أجهزة كمبيوتر سريعة للغاية

قد يكون من الممكن تطوير أجهزة كمبيوتر أسرع وأصغر وأكثر مراعاة للبيئة، قادرة على معالجة المعلومات بسرعة تصل إلى ألف مرة أسرع من السرعة الحالية، وذلك عن طريق تحويل مادة السيليكون التي تعتمد عليها إلى مواد مبتكرة قادرة على التبديل بسرعة بين حالات إلكترونية مختلفة.

[ترجمة د. موشيه نحماني]

قد يكون من الممكن تطوير أجهزة كمبيوتر أسرع وأصغر وأكثر مراعاة للبيئة، قادرة على معالجة المعلومات بسرعة تصل إلى ألف مرة أسرع من السرعة الحالية، وذلك عن طريق تحويل مادة السيليكون التي تعتمد عليها إلى مواد مبتكرة قادرة على التبديل بسرعة بين حالات إلكترونية مختلفة.

من الممكن التغلب على القيود الحالية المتعلقة بالحجم والسرعة لمعالجات الكمبيوتر وحجم الذاكرة عن طريق تحويل مادة السيليكون إلى مواد مبتكرة تسمى "مواد تغيير الطور" (PCMs، ويكيبيديا)، مواد قادرة على التبديل بشكل عكسي بين حالتين هيكليتين لهما حالات إلكترونية مختلفة - الأولى بلورية وموصلة للكهرباء، والثانية زجاجية وعازلة للكهرباء - خلال جزء من مليار من الثانية.

أظهر تشغيل النماذج وإجراء الاختبارات على الأجهزة المعتمدة على هذه المواد أنه يمكن إجراء عمليات المعالجة المنطقية في خلايا الذاكرة غير المتطايرة باستخدام مجموعات محددة من نبضات الجهد القصير للغاية، وهو أمر غير ممكن بالنسبة للأجهزة المعتمدة على السيليكون.

وفي هذه الأجهزة المبتكرة، تكون العمليات المنطقية والذاكرة في مكان مشترك، وليس في مواقع منفصلة، ​​كما هو الحال في أجهزة الكمبيوتر القائمة على السيليكون. يمكن لهذه المواد، في النهاية، أن تتيح سرعات معالجة أعلى بما يتراوح بين 1000 إلى 500 مرة من معدلات السرعة الموجودة اليوم في أجهزة الكمبيوتر المحمولة، وذلك حتى مع استخدام طاقة أقل. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

تستفيد المعالجات الجديدة، التي طورها باحثون من جامعة كامبريدج وجامعة سنغافورة، من نوع من المواد المتغيرة القائمة على الزجاج الكالكوجيني الذي يمكن صهره وإعادة بلورته في نصف نانو ثانية عن طريق نقل الجهد المناسب. يتم إجراء الحسابات التي تجريها معظم أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر اللوحية بواسطة أجهزة منطقية قائمة على السيليكون. تعتمد ذاكرة الحالة الصلبة المستخدمة لتخزين نتائج هذه الحسابات أيضًا على السيليكون. وقال البروفيسور ستيفن إليوت من قسم الكيمياء بجامعة كامبريدج، الذي قاد البحث: "ومع ذلك، مع تزايد الطلب على أجهزة الكمبيوتر الأسرع فأسرع، فإننا نقترب بسرعة من عتبة قدرات السيليكون".

كانت الطريقة الرئيسية لزيادة قوة أجهزة الكمبيوتر حتى الآن هي زيادة عدد الأجهزة المنطقية المضمنة فيها من خلال تصغير حجمها بشكل متزايد، ولكن القيود المادية لبنيات هذه الأجهزة تعني أننا نقترب بسرعة من عتبة الحجم المحتمل. اليوم، يبلغ حجم أصغر أجهزة المنطق والذاكرة القائمة على السيليكون حوالي 20 نانومتر، ويتم ترتيبها في طبقات. عندما تصبح الأجهزة صغيرة أكثر فأكثر، من أجل زيادة عددها على الشريحة، ستصبح الفجوات بين الطبقات المختلفة في النهاية صغيرة جدًا لدرجة أن الإلكترونات قد "تتسرب" من الجهاز (ظاهرة تُعرف باسم "النفق") و تسبب فقدان المعلومات. يمكن للأجهزة المعتمدة على مواد ثانوية أن تتغلب على عتبة الحجم هذه لأنها تعمل بشكل صحيح عندما يكون حجمها 2 نانومتر.

بديل آخر لزيادة سرعة المعالجة دون زيادة عدد الأجهزة المنطقية هو زيادة عدد العمليات الحسابية التي يتم إجراؤها في كل جهاز من هذه الأجهزة، وهو أمر غير ممكن بمساعدة السيليكون، ولكنه ممكن بمساعدة مواد الدرجة الثانية .

تم تطوير المواد الثانوية لأول مرة في الستينيات، وكانت تستخدم في الأصل في أجهزة الذاكرة الضوئية، مثل أقراص DVD القابلة للتسجيل. واليوم، بدأ استخدامها في تطبيقات الذاكرة الإلكترونية ولاستبدال ذاكرات الفلاش المعتمدة على السيليكون في بعض الهواتف الذكية. على الرغم من المزايا الكامنة في المواد الثانوية، إلا أن لها أيضًا العديد من العيوب: في الوقت الحالي، لا تزال غير قادرة على إجراء العمليات الحسابية بسرعات تقترب من السيليكون، كما أنها تظهر عدم استقرار في الحالة الأولية غير المتبلورة. وفي الوقت نفسه، وجد الباحثون أنه إذا تم تنفيذ العملية بترتيب عكسي - بدءًا من الحالة البلورية ثم الانتقال إلى الحالة المنصهرة، فإن هذه المواد تكون أكثر استقرارًا وسرعة.

وتبلغ سرعة التبديل المدمجة في هذه المواد، أي سرعة التكوين، معدل 10 نانو ثانية، وهو معدل مناسب لاستبدال ذاكرة الفلاش. ومن خلال زيادة السرعة بشكل أكبر، بمعدل نانو ثانية واحدة (كما أظهر الباحثون في عام 2012)، ستتمكن هذه المواد يومًا ما من استبدال الذاكرة من نوع DRAM ("ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية").

وفي الأنظمة المعتمدة على السيليكون، تنتقل المعلومات من مكان إلى آخر، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة والوقت. وقال أحد الباحثين: "من الناحية المثالية، نود أن يتم إنشاء المعلومات وتخزينها في نفس الموقع". "السيليكون مرحلة مؤقتة: يتم إنشاء المعلومات، ونقلها إلى مكان آخر وتخزينها في مكان مختلف. ومع ذلك، إذا استخدمنا أجهزة منطقية تعتمد على مواد ثانوية، فسيظل مثيل المعلومات في الموقع الذي تم إنشاؤه فيه."

أخبار الدراسة