الإلكترونيات الدوارة: مستقبل الحوسبة الموفرة للطاقة

كيف يمكن للإلكترونيات الدوارة أن تُحدث ثورة في الحوسبة

Progressively, the world of hardware computing is starting to look beyond silicon chips, or even classical forms of binary computing altogether. This is because the usual chips and memory in our computers and data centers are getting increasingly difficult to build, with the latest generation having transistors barely a few nanometers in size.

عامل آخر هو أن استهلاك الطاقة أصبح مشكلة مع تزايد الطلب على قوة الحوسبة، لا سيما لأنظمة الذكاء الاصطناعي.

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

أخرى هي الإلكترونيات الدوارة، التي تستخدم دوران الإلكترونات، وهو خاصية كمية، بدلاً من التيار الكهربائي (تدفق الإلكترونات).

يعمل العلماء على جعل الإلكترونيات الدوارة فعّالة لدرجة أنها قد تحل محل جزء كبير من احتياجاتنا الحوسبية.

وجدت ورقة علمية حديثة من باحثين في معهد كوريا للعلوم والتكنولوجيا (KIST)، جامعة سيول الوطنية، جامعة كونسان الوطنية (كوريا)، جامعة يونسي، وجامعة يوهانس جوتنبرغ ماينز (ألمانيا) أن فقدان الدوران يمكن تحويله مرة أخرى إلى تمغنط، مما يجعل إلكترونيات الدوارة أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.

نشروا نتائجهم في مجلة Nature Communications¹ تحت عنوان “تبديل التمغنط المدفوع بفقدان الدوران الماغنوني”.

اكتشاف حديث آخر من باحثين في الأكاديمية الصينية للعلوم، مختبر الإشعاع المتزامن الوطني (الصين)، جامعة شنغهاي للتقنية، وجامعة بيهانغ كان حول كيفية استخدام العيوب في مواد الإلكترونيات الدوارة لجعل الإلكترونيات أسرع وأكثر ذكاءً وكفاءة.

نشروا نتائجهم في مجلة Nature Materials² تحت عنوان “توسيع غير تقليدي لتأثير القاعة المدارية”.

مزايا الإلكترونيات الدوارة وتطبيقاتها المحتملة

Electronic components, such as transistors, are traditionally built from silicon and rely on semiconductors. The 0 and 1 signals in binary indicate the passing or blocking of an electric current.

طريقة بديلة لإجراء الحوسبة هي عبر أجهزة الإلكترونيات الدوارة، 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، والزخم 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.

الإلكترونيات الدوارة لها بعض الأخرى المزايا على الأنظمة الإلكترونية الكلاسيكية, وخاصةً:

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

اسحب للتمرير →

تُستخدم الإلكترونيات الدوارة بالفعل في الأقراص الصلبة وقد سمحت بزيادة سعة تخزين البيانات على مدى العقد الماضي.

“الدوران هو خاصية ميكانيكية كمية للإلكترونات، تشبه مغناطيسًا صغيرًا تحمله الإلكترونات، يشير إلى الأعلى أو الأسفل.

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

Talieh Ghiasi – باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة دلفت للتكنولوجيا

تجاوز تحديات المواد في الإلكترونيات الدوارة

على الرغم من هذه المزايا، لم تحقق الإلكترونيات الدوارة بعد جذبًا تجاريًا. ويرجع ذلك جزئيًا إلى دور عيوب المواد. قد يجعل إدخال العيوب في مادة ما من الأسهل أحيانًا “كتابة” البيانات في خلايا الذاكرة عن طريق تقليل التيار المطلوب.

ومع ذلك، تزيد هذه العيوب من المقاومة الكهربائية وتقلل من توصيلية هول الدورانية، مما يجعل استخدام الدوران لتشفير البيانات أكثر صعوبة بشكل كبير.

قد يكون الحل هو استخدام سترونتيوم روتينات (SrRuO3)، وهو أكسيد معدن انتقالي يمكن تعديل خصائصه بدقة.

يؤدي الهندسة الدقيقة للعيوب في المادة باستخدام أجهزة مصممة خصيصًا وتقنيات قياس دقيقة إلى تغيير طريقة استجابة الدورانات لها.

“عمليات التشتت التي عادةً ما تُضعف الأداء في الواقع تُطيل عمر الزخم الزاوي المداري، وبالتالي تعزز التيار المداري.”

Dr. Xuan Zheng – الأكاديمية الصينية للعلوم

هذا يختلف جذريًا عن الأنظمة التقليدية القائمة على الدوران. في هذه التجارب، أدّى تعديل التوصيلية المخصص إلى تحسين كفاءة طاقة التبديل بمقدار 3 أضعاف.

“هذا العمل يعيد كتابة قواعد تصميم هذه الأجهزة أساسًا. بدلاً من محاربة عيوب المواد، يمكننا الآن استغلالها.”

Prof. Zhiming Wang – الأكاديمية الصينية للعلوم

الحوسبة الموفرة للطاقة باستخدام الإلكترونيات الدوارة

المغناطيسية والدوران

نظرًا لأن الدوران هو خاصية لجسيمات الإلكترون، قد لا يكون من المفاجئ أن الباحثين يكتشفون روابط جديدة بين الدوران وتمغنط المواد الإلكترونية.

