تزايد احتياجات الذكاء الاصطناعي إلى التخزين: إمكانات التخزين الميكانيكي للبيانات

تتزايد احتياجات الحوسبة والذكاء الاصطناعي إلى تخزين البيانات، مما يدفع البحث في مواد وأساليب جديدة. من بينها تخزين المعلومات على هيئة تغيرات ميكانيكية دقيقة في سطح البوليمرات. نستعرض هنا هذه التجربة البحثية وإمكاناتها وحدودها.

الطلب على تخزين البيانات في ازدياد.

يتوسع الطلب على تخزين البيانات في الشركات والجهات الحكومية وبين الأفراد. يذكر المقال، في سياقه التاريخي، أكثر من 9,000 مركز بيانات عالميًا وأكثر من 5,000 في الولايات المتحدة. تختلف هذه الأعداد باختلاف تاريخ الإحصاء وتعريف مركز البيانات، ولا تُعامل هنا بوصفها أرقامًا حالية موثقة.

التخزين السحابي يتصدر القائمة

ينقل المقال توقعًا تاريخيًا بارتفاع سوق التخزين السحابي من 61 مليار دولار في 2020 إلى 390 مليارًا في 2028. هذا توقع سوقي لم يتحقق بعد عند كتابة المقال، وليس نتيجة مؤكدة. يزيد الذكاء الاصطناعي الحاجة إلى تخزين بيانات التدريب والنماذج، لكن تحسين الكفاءة قد يقلل بعض الاحتياجات، ولا تتطلب كل خدمة نموذجًا أكبر.

مشكلات طرق تخزين البيانات الحالية

تُستخدم تقنيات التخزين الحالية بالفعل في أنظمة الذكاء الاصطناعي، لكنها تواجه تحديات في الكثافة والسرعة والتكلفة. تحد الحبيبات المغناطيسية من تصغير الأقراص الصلبة، بينما تعتمد أقراص الحالة الصلبة وذاكرة الفلاش على خلايا إلكترونية لا حبيبات مغناطيسية. وتواجه الأقراص البصرية قيودًا مرتبطة بالحيود وحجم العلامات المسجلة.

التخزين الميكانيكي

يُمثل التخزين الميكانيكي المعلومات بانبعاجات دقيقة في سطح مادة. سبق أن استكشفت شركات مثل IBM وIntel (INTC ) هذا النهج بسبب إمكاناته في التخزين عالي الكثافة.

مشكلات طرق التخزين الميكانيكي المستخدمة اليوم

قدمت الأبحاث السابقة نماذج واعدة، لكن تحضير المواد واستقرار العلامات ودرجات حرارة المسح وتعقيد القراءة والكتابة ظلت تحديات. كما أن بعض الأساليب استخدمت مسبارًا ساخنًا، مما يزيد احتياجات الطاقة وتعقيد التشغيل.

دراسة تخزين البيانات البوليمرية عالية الكثافة

تقدم دراسة¹ في مجلة Advanced Science بوليمرات منخفضة التكلفة تُحضّر بالفلكنة العكسية لاستخدامها وسطًا للتخزين. تتيح خواصها الميكانيكية تكوين علامات نانوية، بينما تساعد روابط الكبريت الديناميكية على مسحها بالتسخين.

المصدر – Advanced Science

طوّر فريق جامعة فليندرز بوليمرات ذات سطح أملس مناسب للانبعاجات الدقيقة، باستخدام الكبريت مع ثنائي سيكلوبنتاديين أو سيكلوبنتاديين. يشير وصف «بوليمر فليندرز» إلى المادة التي بحثها الفريق، وليس اسمًا تجاريًا لمنتج تخزين جاهز.

المواد الأولية منخفضة التكلفة ومتاحة، ويمكن إعادة تشكيل الشبكة البوليمرية أثناء المسح. لا يعني ذلك أن جميع المواد الخام متجددة المصدر أو أن الأثر البيئي للمنظومة أصبح معدومًا.

انبعاجات نانوية لتخزين البيانات

استخدم الباحثون مجهر القوة الذرية لإنشاء انبعاجات بأعماق مضبوطة من أقل من 1 إلى 30 نانومتر. سمح عمق العلامة بترميز معلومات إضافية. وفي عرضهم للترميز الثلاثي بلغت الكثافة نحو أربعة أمثال الترميز الثنائي على السطح نفسه؛ ليست هذه مقارنة تثبت زيادة أربعة أضعاف على كل قرص صلب تجاري.

نظام الترميز الرقمي الثلاثي

في الترميز الثنائي توجد حالتان لكل خلية، ويمكن لثماني خلايا تمثيل 256 نمطًا. أما ثلاث حالات لكل خلية فتعطي 6,561 نمطًا عبر ثماني خلايا. ليست الأنظمة الثنائية محدودة بثماني خلايا إجمالًا؛ هذه مقارنة بين مجموعتين بالحجم نفسه. استُخدم وجود الانبعاج وعمقه لتمييز الحالات.

