كيف يمكن لرقائق الكمبيوتر من الجيل التالي تقليل بصمتنا الكربونية؟
سؤال وجواب مع اثنين من العلماء بهدف التغلب على القيود المفروضة على قوة الحوسبة وكفاءة الطاقة من خلال تصميم شرائح ميكروية جديدة.
أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية لدينا مضغوطة لكنها قوية بسبب إلكترونيات السيليكون الدقيقة، والمعروفة أيضًا باسم الرقائق الدقيقة أو الرقائق، وهي العقول الصغيرة التي تقف وراء القوة الرقمية لكل جهاز حديث تقريبًا.
لكن هذه الراحة الحديثة لها تكلفة. بحلول عام 2030، يمكن للأجهزة الإلكترونية أن تستهلك حوالي 25٪ من طاقة العالم – التي ينتج معظمها عن طريق حرق الوقود الأحفوري الغني بالكربون – إذا لم يتم فعل أي شيء لجعلها أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.
تنشأ رقائق السيليكون من تصميم يُعرف باسم CMOS، وهو اختصار لأشباه الموصلات المكونة من أكسيد معدني.
كما تنبأ قانون مور لأول مرة في عام 1975، تقترب رقائق السيليكون CMOS من حدود التصغير والأداء.
لعقود من الزمان، كان العلماء يبحثون عن مواد إلكترونية جديدة تتجاوز حدود قانون مور بالإضافة إلى قيود رقائق السيليكون CMOS.
الآن، يقوم العالمان موريس جارسيا-سكيفيرس ورامامورثي راميش في مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة (مختبر بيركلي) بتصميم رقاقات دقيقة جديدة يمكن أن تؤدي أداءً أفضل – وتتطلب طاقة أقل – من السيليكون.
على مدى السنوات الثلاث المقبلة، سيقودون اثنين من المشاريع العشرة التي منحتها وزارة الطاقة مؤخرًا ما يقرب من 54 مليون دولار لزيادة كفاءة الطاقة في تصميم وإنتاج الإلكترونيات الدقيقة.
يناقشون مشاريعهم في هذه الأسئلة والأجوبة.
يقوم كل من موريس جارسيا-سكيفيرس (على اليسار) ورامامورثي راميش في مختبر بيركلي بتصميم رقاقات ميكروية جديدة يمكن أن تؤدي بشكل أفضل – وتتطلب طاقة أقل – من السيليكون. ائتمان: بإذن من Garcia-Sciveres و راميش
س: على مدى الثلاث سنوات القادمة، ما الذي تأمل في تحقيقه؟ ما هي أهمية عملك؟
Garcia-Sciveres: يهدف مشروعنا – “التصميم المشترك ودمج مستشعرات النانو على CMOS” – إلى تحسين الأداء من خلال دمج مستشعرات الضوء الصغيرة المصنوعة من المواد النانوية في دائرة متكاملة CMOS تقليدية (مكمل لأكسيد المعادن وأشباه الموصلات).
(المادة النانوية هي مادة مصممة بمقياس صغير للغاية يبلغ جزء من المليار من المتر).
رقائق CMOS مصنوعة من السيليكون، ولكن إذا نظرت إلى مقدار الطاقة التي يستخدمها السيليكون، فقد بدأت تصبح مهمة – وفي غضون عقد من الزمن، ستستهلك رقائق السيليكون جزءًا كبيرًا من طاقتنا.
على سبيل المثال، تستهلك الحوسبة اللازمة لتشغيل سيارة ذاتية القيادة طاقة كبيرة مقارنة بالطاقة اللازمة لتشغيل السيارة.
نحتاج إلى الحوسبة بطاقة أقل، أو زيادة الأداء بدون مزيد من الطاقة، لكن لا يمكنك فعل ذلك باستخدام رقائق السيليكون لأن السيليكون يجب أن يعمل بجهد معين – وهذه القيود المادية تكلفنا.
في مشروعنا، ستعمل المواد النانوية مثل الأنابيب النانوية الكربونية – وهي أجهزة صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة – كمستشعرات للضوء.
تضيف مستشعرات النانو وظائف جديدة إلى شريحة CMOS، مما يزيد من الأداء.
يعد الاستشعار تطبيقًا أوليًا جيدًا، ولكن عند دمجه في شريحة، يمكن أيضًا أن تعمل الأنابيب النانوية الكربونية كترانزستورات أو مفاتيح تعالج البيانات.
