نوع جديد من ذاكرة الكمبيوتر يمكن أن يقلل بشكل كبير من استخدام الطاقة ويحسن الأداء

طور الباحثون تصميمًا جديدًا لذاكرة الكمبيوتر يمكن أن يحسن الأداء بشكل كبير ويقلل من متطلبات الطاقة لتقنيات الإنترنت والاتصالات، والتي من المتوقع أن تستهلك ما يقرب من ثلث الكهرباء العالمية في غضون السنوات العشر القادمة.

أدى عالمنا المتعطش للبيانات إلى تضخم في الطلب على الطاقة، مما زاد من صعوبة تقليل انبعاثات الكربون.

في غضون السنوات القليلة المقبلة ، من المتوقع أن يستهلك الذكاء الاصطناعي واستخدام الإنترنت والخوارزميات وغيرها من التقنيات المعتمدة على البيانات أكثر من 30٪ من الكهرباء العالمية.

طور الباحثون، بقيادة جامعة كامبريدج ، جهازًا يعالج البيانات بطريقة مماثلة لنقاط الاشتباك العصبي في الدماغ البشري.
تعتمد الأجهزة على أكسيد الهافنيوم، وهي مادة مستخدمة بالفعل في صناعة أشباه الموصلات، وحواجز صغيرة ذاتية التجميع يمكن رفعها أو خفضها للسماح بمرور الإلكترونات.

يمكن أن تؤدي هذه الطريقة لتغيير المقاومة الكهربائية في أجهزة ذاكرة الكمبيوتر، والسماح بمعالجة المعلومات والذاكرة في نفس المكان، إلى تطوير أجهزة ذاكرة الكمبيوتر بكثافة أكبر وأداء أعلى واستهلاك أقل للطاقة. تم نشر النتائج في مجلة Science Advances .

قصور تقنيات ذاكرة الكمبيوتر الحالية

قال المؤلف الأول الدكتور ماركوس هيلينبراند، من قسم علوم المواد والمعادن في كامبريدج: “يرجع هذا الانفجار في الطلب على الطاقة إلى حد كبير إلى أوجه القصور في تقنيات ذاكرة الكمبيوتر الحالية”، “في الحوسبة التقليدية، توجد ذاكرة على جانب ومعالجة من جهة أخرى، ويتم خلط البيانات مرة أخرى بين الاثنين، مما يستهلك طاقة ووقتًا.”

أحد الحلول المحتملة لمشكلة ذاكرة الكمبيوتر غير الفعالة هو نوع جديد من التكنولوجيا يُعرف باسم ذاكرة التبديل المقاومة، أجهزة الذاكرة التقليدية قادرة على حالتين: واحدة أو صفر، ومع ذلك ، فإن جهاز ذاكرة التبديل المقاوم العامل سيكون قادرًا على مجموعة مستمرة من الحالات – ستكون أجهزة ذاكرة الكمبيوتر القائمة على هذا المبدأ قادرة على زيادة كثافة وسرعة أكبر بكثير.

جهاز يعتمد على أكسيد الهافنيوم

قال ماركوس، يمكن لعصا USB النموذجية التي تعتمد على النطاق المستمر أن تحمل ما بين 10 إلى 100 مرة معلومات أكثر، على سبيل المثال.

طور ماركوس، وزملاؤه نموذجًا أوليًا لجهاز يعتمد على أكسيد الهافنيوم، وهو مادة عازلة مستخدمة بالفعل في صناعة أشباه الموصلات، تُعرف مشكلة استخدام هذه المادة لتطبيقات ذاكرة التبديل المقاومة بمشكلة التوحيد، على المستوى الذري، لا يحتوي أكسيد الهافنيوم على بنية، حيث تختلط ذرات الهافنيوم والأكسجين بشكل عشوائي، مما يجعل استخدامه صعبًا في تطبيقات الذاكرة.

ووجد الباحثون أنه من خلال إضافة الباريوم إلى أغشية رقيقة من أكسيد الهافنيوم، بدأت بعض الهياكل غير العادية في التكون، بشكل عمودي على مستوى أكسيد الهافنيوم، في المادة المركبة .

هذه “الجسور” العمودية الغنية بالباريوم شديدة التنظيم، وتسمح للإلكترونات بالمرور، بينما يظل أكسيد الهافنيوم المحيط بها غير منظم.

عند نقطة التقاء هذه الجسور بجهات اتصال الجهاز، تم إنشاء حاجز طاقة يمكن للإلكترونات عبوره، تمكن الباحثون من التحكم في ارتفاع هذا الحاجز، والذي بدوره يغير المقاومة الكهربائية للمادة المركبة.

قال هيلينبراند: “هذا يسمح لحالات متعددة بالوجود في المادة، على عكس الذاكرة التقليدية التي تحتوي على حالتين فقط”.

على عكس المواد المركبة الأخرى، التي تتطلب طرق تصنيع باهظة الثمن ذات درجات حرارة عالية ، فإن مركبات أكسيد الهافنيوم هذه تتجمع ذاتيًا في درجات حرارة منخفضة.

أظهرت المواد المركبة مستويات عالية من الأداء والتوحيد، مما يجعلها واعدة للغاية لتطبيقات الذاكرة من الجيل التالي.

تم تسجيل براءة اختراع على التكنولوجيا من قبل Cambridge Enterprise ، ذراع التسويق بالجامعة.

قال هيلينبراند، “الشيء المثير حقًا في هذه المواد هو أنها يمكن أن تعمل مثل المشابك العصبية في الدماغ: يمكنها تخزين المعلومات ومعالجتها في نفس المكان، كما تفعل أدمغتنا، مما يجعلها واعدة للغاية لمجالات الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي سريعة النمو” .

يعمل الباحثون الآن مع الصناعة لإجراء دراسات جدوى أكبر على المواد، من أجل فهم أكثر وضوحًا لكيفية تشكل الهياكل عالية الأداء.

نظرًا لأن أكسيد الهافنيوم مادة مستخدمة بالفعل في صناعة أشباه الموصلات ، يقول الباحثون إنه لن يكون من الصعب دمجها في عمليات التصنيع الحالية.