مسح تخزين البيانات البوليمري

اختبر الفريق إمكان مسح العلامات وإعادة الكتابة. يتيح التسخين تبادل روابط الكبريت–الكبريت وإعادة تنظيم الشبكة، فتنساب المادة وتملأ الانبعاجات. تعتمد النتيجة على تركيب البوليمر ودرجة الحرارة ومدة التسخين.

اختبار تخزين البيانات البوليمري

اختبر الباحثون تركيبين بوليمريين ومدى إمكان تعديل سطحيهما على المقياس النانوي، كما درسوا العلاقة بين قوة مسبار مجهر القوة الذرية وعمق الانبعاج.

في الاختبارات الأولى تراوحت القوى بين 0.6 و3.8 ميكرونيوتن. وباستخدام رأس مسبار مختلف عالي نسبة الطول إلى العرض أمكن تكوين علامات أصغر بقوة أقل؛ بلغ عرض الانبعاج عند أوسع نقطة 15 ± 1 نانومتر.

اختبار المسح

أنشأ الفريق مصفوفات 4 × 4 من انبعاجات بعمق 18–27 نانومتر على سبع عينات من البوليمرات المصبوبة على السيليكون. أزال التسخين عند 170°م لمدة دقيقتين الانبعاجات بالكامل في بوليمر ثنائي سيكلوبنتاديين. لم يتحقق المسح الكامل بالقدر نفسه في التركيب الآخر، لذا لا يصح تعميم النتيجة على كل العينات.

النتائج

أظهرت الأغشية الرقيقة نتيجة أسرع: أمكن مسح العلامات بالتسخين عند 140°م لمدة 10 ثوانٍ، مع عرض أربع دورات من الكتابة والقراءة والمسح وإعادة الكتابة. هذه نتيجة تجريبية، وليست جهاز تخزين تجاريًا كاملًا.

تابع الفريق استقرار الانبعاجات بمجهر القوة الذرية لمدة ثلاثة أشهر ولم يرصد تغيرًا فيها. كما اختبر أغشية بوليمرية رقيقة وقرأ علامات ثنائية بالمجهر الإلكتروني الماسح. لم يوفر التصوير الإلكتروني قياسًا دقيقًا للعمق يكفي لقراءة جميع الحالات الثلاثية.

فوائد أجهزة التخزين الميكانيكي

من مزايا الفكرة بساطة تمثيل المعلومات بعلامات مادية دقيقة. الحديث هنا عن ذاكرة بيانات ميكانيكية، وليس بطاريات لتخزين الطاقة.

كثافة عالية

استخدام العمق إلى جانب وجود العلامة أو غيابها يزيد المعلومات الممكن تسجيلها في مساحة صغيرة. وقد تساعد مصفوفات المجسات على القراءة والكتابة المتوازيتين، لكن السرعة والتوسع يظلان تحديين هندسيين.

رخيص التكلفة

يمكن أن يساعد انخفاض تكلفة الكبريت وثنائي سيكلوبنتاديين وسهولة التحضير في تطوير وسط تخزين اقتصادي. أما تكلفة النظام النهائي فتشمل أيضًا المجسات وآليات الحركة والقراءة والتحكم.

استهلاك طاقة منخفض

يمكن تكوين العلامات في هذه الدراسة عند درجة حرارة الغرفة، مما يقلل الحاجة إلى تسخين المسبار أثناء الكتابة. لكن المسح ما زال يتطلب الحرارة، ولذلك لا يصح وصف دورة التشغيل كلها بأنها بلا تسخين أو قليلة الطاقة على نحو مضمون.

مسح وإعادة الاستخدام

أمكن تكرار المسح وإعادة الكتابة في بوليمر الفريق، وقلّ زمن المسح في الأغشية الرقيقة إلى ثوانٍ. ولا تعني هذه الاختبارات أن العمر التشغيلي وعدد دورات الاستخدام غير محدودين.

نظيف

في اختبار تكرار تسخين الأغشية وتبريدها لم يرصد الباحثون تغيرًا في التركيب العنصري أو تشكل كبريت عنصري. هذا يختلف عن إثبات انعدام جميع النواتج الثانوية أو ضمان استدامة أنظمة الذكاء الاصطناعي بالكامل. يتطلب التقييم البيئي دراسة دورة الحياة والمنظومة كلها.

قضايا تحتاج إلى معالجة

يجب حماية البيانات من درجات الحرارة التي تعيد تشكيل السطح وتمسح العلامات. تعتمد حدود التشغيل على البوليمر وشكل العينة، ويجب أيضًا تقييم الثبات طويل الأجل ومقاومة التلف وسرعة القراءة والكتابة قبل الاستخدام الواسع.

