الإلكترونيات الدورانية: مستقبل الحوسبة الموفرة للطاقة

كيف يمكن للإلكترونيات الدورانية أن تُحدث ثورة في عالم الحوسبة

تدريجيًا، بدأ عالم الحوسبة المادية يتجاوز شرائح السيليكون، أو حتى الأشكال التقليدية للحوسبة الثنائية تمامًا. ويرجع ذلك إلى تزايد صعوبة بناء الشرائح والذاكرة التقليدية في حواسيبنا ومراكز البيانات، حيث لا يتجاوز حجم ترانزستورات الجيل الأحدث بضعة نانومترات.

وهناك عامل آخر يتمثل في أن استهلاك الطاقة أصبح يمثل مشكلة مع استمرار نمو الطلب على قوة الحوسبة، وخاصة لأنظمة الذكاء الاصطناعي.

هناك العديد من الحلول المقترحة، حيث تعتبر الحوسبة الكمومية والفوتونيات من الخيارات الأكثر بروزًا إما لتقليل الطلب على الحوسبة أو جعلها أسرع وأقل استهلاكًا للطاقة.

وهناك تقنية أخرى وهي الدوران الإلكتروني، الذي يستخدم دوران الإلكترونات، وهي خاصية كمية، بدلاً من التيار الكهربائي (تدفق الإلكترونات).

يعمل العلماء على جعل الإلكترونيات الدورانية فعالة للغاية بحيث يمكنها استبدال جزء كبير من احتياجاتنا الحاسوبية.

توصلت دراسة علمية حديثة أجراها باحثون في المعهد الكوري للعلوم والتكنولوجيا (KIST)، وجامعة سيول الوطنية، وجامعة كونسان الوطنية (كوريا)، وجامعة يونسي، وجامعة يوهانس جوتنبرج ماينز (ألمانيا)، إلى أنه يمكن تحويل فقدان الدوران إلى مغناطيسية مرة أخرى، مما يجعل إلكترونيات الدوران أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

وقد نشروا نتائجهم في مجلة Nature Communications¹، تحت عنوان "التبديل المغناطيسي مدفوعًا بتبديد الدوران المغناطيسي".

كان الاكتشاف الأخير الذي توصل إليه باحثون في الأكاديمية الصينية للعلوم، ومختبر الإشعاع السنكروتروني الوطني (الصين)، وجامعة شنغهاي للتكنولوجيا، وجامعة بيهانغ، هو كيفية استخدام العيوب في المواد الدورانية الإلكترونية لجعل الإلكترونيات أسرع وأذكى وأكثر كفاءة.

وقد نشروا نتائجهم في مجلة Nature Materials²، تحت عنوان "القياس غير التقليدي لتأثير هول المداري".

مزايا الإلكترونيات الدورانية وتطبيقاتها المحتملة

تُصنع المكونات الإلكترونية، مثل الترانزستورات، تقليديًا من السيليكون وتعتمد على أشباه الموصلات. تشير إشارتا 0 و1 في النظام الثنائي إلى مرور التيار الكهربائي أو انقطاعه.

الطريقة البديلة لإجراء العمليات الحسابية هي من خلال أجهزة الدوران الإلكتروني، والتي تعمل على دوران الإلكترونات (سمة كمية أساسية) بدلاً من التيار الكهربائي (تدفق الإلكترونات).

المصدر إنسايت IAS

يمكن ترميز البيانات في كل من الزخم الزاوي المغزلي، والذي يمكن تصوره على أنه اتجاه مدمج "لأعلى" أو "لأسفل" للإلكترون، والزخم الزاوي المداري، والذي يصف كيف تتحرك الإلكترونات حول النوى الذرية.

نظرًا لأن هذا يحتوي على معلومات أكثر من مجرد 0 و1، فإن الدوران يمكن أن يحتوي على المزيد من البيانات لكل ذرة مقارنة بالإلكترونيات التقليدية.

لدى Spintronics عدد قليل أخرى المزايا على الأنظمة الإلكترونية الكلاسيكية، ولا سيما:

• بيانات أسرع، حيث يمكن تغيير الدوران بسرعة كبيرة.
• استهلاك أقل للطاقة، حيث يمكن تغيير الدوران بقدرة أقل مما يتطلبه الحفاظ على تدفق الإلكترونات لإنشاء تيار.
• يمكن استخدام المعادن البسيطة بدلاً من المواد شبه الموصلة المعقدة.
• يعتبر الدوران أقل تقلبًا من حالة أشباه الموصلات، مما يجعل تخزين البيانات أكثر استقرارًا.

مرر للتمرير →

تُستخدم تقنية Spintronics بالفعل في محركات الأقراص الصلبة، وقد سمحت بزيادة سعة تخزين البيانات على مدار العقد الماضي.

"الدوران هو خاصية ميكانيكية كمية للإلكترونات، وهو يشبه مغناطيسًا صغيرًا تحمله الإلكترونات، ويشير إلى الأعلى أو الأسفل.

