال هناك الكثير من الاختبارات والتطويرات التي يجب إجراؤها، إلى جانب إيجاد مُصنِّع مناسب قادر على تصنيع هذه الأجهزة على نطاق واسع.

باحثو الحواسيب القابلة لإعادة التكوين

أُجريت دراسة الحاسوب القابل لإعادة التكوين من قبل فريق من الباحثين في المعهد الهندي للعلوم. وقاد الدراسة الأستاذ المساعد في مركز علوم وهندسة النانو (CeNSE)، سريتوش غوسوامي.

أُنجزت أجزاء التخليق الجزيئي من الدراسة بواسطة براديب غوش، زميل رامانوجان، وسانتي براساد راث. كما تُدرج الورقة البحثية أسماء شايون بهاتاشاريا، ولوهيت تي، وهاريفينيش إس، وداميان طومسون كمساهمين.

مستقبل الحواسيب القابلة لإعادة التكوين

يواجه الباحثون مهمة شاقة. فهم يدرسون حاليًا كيفية دمج هذه التقنية في استراتيجيات تصنيع رقائق CMOS الحالية. هدفهم الأساسي هو إنتاج أجهزة مزودة بذكاء مدمج، مما يُحسّن الأداء والاستقرار والكفاءة.

الاستثمار في مجال الحوسبة في الذاكرة

توجد عدة شركات في قطاع تصنيع الرقائق الإلكترونية تُمثل فرصًا استثمارية واعدة. وقد شهدت هذه الشركات طلبًا متزايدًا على منتجاتها المبتكرة مع تزايد استخدام الذكاء الاصطناعي وأنظمة الحوسبة عالية الأداء الأخرى. إليكم إحدى الشركات الرائدة في مجال تكنولوجيا تصنيع الرقائق الإلكترونية.

شركة جي إس آي للتكنولوجيا (GSIT)

بينما تُسلط الدراسة المذكورة أعلاه الضوء على مستقبل الحوسبة الجزيئية، تُسوّق شركة GSI Technology اليوم النسخة القائمة على السيليكون من هذا المفهوم. وتُعدّ GSI مطوّرة وحدة المعالجة الترابطية (APU)، وهي تقنية تُغيّر جذريًا طريقة معالجة الحواسيب للبيانات من خلال إجراء العمليات الحسابية مباشرةً. في المكان داخل مصفوفة الذاكرة - وهو مفهوم يُعرف باسم "الحوسبة في الذاكرة" (CIM).

تعالج هذه البنية نفس "عنق الزجاجة فون نيومان" المذكور في الدراسة (التأخير الناتج عن فصل المنطق عن الذاكرة). وبفضل إلغاء الحاجة إلى نقل البيانات ذهابًا وإيابًا بين المعالج وذاكرة الوصول العشوائي، توفر وحدة المعالجة المسرعة Gemini® من GSI تسارعًا هائلاً لأحمال عمل الذكاء الاصطناعي والبحث.

أكدت المعايير الحديثة التي تم التحقق منها من قبل جامعة كورنيل أن وحدة المعالجة المركزية من GSI يمكنها أن تضاهي أداء وحدات معالجة الرسومات من الفئة العليا (مثل NVIDIA A6000) لمهام الذكاء الاصطناعي المحددة مع استهلاك طاقة أقل بنسبة 98٪ تقريبًا.

يقع المقر الرئيسي لشركة GSI Technology في مدينة سانيفيل بولاية كاليفورنيا، ويتم تداول أسهمها في بورصة ناسداك. وتُعد منتجات الذاكرة المقاومة للإشعاع التي تنتجها الشركة عنصراً أساسياً في قطاعي الطيران والدفاع، مما يوفر لها قاعدة إيرادات مستقرة مع طرحها لرقائق الذكاء الاصطناعي المتطورة في السوق الأوسع.

ينبغي على الراغبين في الاستثمار في شركة متخصصة في مجال الحوسبة التي تركز على الذاكرة، والمدرجة في بورصة أمريكا الشمالية، البحث في شركة GSI Technology. فهي تمثل جسراً عملياً بين السيليكون التقليدي ومستقبل "الذكاء المدمج" الذي يتصوره الباحثون.

آخر أخبار وأداء شركة GSI Technology (GSIT)

الحواسيب القابلة لإعادة التكوين | الخاتمة

تُغيّر القدرة على ابتكار حواسيب قابلة لإعادة التكوين كل شيء. ففي المستقبل، قد تصبح أجهزتك فائقة الموثوقية والمتانة، إذ تُستبدل جميع الأجزاء المتحركة بتفاعلات كيميائية. إضافةً إلى ذلك، تفتح هذه الإمكانية المجال أمام تصميمات أصغر حجمًا وأكثر تعقيدًا لا تعتمد على مكونات ميكانيكية، بل على تفاعلات كيميائية عضوية.

كل هذه العوامل، وغيرها، تجعل دراسة الحاسوب القابل لإعادة التشكيل نقلة نوعية، إذ تحمل في طياتها إمكانية إحداث ثورة في عالم الحوسبة وتكامل الذكاء الاصطناعي. ولذا، يحظى هذا العمل باهتمام واسع. وسيركز الفريق حاليًا على تبسيط عمليات التصنيع وخفض تكاليف الإنتاج وتعقيداته.

تعرّف على المزيد من التطورات الحاسوبية الرائعة اضغط هنا.

مراجع حسابات

^{1. غور، ب.، كوندو، ب.، غوش، ب.، بهاتاشاريا، س.، ت، ل.، س، هـ.، راث، س.ب.، طومسون، د.، غوسوامي، س.، وغوسوامي، س. ميمريستورات مصممة جزيئياً لوظائف عصبية قابلة لإعادة التشكيل. مواد متقدمة، e09143. https://doi.org/10.1002/adma.202509143}