كان الباحثون الكوريون يدرسون هذه الصلة. تقليديًا، يتطلب تبديل تمغنط مكون إلكتروني بين 1 و 0 تيارات كبيرة لعكس اتجاه التمغنط. ينتج عن هذه العملية فقدان للدوران، والذي يُعتبر مصدرًا رئيسيًا لهدر الطاقة وضعف الكفاءة.

بدلاً من محاولة الحد من هذا الفقد وتقليل تبديد الدوران، يسعون إلى استغلاله من خلال دمج معدن فائق المغنطة واحد مع عازل مضاد للمغنطة.

المصدر: Nature Materials

المصدر: Nature Materials

تيارات الدوران

ركز الباحثون على تيارات الدوران، التي تُسمى أيضًا الماغنون.

المصدر: Hubpage

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

عمليًا، يعني ذلك أن فقدان الدوران استُخدم لتوفير الطاقة المطلوبة لإحداث تغيير في الحالة المغناطيسية للمادة. 

المصدر: Nature Materials

قابل للتوسيع باستخدام التقنيات الحالية

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

“حتى الآن، ركز مجال الإلكترونيات الدوارة فقط على تقليل فقدان الدوران، لكننا قدمنا اتجاهًا جديدًا باستخدام هذه الخسائر كطاقة لإحداث تبديل التمغنط،”

Dr. Dong-Soo Han – باحث أول في KIST.

يجعل ذلك من الممكن إنتاجه على نطاق واسع، كما أنه مفيد للتصغير والتكامل العالي، وهو أمر قد يبطئ بشكل كبير تبني تصاميم جديدة أكثر جذرية في الإلكترونيات.

لذلك، قد تشهد هذه الاكتشافات تطبيقات سريعة في الذاكرة والحوسبة للمعالجات الدقيقة للذكاء الاصطناعي، والذاكرة فائقة المنخفضة الطاقة، والحوسبة العصبية، وأجهزة الحوسبة القائمة على الاحتمالات.

نظرًا لأن هذه المجالات تشهد ازدهارًا بالفعل، قد يمنح ذلك للتقنية نافذة فرص هائلة.

“نخطط لتطوير أجهزة معالجات دقيقة منخفضة الطاقة للذكاء الاصطناعي بنشاط، حيث يمكن أن تكون أساسًا لتقنيات الحوسبة فائقة المنخفضة الطاقة الضرورية في عصر الذكاء الاصطناعي.”

Dr. Dong-Soo Han – باحث أول في KIST.

الخلاصة

كانت الإلكترونيات الدوارة حتى الآن محصورة في تقنية الأقراص الصلبة، لكنها تتغير بسرعة بفضل الفهم الأفضل لكيفية التحكم واستخدام دوران الإلكترونات.

يجب أن يؤدي ذلك إلى إنشاء نوع جديد من الإلكترونيات، ليس بالضرورة أكثر قوة كما هو الحال مع الشرائح الجديدة والصغيرة، بل أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وأسهل في التصنيع، وهما نقطتان مهمتان مع تزايد استهلاك الطاقة كعقبة في نشر مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي والحوسبة الطرفية (مثل السيارات ذاتية القيادة أو الروبوتات).

شركات الإلكترونيات الدوارة

1. Everspin Technologies

Everspin هي فرع من Freescale (المعروفة الآن باسم NXP، رمز السهم NXPI) مكرس لتطوير أنظمة ذاكرة MRAM. تم فصلها وإدراجها في البورصة في عام 2016.

تُعتبر Everspin رائدة تقنية MRAM (الذاكرة العشوائية المقاومة للمغناطيسية)، مستفيدةً من خبرة Freescale في كونها الأولى التي تجّرت شريحة MRAM تجاريًا 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 بتطبيقات شاملة مثل تحليلات البيانات، الحوسبة السحابية، سواء على الأرض أو في الفضاء، الذكاء الاصطناعي (AI)، وحوسبة الحافة، بما في ذلك إنترنت الأشياء الصناعي، من المتوقع أن ينمو سوق الذاكرة الدائمة بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 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 ولكنها متنامية، تخدم أسواقًا حيث الموثوقية 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

قائد آخر في مجال الإلكترونيات الدوارة، تعمل NVE على هذه التقنية منذ حصولها على أول براءة اختراع في تقنية MRAM عام 1995. تُنتج أجهزة استشعار وعوازل دوارة، تُستخدم في الغالب في أنظمة القياس والاستشعار للسيارات، التروس، الأجهزة الطبية، مصادر الطاقة، وغيرها من الأجهزة الصناعية.

المصدر: NVE

يضع هذا NVE في فئة مختلفة إلى حد ما عن Everspin، حيث تُعد NVE شركة صناعية ذات موقع قوي في سوق متخصصة (مقاييس مغناطيسية تستخدم الإلكترونيات الدوارة)، بينما تُعد Everspin شركة ذاكرة/حوسبة تعمل وتتنافس مع شركات مثل Intel (INTC ) و Qualcomm (QCOM ) و Toshiba و Samsung، الذين يطورون أيضًا منتجات MRAM الخاصة بهم.

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

الدراسات المشار إليها

<sup>1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. توسيع غير تقليدي لتأثير القاعة المدارية. Nature Materials. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. تبديل التمغنط المدفوع بفقدان الدوران الماغنوني. Nature Communications 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w</sup>