"يمكننا الاستفادة من دوران الإلكترونات لنقل ومعالجة المعلومات في ما يسمى بأجهزة الدوران الإلكتروني."

تاليه غياسي - باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة دلفت للتكنولوجيا

التغلب على التحديات المادية في مجال الإلكترونيات الدورانية

على الرغم من هذه المزايا، لم تكتسب الإلكترونيات الدورانية بعد زخمًا تجاريًا. ويعود ذلك جزئيًا إلى دور عيوب المواد. فوجود عيوب في المادة قد يُسهّل أحيانًا "كتابة" البيانات في بتات الذاكرة عن طريق تقليل التيار اللازم.

ومع ذلك، فإن هذه العيوب تؤدي أيضًا إلى زيادة المقاومة الكهربائية وتقليل توصيلية هول الدورانية، مما يجعل استخدام الدوران لترميز البيانات أكثر تحديًا بشكل كبير.

قد يكون الحل هو استخدام روثينات السترونشيوم (SrRuO3)، وهو أكسيد معدني انتقالي يمكن ضبط خصائصه بدقة.

تؤدي الهندسة الدقيقة للعيوب في المواد باستخدام أجهزة مصممة خصيصًا وتقنيات قياس دقيقة إلى تغيير كيفية تفاعل الدورات معها.

"إن عمليات التشتت التي عادة ما تؤدي إلى تدهور الأداء تعمل في الواقع على إطالة عمر الزخم الزاوي المداري، وبالتالي تعزيز التيار المداري."

الدكتور شوان تشنغ - الأكاديمية الصينية للعلوم

يختلف هذا اختلافًا جذريًا عن الأنظمة التقليدية القائمة على الدوران. في هذه التجارب، أدى تعديل الموصلية المُصمم خصيصًا إلى تحسين كفاءة الطاقة التبديلية بمقدار ثلاثة أضعاف.

يُعيد هذا العمل صياغة قواعد تصميم هذه الأجهزة. فبدلاً من معالجة عيوب المواد، يُمكننا الآن استغلالها.

البروفيسور تشيمينغ وانغ - الأكاديمية الصينية للعلوم

الحوسبة الموفرة للطاقة باستخدام الإلكترونيات الدورانية

المغناطيسية والدوران

وبما أن الدوران هو أحد السمات المميزة لجزيئات الإلكترون، فربما لا يكون من المستغرب أن يجد الباحثون روابط جديدة بين الدوران ومغناطيسية المواد الإلكترونية.

كان الباحثون الكوريون يدرسون هذا الارتباط. تقليديًا، يتطلب تحويل مغناطيسية أي مكون إلكتروني بين 1 و0 تيارات كهربائية كبيرة لعكس اتجاه المغناطيسية. تؤدي هذه العملية إلى فقدان في الدوران، وهو ما يُعتبر مصدرًا رئيسيًا لهدر الطاقة وانخفاض الكفاءة.

وبدلاً من محاولة التخفيف من هذه الخسارة وتقليل تبديد الدوران، فإنهم يتطلعون إلى استخدامه من خلال الجمع بين معدن مغناطيسي حديدي واحد وعازل مضاد للمغناطيسية الحديدية.

المصدر مواد الطبيعة

المصدر مواد الطبيعة

تيارات الدوران

ركز الباحثون على التيارات الدورانية، والتي تسمى أيضًا الماغنونات.

المصدر هاب بيج

اكتشفوا أن كفاءة تحويل الدوران إلى ماغنون كانت الأعلى عندما كان المحور المغناطيسي البلوري السهل (n) هو الأقرب إلى استقطاب الدوران (μ).

في الممارسة العملية، يعني هذا أن فقدان الدوران تم استخدامه لتوفير الطاقة المطلوبة لإحداث تغيير في الحالة المغناطيسية للمادة. 

المصدر مواد الطبيعة

قابلة للتطوير باستخدام التقنيات الحالية

تعتمد هذه الطريقة على بنية جهاز بسيطة متوافقة مع عمليات تصنيع أشباه الموصلات الحالية.

"حتى الآن، ركز مجال الإلكترونيات الدورانية فقط على تقليل خسائر الدوران، لكننا قدمنا ​​اتجاهًا جديدًا باستخدام الخسائر كطاقة لتحفيز التبديل المغناطيسي."

الدكتور دونغ سو هان - Sباحث كبير في معهد KIST.

وهذا يجعلها قابلة للتطبيق بشكل كبير للإنتاج الضخم، كما أنها مفيدة أيضًا للتصغير والتكامل العالي، وهو الأمر الذي يمكن أن يبطئ بشكل كبير اعتماد التصميمات الجديدة الأكثر جذرية في الإلكترونيات.

وبالتالي، فإن هذا الاكتشاف قد يفتح المجال لتطبيقات سريعة في الذاكرة والحوسبة لأشباه الموصلات الخاصة بالذكاء الاصطناعي، والذاكرة منخفضة الطاقة للغاية، والحوسبة العصبية، وأجهزة الحوسبة القائمة على الاحتمالات.

