تحسين كفاءة طاقة الكمبيوتر من خلال تقنية الترانزستور الجديدة
قام مهندسو جامعة كاليفورنيا في بيركلي ببناء تصميم جديد لمكون من الترانزستورات يمكن أن يحسن كفاءة طاقة الكمبيوتر.
أصبحت أجهزة الكمبيوتر ببطء أصغر حجمًا وأكثر قوة، ولكنها تتطلب قدرًا هائلاً من الطاقة لتشغيلها.
ارتفع إجمالي كمية الطاقة التي تخصصها الولايات المتحدة للحوسبة بشكل كبير خلال العقد الماضي وتقترب بسرعة من تلك الموجودة في القطاعات الرئيسية الأخرى مثل النقل.
في دراسة نُشرت على الإنترنت هذا الأسبوع في مجلة Nature ، جامعة كاليفورنيا ، وصف مهندسو بيركلي اختراقًا كبيرًا في تصميم أحد مكونات الترانزستورات – المفاتيح الكهربائية الصغيرة التي تشكل اللبنات الأساسية لأجهزة الكمبيوتر – والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من استهلاكها للطاقة.
دون التضحية بالسرعة أو الحجم أو الأداء. يلعب المكون، المسمى بأكسيد الالبوابة، ورًا رئيسيًا في تشغيل وإيقاف الترانزستور.
أوضح سيف صلاح الدين، كبير مؤلفي الدراسة، والمتميز في TSMC: “لقد تمكنا من إظهار أن تقنية أكسيد البوابة لدينا أفضل من الترانزستورات المتاحة تجاريًا: ما يمكن أن تفعله صناعة أشباه الموصلات التي تبلغ قيمتها تريليون دولار اليوم – يمكننا التغلب عليها بشكل أساسي”.
أستاذ الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر بجامعة كاليفورنيا في بيركلي.
تحسين كفاءة طاقة الكمبيوتر
أصبح هذا التعزيز في كفاءة الطاقة ممكنًا من خلال تأثير يُعرف باسم السعة السلبية، والذي يقلل من مقدار الجهد المطلوب لتخزين الشحنة في مادة ما.
تنبأ صلاح الدين نظريًا بوجود سعة سالبة في عام 2008 وأظهر لأول مرة التأثير في بلورة حديد كهربية في عام 2011.
توضح هذه الدراسة الجديدة كيف يمكن تحقيق السعة السلبية في بلورة هندسية تتكون من كومة من طبقات من أكسيد الهافنيوم وأكسيد الزركونيوم، والتي تتوافق بسهولة مع ترانزستورات السيليكون المتقدمة.
من خلال دمج المادة في نموذج الترانزستورات، توضح الدراسة كيف يمكن لتأثير السعة السلبية أن يقلل بشكل كبير من مقدار الجهد المطلوب للتحكم في الترانزستورات، ونتيجة لذلك، كمية الطاقة التي يستهلكها الكمبيوتر.
وعلق صلاح الدين قائلاً: “في السنوات العشر الماضية، زادت الطاقة المستخدمة في الحوسبة بشكل كبير، وهو ما يمثل بالفعل نسبًا من رقم واحد من إنتاج الطاقة في العالم، والذي ينمو بشكل خطي فقط، دون أن يكون هناك نهاية في الأفق”.
عادة، عندما نستخدم أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة الخاصة بنا، فإننا لا نفكر في مقدار الطاقة التي نستخدمها.
لكنها كمية ضخمة، وسترتفع فقط. هدفنا هو تقليل احتياجات الطاقة لهذه اللبنة الأساسية للحوسبة، لأن ذلك يقلل من احتياجات الطاقة للنظام بأكمله “.
اعتماد السعة السلبية في التكنولوجيا الحقيقية
تحتوي أحدث أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية على عشرات المليارات من ترانزستورات السيليكون الصغيرة، والتي يجب التحكم في كل منها عن طريق تطبيق جهد كهربائي.
