قدم مشروع بحثي رائد بقيادة جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (KAUST) منظورًا جديدًا رائدًا للمواد الحديدية وإمكانياتها في أجهزة الذاكرة المتقدمة.
[19 يوليو 2023: كاتب طاقم العمل ، الجانب المشرق من الأخبار]
دراسة: جامعة الملك عبدالله-المملكة العربية السعودية
د. سالم موسى القحطاني
شريحة الحوسبة العصبية الكهربية الحديدية للفريق ، الموضحة هنا تخضع للاختبار في المختبر. (الائتمان: 2023 KAUST ؛ Fei Xue)
قدم مشروع بحثي رائد بقيادة جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (KAUST) منظورًا جديدًا رائدًا للمواد الحديدية وإمكانياتها في أجهزة الذاكرة المتقدمة.
كشف الباحثون النقاب عن آلية فريدة بوساطة البروتون تمكن من إنتاج انتقالات متعددة الطور في المواد الفيروكهربائية ، وهو نهج مبتكر يمكن أن يقود تطوير تقنيات ذاكرة عالية الكفاءة مثل رقائق الحوسبة العصبية.
لطالما كانت المواد الفيروكهربائية مثل سيلينيد الإنديوم موضوعًا للبحث نظرًا لخصائصها الاستقطابية الفطرية ، والتي يمكن تبديلها عن طريق إدخال مجال كهربائي. هذه السمة المتأصلة جعلتهم مرشحين رئيسيين لتصنيع تقنيات الذاكرة.
صرح شين هي ، أحد المساهمين الرئيسيين في الدراسة التي تعمل تحت إشراف Fei Xue و Xixiang Zhang ، أن "أجهزة الذاكرة الحالية التي تستفيد من المواد الفيروكهربائية أظهرت أقصى قدر من التحمل وسرعة الكتابة للقراءة وكذلك الكتابة مع ميزة تتطلب جهد تشغيل منخفض. ومع ذلك ، لا تزال سعة التخزين محدودة ".
وأوضح أن قيود التخزين الحالية تنبع من القدرة المقيدة للطرق التقليدية على تشغيل عدد قليل فقط من المراحل الفيروكهربائية ، إلى جانب الصعوبات الفنية المرتبطة بالتقاط هذه المراحل. رداً على ذلك ، اقترح الباحثون ببراعة واختبروا تقنية جديدة تعتمد على بروتونات سيلينيد الإنديوم ، والتي يمكن أن تولد مجموعة واسعة من الأطوار الحديدية الكهربية.
قام العلماء بدمج المواد الحديدية الكهربية ببراعة داخل ترانزستور يشتمل على بنية غير متجانسة مدعومة بالسيليكون لإجراء تقييم شامل. كجزء من الدراسة ، قاموا بوضع طبقة متعددة الطبقات من سيلينيد الإنديوم على البنية غير المتجانسة ، والتي تضمنت ورقة عازلة من أكسيد الألومنيوم ، مغلفة بين طبقة بلاتينية في القاعدة وطبقة سيليكا مسامية في القمة. تعمل طبقة البلاتين كقطب كهربائي للجهد المطبق ، بينما تعمل السيليكا المسامية كإلكتروليت ، مما يوفر البروتونات للفيلم الكهروضوئي.
من خلال تعديل الجهد المطبق ، كان الفريق قادرًا على معالجة محتوى البروتون في الفيلم الكهربي الفيروكهربائي ، إما عن طريق حقن المزيد من البروتونات أو إزالتها ، وبالتالي تحفيز أطوار كهربية حديدية مختلفة تتميز بدرجات بروتون مختلفة. تعد هذه المرونة في التحكم في درجات البروتونات جانبًا مهمًا في إنشاء أجهزة ذاكرة متعددة المستويات توفر سعة تخزين كبيرة.
يهدف الفريق إلى تعزيز السعة التخزينية لأجهزة الذاكرة وشرائح الحوسبة العصبية الكهربية التي تستهلك طاقة أقل وتعمل بشكل أسرع. (الائتمان: 2023 KAUST ؛ Fei Xue)
كانت الملاحظة الرائعة التي لاحظها الباحثون هي الارتباط بين الجهد المطبق والبروتون. عززت الفولتية الإيجابية العالية البروتون ، بينما أدت الفولتية السالبة المتزايدة إلى تقليل البروتون. علاوة على ذلك ، أظهر توزيع البروتونات أيضًا اعتمادًا على مسافة طبقة الفيلم من السيليكا ، مع وجود قيم قصوى في الطبقة السفلية ملامسة للسيليكا وتناقص تدريجيًا للوصول إلى المستويات الدنيا في الطبقة العليا.
على عكس التوقعات ، اكتشف الباحثون أن الأطوار الكهربية التي يسببها البروتون عادت تلقائيًا إلى حالتها الأولية بمجرد تعطيل الجهد. شرح Xue بالتفصيل هذه الملاحظة الغريبة ، قائلاً: "لقد لاحظنا هذه الظاهرة غير العادية لأن البروتونات انتشرت خارج المادة إلى داخل السيليكا."
في محاولة لزيادة كفاءة حقن البروتون ، صنع الفريق فيلمًا يعرض واجهة سلسة مع السيليكا. ونتيجة لذلك ، نجحوا في تصميم جهاز يعمل بأقل من 0.4 فولت ، وهو تطور حاسم لإنشاء أجهزة ذاكرة منخفضة الطاقة. لاحظ Xue ، "كان التحدي الأكبر الذي واجهناه هو تقليل جهد التشغيل ، لكننا أدركنا أن كفاءة حقن البروتون عبر الواجهة تتحكم في جهد التشغيل ويمكن ضبطها وفقًا لذلك."
تمهد الدراسة المتقدمة الطريق لإحداث تطورات جديدة في مجال الحوسبة العصبية. لا يزال الفريق ملتزمًا بشدة بتعزيز تطوير الرقائق ذات الشكل العصبي التي تعمل بمواد حديدية كهربائية ، مما يضع الأنظار على الرقائق التي تستهلك طاقة أقل وتعمل بسرعات أعلى. وأكد شيويه: "نحن ملتزمون بتطوير رقاقات حوسبة ذات أشكال عصبية حديدية تستهلك طاقة أقل وتعمل بشكل أسرع".
التحويل العكسي لمراحل متعددة من الحديد الكهروضوئي بواسطة بوابة بروتونية للجهاز 1. مبدأ العمل التخطيطي لانتقالات الطور الكهربي الفيروكهربائي تحت تحيزات البوابة المختلفة. تمثل النقاط الحمراء في طبقة SiO2 المسامية البروتونات. ( تقدم العلوم)
في جوهرها ، تشير الدراسة التي قادتها جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية إلى تحول نموذجي في تقنية الذاكرة ، مما يسلط الضوء على الإمكانات غير المستغلة لتحولات الطور بوساطة البروتون في المواد الحديدية الكهربية. قد يكون هذا التقدم مجرد حجر الزاوية للجيل القادم من أجهزة الذاكرة ، مما يدفعنا إلى الاقتراب من عصر الحوسبة المستوحاة من الدماغ.