قد يؤدي دمج العديد من الأنابيب النانوية الكربونية في شريحة سيليكون إلى أنواع جديدة من الأجهزة الإلكترونية أصغر حجمًا وأسرع وكذلك أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من التقنيات الحالية.
راميش: في مشروعنا، “التصميم المشترك لجهد منخفض للغاية يتجاوز إلكترونيات CMOS الدقيقة”، نخطط لاستكشاف ظواهر فيزيائية جديدة ستؤدي إلى كفاءة طاقة أعلى بشكل ملحوظ في الحوسبة.
هذا مهم لأننا نعتقد أن قانون مور التالي من المرجح أن يركز على مقياس الطاقة وليس مقياس الطول، لأننا بالفعل في حدود قياس الطول.
في حوالي عام 2015، كان استهلاك الطاقة من الإلكترونيات الدقيقة حوالي 4-5 ٪ فقط من إجمالي الطاقة الأولية في العالم.
تعني الطاقة الأولية عادةً الطاقة الكيميائية التي تنتجها محطة توليد الطاقة القائمة على الفحم أو الغاز الطبيعي. هذا عادة ما يكون له كفاءة في التحويل إلى الكهرباء بنسبة 35-40 ٪.
اعتمادنا المتزايد على الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي وإنترنت الأشياء – أو إنترنت الأشياء حيث كل شيء متصل إلكترونيًا، مثل أنظمة المرور وأنظمة الاستجابة للطوارئ وأنظمة الطاقة المتجددة والشبكات الكهربائية – سيؤدي إلى زيادة هائلة في الإلكترونيات من منظور الأنظمة.
وهذا يعني أنه بحلول عام 2030، من المتوقع أن يصل استهلاك الطاقة من الإلكترونيات الدقيقة إلى 25٪ على الأقل من الطاقة الأولية. لذلك، فإن جعل الإلكترونيات أكثر كفاءة في استخدام الطاقة يمثل مشكلة كبيرة.
بالنسبة لمشروعنا، نسأل، “ما هي ابتكارات المواد الأساسية التي يمكن أن تقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة للإلكترونيات الدقيقة؟” نحن نتطلع إلى إطار عمل مختلف تمامًا يستكشف فيزياء جديدة باستخدام نهج التصميم المشترك، حيث يعمل الخبراء الرائدون عالميًا في فيزياء المواد وتصميم الأجهزة والدوائر والتصنيع والاختبار والبنية على مستوى الرقاقة بشكل تعاوني لتنفيذها. من دراسة شاملة لمسارات الجيل التالي من الحوسبة.
س: ما هي التطبيقات الجديدة التي سيمكنها عملك، وكيف ستظهر هذه الإمكانات الجديدة؟
Garcia-Sciveres: سيعرض عملنا مصورًا واحدًا للفوتون يمكنه قياس الطيف – الطول الموجي أو الطاقة – لكل فوتون أو جسيم ضوئي يكتشفه.
وهذا يسمح بالتصوير الفائق الطيفي – أي الصور التي يمكن أن يتحلل فيها كل بكسل إلى عدة ألوان، مما يوفر معلومات أكثر بكثير. يفيد التصوير الفائق الطيف مجموعة واسعة من العلوم، من علم الكونيات إلى التصوير البيولوجي.
تلتقط التجربة الطيفية للطاقة المظلمة (DESI)، وهي تعاون علمي دولي يديره مختبر بيركلي، أطياف المجرات البعيدة، بدءًا من صور المجرات التي تم التقاطها سابقًا بأدوات أخرى.
تساعد هذه المعلومات الطيفية المضافة علماء الكون على فهم كيف شكلت الطاقة المظلمة تمدد كوننا. لو كانت الملاحظات الأصلية للمجرات قد تم إجراؤها باستخدام مصور فائق الطيف، لكانت المعلومات الطيفية متاحة لتبدأ.
تطبيق آخر متزايد للتصوير الفائق الطيفي هو دراسة الكواكب الخارجية. (الكواكب في نظامنا الشمسي تدور حول الشمس. الكواكب التي تدور حول نجوم أخرى تسمى الكواكب الخارجية).
