قد يؤدي التحكم بالأكسدة والاختزال إلى مستويات جديدة من الكفاءة في الإلكترونيات الدقيقة

تحسين الإلكترونيات الدقيقة باستخدام التحكم بالأكسدة والاختزال

Microelectronics like computer chips use increasingly small transistors, resulting in a growing difficulty in manufacturing them efficiently.

الإلكترونيات الدقيقة مثل رقائق الحواسيب تستخدم ترانزستورات أصغر باستمرار، مما يؤدي إلى صعوبة متزايدة في تصنيعها بكفاءة.

هذا يسبب أيضًا مشاكل متزايدة في استهلاك الطاقة وإدارة الحرارة المتولدة.

إن ازدهار الذكاء الاصطناعي يعني أن استهلاك الطاقة قد ينفجر، معتوقعات تفيد بأنه بحلول عام 2030 قد تمثل الذكاء الاصطناعي ما بين 3% إلى 4% من الطلب العالمي على الطاقة. وهذا قبل ازدهار الحوسبة الكمومية، المجال الذي ناقشنا أحدث التقدمات فيه في مقالتنا “The Current State of Quantum Computing.”

وبالتالي، هناك حاجة إلى طرق جديدة للتلاعب بالإلكترونات، بما في ذلك على المستوى الكمومي.

لذلك، فإن الخبر المثير هو أن الباحثين في مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) قد أظهروا نوعًا جديدًا من الأنظمة الشبيهة بالترانزستور يعمل بجهد منخفض جدًا، يُسمى التحكم بالأكسدة والاختزال.

ما هو التحكم بالأكسدة والاختزال؟

In their publication, “التحكم بالأكسدة والاختزال لتعديل الحامل الضخم والتحكم الفريد في الطور,” they explain the basic principles of Redox Gating and redox-based electronics.

عادةً، تعتمد ترانزستورات السيليكون على المجالات الكهربائية للتحكم في تدفق الإلكترونات التي يستخدمها الترانزستور لأداء الحوسبة.

بدلاً من ذلك، يستخدم التحكم بالأكسدة والاختزال تيارًا منخفض الجهد ويطبقه على “بوابة إلكترونية”. عندما يتجاوز الجهد عتبة معينة، تفتح البوابة وتسمح بمرور الإلكترونات. يتم توفير الإلكترون بواسطة مادة أكسدة واختزال (جزيء قادر على “التبرع” بالإلكترونات)، ومن هنا جاء اسم “التحكم بالأكسدة والاختزال”.

يمكن إعادة تدوير مادة الأكسدة والاختزال دون أي ضرر، مما يسمح بتكرار ما هو في الأساس تفاعل كيميائي أكثر من كونه إلكترونيًا عددًا شبه لا نهائي من المرات.

المصدر: Advanced Materials

The researchers demonstrated the principle of redox gating with no less than 3 different materials:

• بوليمرات مترافقة (سوائل أيونية) (PILs)
• PILs المحتوية على معادن
• أملاح معدنية بسيطة.

The high capacitance gate dielectrics were made with Tungsten (VI) oxide (WO3) and Vanadium (IV) oxide (VO2).

The research work was made possible thanks to pre-existing installations helping to produce the material and analyze the redox gates like the Argonne’s Center for Nanoscale Materials and the Argonne’s Advanced Photon Source.

إمكانات التحكم بالأكسدة والاختزال

استهلاك الطاقة

Because the tested redox gates work with power as low as half a volt, this could open the way for microelectronics that consume very little power and generate very little heat.

نظرًا لأن بوابات الأكسدة والاختزال المختبرة تعمل بجهد منخفض يصل إلى نصف فولت فقط، قد يفتح ذلك الطريق للإلكترونيات الدقيقة التي تستهلك طاقة قليلة جدًا وتولد حرارة قليلة جدًا.

قد تصبح كفاءة الطاقة المتزايدة وتقليل احتياجات التبريد أمرًا مهمًا للغاية، حيث قد يصبح سعة الحوسبة والطاقة التي تستخدمها نقطة اختناق للتقدم المستقبلي في الذكاء الاصطناعي.

The versatility of redox gating mechanisms also could be “تمهيد الطريق لتبني مواد صديقة للبيئة وتطوير هياكل أجهزة مبتكرة”.

الحوسبة الكمومية

Quantum computing is an emerging field that promises to solve problems that are virtually impossible to compute with normal silicon transistors.

الحوسبة الكمومية هي مجال ناشئ يَعِد بحل مشكلات لا يمكن حوسبتها عمليًا باستخدام ترانزستورات السيليكون العادية.

Redox Gating could also contribute to quantum computing progress. More specifically, it could help develop بوابات منطقية كمومية that operate at low power.

نظرًا لأن الحواسيب الكمومية انتقلت من عدد قليل من الكيوبتات إلى تجاوزها مؤخرًا عتبة الآلاف من الكيوبتات، قد يكون التحكم في استهلاك الطاقة أمرًا ضروريًا لرؤية هذا المجال يصبح قابلًا للتطبيق تجاريًا.

حسابات شبيهة بالدماغ

Another promising aspect of redox gating is that it operates at very low voltage and allows for fine-tuning electron flow.

جانب واعد آخر للتحكم بالأكسدة والاختزال هو أنه يعمل بجهد منخفض جدًا ويسمح بضبط تدفق الإلكترونات بدقة.

هذا هو بالضبط الطريقة التي تعالج بها الخلايا العصبية البشرية وتضخم الإشارات الكهربائية. وبالتالي، قد يتيح ذلك في النهاية تطوير تصاميم شرائح إلكترونية تعمل مثل الأدمغة.

نظرًا لأن الدماغ ربما “يحسب” من خلال عناصر حسابات تماثلية منخفضة الجهد (تدرج بدلاً من 1 و 0 مطلقين) وربما تأثيرات الحوسبة الكمومية (نظرية العقل الكمومي)، قد يكون هذا هو (الطريقة الوحيدة؟) لإنشاء ذكاء اصطناعي بقدرات شبيهة بالبشر أو وعي حقيقي.

الخلاصة

Redox Gating might initially seem a very obscure and niche idea in microelectronics.

قد يبدو التحكم بالأكسدة والاختزال في البداية فكرة غامضة ومحدودة جدًا في مجال الإلكترونيات الدقيقة.

ومع ذلك، يوضح أن أشباه الموصلات والحوسبة بعيدان كل البعد عن أن تكون محدودة فقط بتقليل حجم الترانزستورات. ومع الابتكارات الأخرى، قد يفتح ذلك الطريق لشرائح بجهد منخفض، حرارة نفايات منخفضة، وسمية منخفضة.

وقد تعزز أيضًا إمكانات الحوسبة الكمومية وتكون العنصر الأساسي لأنظمة الحوسبة الشبيهة بالدماغ في العقود القادمة.