الباحثون

قاد مختبر تشالكر في جامعة فليندرز الدراسة، وكانت أبيغيل مان مؤلفتها الأولى. شارك في الإشراف بانكاج شارما وكريستوفر غيبسون وجاستن تشالكر. اقترح الفريق دراسة المسح بليزر منخفض القدرة ونسخ البيانات بالطباعة النانوية؛ وهي اتجاهات بحثية، لا إعلان عن بطارية ميكانيكية تجارية.

الشركات التي يمكن أن تستفيد من دراسة التخزين الميكانيكي للبيانات

قد تهتم شركات التخزين بتقنيات أعلى كثافة أو أقل تكلفة، لكن نقل نتائج المختبر إلى خدمات تجارية يتطلب اختبار الاعتمادية والسرعة والتكامل. المثال التالي شركة خدمات بيانات، وليس دليلًا على تبنيها هذا البوليمر.

Data Storage Corporation

تقدم Data Storage Corporation (DTST ) خدمات مرتبطة بحماية البيانات واستمرارية الأعمال. يعود تأسيس شركة تشغيلية ضمن تاريخها إلى 2001. ولا ينبغي الخلط بين ولاية التأسيس القانوني وموقع العمل، أو اختزال تاريخ المجموعة في اندماج واحد مع Emergent LLC.

شملت خدمات الشركة في سياق المقال النسخ الاحتياطي خارج الموقع والتعافي من الكوارث وخدمات البنية التحتية. تساعد هذه الخدمات المؤسسات على استعادة أعمالها، لكن نجاح الاستعادة يعتمد على التصميم والاختبارات وظروف الحادث.

يذكر المقال حلولًا مثل ezHost للاستضافة وexVault للنسخ الاحتياطي والحماية وezRecovery للتعافي. ينبغي التحقق من خصائص كل خدمة وشروطها؛ وجود التشفير أو التكرار لا يضمن منع كل فقد للبيانات.

قد تتيح تقنيات التخزين الجديدة فرصًا مستقبلية لمزودي الخدمات، لكن لا يوجد هنا دليل على أن Data Storage Corporation تبنت هذا البوليمر. زيادة الكثافة أربع مرات في تجربة ترميز محددة لا تعني إمكان مضاعفة سعة منشآت الشركة أربع مرات أو ضمان ارتفاع العائد الاستثماري.

تقنيات تخزين إضافية تستحق التعرف عليها

يبحث العلماء في أساليب أخرى لتخزين المعلومات، ولكل منها مزايا وحدود. بعضها يهدف إلى تحمل الحرارة أو الاحتفاظ طويل الأجل، ولا تزال تطبيقات كثيرة في مرحلة البحث.
ذاكرة قائمة على الأكسجين

تستخدم هذه الذاكرة انتقال أيونات الأكسجين وتغير حالة مادة أساسها أكسيد التنتالوم، مع التحكم بواسطة ثلاثة أقطاب بلاتينية. إنها ذاكرة كهروكيميائية وليست تخزينًا ميكانيكيًا، والأيونات ليست جزيئات O2. أظهرت الدراسة الاحتفاظ بالمعلومات عند نحو 600°م لأكثر من 24 ساعة، لا حصانة مطلقة من أي حرارة.

البلورات

تستخدم بعض تقنيات التخزين البصري ليزرًا فائق السرعة لتكوين بنى نانوية داخل زجاج السيليكا. تُعرف تجاريًا أو إعلاميًا باسم «بلورات الذاكرة»، رغم أن زجاج السيليكا ليس بلورة منتظمة البنية. يمكن أن يوفر هذا الوسط احتفاظًا طويل الأجل ومقاومة للحرارة وفق شروط الاختبار.

الألماس

الألماس نفسه مادة بلورية. تدرس الأبحاث تخزين المعلومات عبر التحكم الضوئي في حالات شحنة عيوب تسمى المراكز اللونية، وليس تغيير لون مركز قطعة الألماس بمجرد شحنة كهربائية. يعتمد استقرار البيانات وإمكان قراءتها على نوع العيب وظروف التشغيل، ولا يصح افتراض مقاومة مطلقة للحرارة والزمن.

التخزين الميكانيكي للبيانات – هل هو المستقبل؟

يجذب التخزين الميكانيكي الاهتمام بسبب إمكان زيادة كثافة المعلومات واستخدام مواد منخفضة التكلفة. لكن تصغير الأجهزة وتحسين استدامتها يعتمدان على حل تحديات القراءة والكتابة والثبات والتكامل، وليس على مادة التخزين وحدها.

تعرف على مزيد من تطورات الحوسبة هنا.

مرجع الدراسة:

^{1. Mann, A. K., Tonkin, S. J., Sharma, P., Gibson, C. T., & Chalker, J. M. (نشر إلكترونيًا في 2024؛ المجلد في 2025). تخزين البيانات الميكانيكي القائم على المجس باستخدام بوليمرات مصنوعة بالفلكنة العكسية. Advanced Science, 12, 2409438. https://doi.org/10.1002/advs.202409438}