وبما أن هذه المجالات مزدهرة بالفعل، فإن هذا قد يمنح هذه التكنولوجيا فرصة هائلة.

"نخطط لتطوير أجهزة أشباه الموصلات للذكاء الاصطناعي فائقة الصغر ومنخفضة الطاقة بشكل نشط، حيث يمكن أن تكون بمثابة الأساس لتقنيات الحوسبة منخفضة الطاقة للغاية والتي تعد ضرورية في عصر الذكاء الاصطناعي."

الدكتور دونغ سو هان - Sباحث كبير في معهد KIST.

خاتمة

كانت تقنية الدوران الإلكتروني حتى الآن مقتصرة على تقنية القرص الصلب، ولكنها تتغير بسرعة بفضل الفهم الأفضل لكيفية التعامل مع دوران الإلكترونات واستخدامه.

يجب أن يؤدي هذا إلى إنشاء نوع جديد من الإلكترونيات، ليس أكثر قوة بكثير، كما هو شائع مع الرقائق الجديدة والأصغر حجمًا، ولكن أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وأسهل في التصنيع، وهما نقطتان مهمتان حيث أصبح استهلاك الطاقة بشكل متزايد نقطة اختناق في نشر مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي والحوسبة الحافة (مثل السيارات ذاتية القيادة أو الروبوتات).

شركات الإلكترونيات السبينية

1. تقنيات Everspin

Everspin هي فرع من شركة Freescale (المعروفة الآن باسم NXP، ورمزها في البورصة NXPI) متخصصة في تطوير أنظمة ذاكرة MRAM. تم فصلها وطرح أسهمها للاكتتاب العام في عام ٢٠١٦.

تعتبر شركة Everspin رائدة في تكنولوجيا MRAM (ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية المقاومة)، حيث ورثت خبرة شركة Freescale في هذا المجال. أول من قام بتسويق شريحة MRAM في عام 2006.

نظرًا لأن MRAM هي ذاكرة تستمر حتى في حالة عدم وجود تيار، يتم استخدامها بشكل متزايد في حالات الاستخدام الحساسة حيث تكون البيانات الحرجة مهمة للغاية بحيث لا يمكن المخاطرة بفقدانها.

بفضل التطبيقات الشاملة مثل تحليلات البيانات والحوسبة السحابية، سواء الأرضية أو خارج الأرض، والذكاء الاصطناعي، والذكاء الاصطناعي الحافة، بما في ذلك إنترنت الأشياء الصناعي، من المتوقع أن ينمو سوق الذاكرة الدائمة بمعدل نمو سنوي مركب قدره 27.5٪ بين عامي 2020 و 2030

إيفرسبين

المصدر إيفرسبين

وتقدر الشركة أن يصل حجم السوق إلى 7.4 مليار دولار بحلول عام 2027. ولم تسجل الشركة أي ديون وتدفقات نقدية حرة إيجابية منذ عام 2021.

تشغل منتجات Everspin MRAM حاليًا مكانة صغيرة ولكنها متنامية، حيث تخدم الأسواق حيث تكون الموثوقية أمرًا بالغ الأهمية، مثل الفضاء والأقمار الصناعية ومسجلات البيانات وأجهزة مراقبة المرضى وما إلى ذلك.

المصدر إيفرسبين

قد يكون نمو الشرائح والذكاء الاصطناعي والأنظمة المتشابكة بمثابة دفعة طويلة المدى للشركة.

2. شركة NVE

زعيم آخر للإلكترونيات السبينية، تعمل شركة NVE على هذه التقنية منذ حصولها على أول براءة اختراع في تقنية MRAM في عام 1995. إنه ينتج الدوران الإلكتروني أجهزة الاستشعار و العوازل، وتستخدم في الغالب في أنظمة القياس والاستشعار للسيارات، والتروس، والأجهزة الطبية، وإمدادات الطاقة، وغيرها من الأجهزة الصناعية.

المصدر NVE

هذا يضع NVE في فئة مختلفة إلى حد ما عن Everspin، حيث تعتبر NVE شركة صناعية ذات مكانة قوية في سوق متخصصة (مقياس مغناطيسي يستخدم spintronics)، في حين تعتبر Everspin شركة ذاكرة/حوسبة تعمل في منافسة مع أمثال Intel وQualcomm وToshiba وSamsung، الذين يقومون أيضًا بتطوير منتج MRAM الخاص بهم.

يمكن أن يجعل السهم أكثر (أو أقل) جاذبية اعتمادًا على ملفات تعريف المستثمرين، حيث من المرجح أن يجذب سهم NVE المستثمرين الأكثر تحفظًا الذين يسعون إلى الحصول على عائد أرباح وأمان.

الدراسات المرجعية

<sup>1. بنغ، س.، تشنغ، إكس، لي، س. وآخرون. القياس غير التقليدي لتأثير هول المداري. نات  الأمط المرض. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. تشوي، واي، ها، جيه إتش، جونغ، إم إس. وآخرون. التبديل المغناطيسي مدفوعًا بتبديد الدوران المغناطيسي. نات  COMMUNices 16 ، 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w</sup>