لكن المستشعرات المستخدمة لهذه الأنواع من الملاحظات تعمل في درجات حرارة أقل من درجة واحدة فوق الصفر المطلق. سيعمل أجهزتنا في درجات حرارة أكثر عملية، وربما حتى درجة حرارة الغرفة.
للتصوير الفائق الطيفي العديد من التطبيقات في الطب والعلوم الحيوية، وتتوفر العديد من الأدوات التجارية.
ومع ذلك، فإن هذه الأدوات، والتي تعتبر جميعها أكثر تعقيدًا وأكثر تكلفة من الكاميرا العادية، إما تقوم بمسح كائن بكسل بالبكسل أو لديها ترتيبات معقدة من الألياف الروبوتية أو المرشحات.
علاوة على ذلك، لا تحتوي هذه الأدوات على حساسية للفوتون الفردي. سيمكن جهازنا كاميرا بسيطة توفر صورًا فائقة الطيف مع حساسية للفوتون الفردي.
راميش: تم تصميم فريقنا لإثبات جدوى وقوة منصة التصميم المشترك، “Atoms to Architecture”، والتي بنيت على ظاهرتين فيزيائيتين أساسيتين:
الأول هو سلوك جديد في معماريات الترانزستور القائمة على الحديد الكهروضوئي الذي يوفر مسارًا لتقليل إجمالي الطاقة المستهلكة في جهاز الإلكترونيات الدقيقة القائم على السيليكون.
(الكهربي الحديدي عبارة عن مادة ذات ثنائي أقطاب كهربائي – أو زوج من الشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة – يمكن تبديلها بمجال كهربائي.)
والثاني هو معالجة المجال الكهربائي منخفض الجهد للدوران الإلكتروني باستخدام فئة جديدة من المواد تسمى multiferroics.
في عام 2014، أظهرنا مادة مغناطيسية كهربائية يمكنها تحويل الشحنة إلى دوران مغناطيسي عند 5 فولت من الجهد المطبق.
أظهر العمل التعاوني اللاحق مع الباحثين في Intel كيف يمكن استخدام هذا لإنشاء فئة جديدة من أجهزة المنطق في الذاكرة، تسمى جهاز MESO، والتي تستخدم السبينات لتنفيذ العمليات المنطقية.
في أحد مشاريعنا ضمن برنامجنا، سنستخدم موادنا المغناطيسية الكهربية لاستكشاف عناصر متعددة الفيروا التي ستعمل عند 100 ملي فولت، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في استهلاك الطاقة. (الميليفولت يساوي ألف فولت).
مشروعنا الثاني هو استكشاف الفيزياء الأساسية لجهاز مكثف، حيث يتم وضع طبقة كهربية حديدية فوق ترانزستور سيليكون تقليدي لتعزيز كفاءته في استخدام الطاقة من خلال ما يُعرف بتأثير السعة السلبية.
سيمكن تصميمنا جهاز الإلكترونيات الدقيقة الذي ينفذ وظائف الذاكرة والمنطق – يختلف هذا النهج اختلافًا جذريًا عن الرقائق الموجودة في أجهزة الكمبيوتر لدينا اليوم، حيث يقوم أحد أنواع الرقائق بالمنطق أو معالجة البيانات، بينما تقوم شريحة أخرى بتخزين البيانات.
مشروع ” التصميم المشترك ودمج المستشعرات النانوية في CMOS” هو تعاون بين الباحثين في Berkeley Lab و Sandia National Laboratory وجامعة كاليفورنيا في بيركلي.
ومن بين المحققين الرئيسيين المشاركين ويلون تشاو، وستيف هولاند، ومي يونغ إم، وتيفي كويكيندال ، وفرانسوا ليونارد، ويوان مي، وأندرو نوناكا ، وكاترينا بابادوبولو ، وجريج تيخومويروف ، وأرشانا راجا، وريكاردو رويز ، وجاكي ياو.
“التصميم المشترك لمشروع الإلكترونيات الدقيقة ذات الجهد المنخفض للغاية لما بعد CMOS” هو تعاون بين الباحثين في Berkeley Lab وUC Berkeley. م
ن بين المحققين الرئيسيين المشاركين سيناد جريفين، لين مارتن، لافانيا راماكريشنان ، سيف صالح الدين، بادريك شيفر، جون شاف، ديليب فاسوديفان ، وجاكي ياو.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