أكسيد البوابة عبارة عن طبقة رقيقة من المادة التي تحول الجهد المطبق إلى شحنة كهربائية، ثم تقوم بتبديل الترانزستور.
يمكن أن تعزز السعة السالبة أداء أكسيد البوابة عن طريق تقليل مقدار الجهد المطلوب لتحقيق شحنة كهربائية معينة.
ومع ذلك، لا يمكن تحقيق التأثير المطلوب في أي مادة فقط. يتطلب إنشاء سعة سالبة معالجة دقيقة لخاصية مادية تسمى ferroelectricity ، والتي تحدث عندما تعرض المادة مجالًا كهربائيًا تلقائيًا.
في السابق، تم تحقيق التأثير فقط في المواد الفيروكهربائية المسماة بيروفسكايت ، والتي لا يتوافق تركيبها البلوري مع السيليكون.
في الدراسة، كشف فريق المهندسين أن السعة السالبة يمكن تحقيقها أيضًا من خلال الجمع بين أكسيد الهافنيوم وأكسيد الزركونيوم في بنية بلورية مُصممة هندسيًا تسمى الشبكة الفائقة، مما يؤدي إلى توليد الطاقة الكهربية الحديدية والكهرباء المضادة في نفس الوقت.
أوضح سوراج تشيما، المؤلف الأول المشارك في الدراسة وباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا في بيركلي: “لقد وجدنا أن هذا المزيج يعطينا في الواقع تأثيرًا سالبًا أفضل للسعة، مما يدل على أن ظاهرة السعة السلبية هذه أوسع بكثير مما كان يعتقد في الأصل”.
“السعة السالبة لا تحدث فقط في الصورة التقليدية للحديد الكهربي مع عازل، وهو ما تمت دراسته على مدار العقد الماضي.
يمكنك في الواقع جعل التأثير أقوى من خلال هندسة هذه الهياكل البلورية لاستغلال الطاقة الكهربية المضادة جنبًا إلى جنب مع الكهرباء الفيروكهربائية. “
تأثير السعة السلبية
لاحظ الباحثون أن البنية الشبكية الفائقة المكونة من ثلاث طبقات ذرية من أكسيد الزركونيوم المحصورة بين طبقتين ذريتين من أكسيد الهافنيوم ، يبلغ مجموع سمكهما أقل من 2 نانومتر، قدمت أفضل تأثير السعة السلبية.
نظرًا لحقيقة أن غالبية ترانزستورات السيليكون الحديثة تستخدم بالفعل أكسيد بوابة 2 نانومتر يتكون من أكسيد الهافنيوم فوق ثاني أكسيد السيليكون، وبما أن أكسيد الزركونيوم يستخدم أيضًا في تقنيات السيليكون، فإن هذه الهياكل الشبكية الفائقة يمكنها يمكن دمجها بسهولة في الترانزستورات المتقدمة.
لاختبار مدى جودة أداء البنية الشبكية الفائقة كأكسيد البوابة، صنع الفريق ترانزستورات قصيرة القناة واختبر قدراتها.
تتطلب هذه الترانزستورات جهدًا أقل بنسبة 30٪ تقريبًا مع الحفاظ على معايير صناعة أشباه الموصلات وبدون فقدان الموثوقية، مقارنةً بالترانزستورات الموجودة.
واختتم صلاح الدين بالقول: “إحدى المشكلات التي نراها غالبًا في هذا النوع من الأبحاث هي أنه يمكننا إظهار ظواهر مختلفة في المواد، لكن تلك المواد لا تتوافق مع مواد الحوسبة المتقدمة، وبالتالي لا يمكننا الاستفادة من التكنولوجيا الحقيقية”.
“يحول هذا العمل السعة السلبية من موضوع أكاديمي إلى شيء يمكن استخدامه بالفعل في ترانزستور متقدم. “
المصدر: innovationnewsnetwork
إقراء ايضا:
