ما هي السعة السلبية وكيف يمكن أن تقلل من الطلب الهائل على الطاقة لأجهزة الكمبيوتر؟

بالعربي/أصبحت المزيد والمزيد من جوانب حياتنا رقمية ، مما يعني أن أجهزة الكمبيوتر أصبحت أكثر فأكثر جزءًا من الطريقة التي نتواصل بها اجتماعيًا ونقوم بأعمال تجارية ونستمتع بأنفسنا.

على الجانب السلبي ، تتطلب جميع أجهزة الكمبيوتر الحديثة هذه كميات كبيرة من الطاقة. في الواقع ، في الولايات المتحدة وحدها ، الحوسبة في طريقها لتجاوز القطاعات الأخرى المعتمدة على الطاقة مثل النقل.

وفي الوقت نفسه ، تتلقى مراكز البيانات لمنصات التواصل الاجتماعي مثل Facebook أيضًا ضربة هائلة من الطاقة ، حيث تستهلك أكثر من 200 تيراواط ساعة كل عام ، أو أكثر من متطلبات الطاقة لدول بأكملها.

تتقدم التكنولوجيا بوتيرة سريعة

في تطور جديد ومثير ، أفاد فريق من المهندسين في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي أنهم وجدوا حلاً لتقليل متطلبات الطاقة لأجهزة الكمبيوتر دون المساس بأدائها أو حجمها.

لقد فعلوا ذلك عن طريق تعديل الترانزستورات الخاصة بهم بمكون جديد يسمى أكسيد البوابة ، والذي يستخدم لتشغيل وإيقاف الترانزستور. يقول سيف صلاح الدين ، أستاذ الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر في جامعة كاليفورنيا في بيركلي: “لقد تمكنا من إظهار أن تكنولوجيا أكسيد البوابة لدينا أفضل من الترانزستورات المتوفرة تجاريًا”.

استغل صلاح الدين وفريقه تأثيرًا تم اكتشافه منذ أكثر من عقد من الزمان يسمى السعة السالبة ، والذي يساعد على تقليل مقدار الجهد اللازم لتخزين الشحنة الكهربائية في مادة ما.

الآن ، في بحث جديد ، نُشرت نتائجه في  دراسة  ، يوضح المهندسون كيف يمكن تحقيق هذا التأثير في بلورة مصنوعة خصيصًا تتكون من كومة من طبقات أكسيد الهافنيوم وأكسيد الزركونيوم ، والتي تتوافق مع ترانزستورات السيليكون المتقدمة.

ليس فقط لأجهزة الكمبيوتر

تحتوي الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المكتبية على مليارات من ترانزستورات السيليكون الصغيرة هذه ، والتي يجب التحكم في كل منها عن طريق تطبيق الجهد. أكسيد البوابة عبارة عن طبقة رقيقة من مادة تحول ذلك الجهد إلى شحنة كهربائية ، ثم تقوم بتشغيل الترانزستور.

“السعة السالبة يمكن أن تزيد من أداء أكسيد البوابة عن طريق تقليل كمية الجهد المطلوب لتحقيق شحنة كهربائية معينة” ، تشرح  Berkeley News.

لكن التأثير لا يمكن تحقيقه في أي مادة. يتطلب إنشاء سعة سالبة معالجة دقيقة لخاصية مادية تسمى الكهربية الحديدية ، والتي تحدث عندما تعرض المادة مجالًا كهربائيًا تلقائيًا. “

“في السابق ، كان التأثير يتحقق فقط في المواد الفيروكهربائية المسماة بيروفسكايت ، والتي لا يتوافق تركيبها البلوري مع السيليكون. في الدراسة ، أظهر الفريق أن السعة السلبية يمكن تحقيقها أيضًا من خلال الجمع بين أكسيد الهافنيوم وأكسيد الزركونيوم في بنية بلورية مُصممة هندسيًا تسمى الشبكة الفائقة ، مما يؤدي إلى توليد الطاقة الفيروكهربائية والكهرباء المضادة في وقت واحد “.

من خلال التجربة والخطأ ، اكتشف المهندسون أن البنية الشبكية الفائقة المكونة من ثلاث طبقات ذرية من أكسيد الزركونيوم المحصورة بين طبقتين ذريتين من أكسيد الهافنيوم ، بسمك أقل من 2 نانومتر ، قدمت أفضل تأثير ، السعة السلبية.

“نظرًا لأن معظم ترانزستورات السيليكون الحديثة تستخدم بالفعل بوابة أكسيد 2 نانومتر مكونة من أكسيد الهافنيوم على ثاني أكسيد السيليكون ، ولأن أكسيد الزركونيوم يُستخدم أيضًا في تقنيات السيليكون ، يمكن دمج هياكل الشبكة الفائقة بسهولة في الترانزستور المتقدم يقول بيركلي.

أدلة جديدة تثير التفاؤل

أظهر الاختبار أن هذه البنية الفائقة تؤدي أداءً جيدًا مثل أكاسيد البوابة وأن الترانزستورات التي تحتوي عليها تتطلب جهدًا أقل بحوالي 30٪ من التحولات الحالية ، حتى مع الحفاظ على معايير الصناعة ومعايير الموثوقية ، أشباه الموصلات.

يقول صلاح الدين: “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 ، لذلك لا يمكننا الاستفادة من التكنولوجيا الحقيقية”. “هذا العمل يحول السعة السلبية من موضوع أكاديمي إلى شيء يمكن استخدامه في الواقع في ترانزستور متقدم.”

نتيجة لهذا التقدم الهندسي ، يمكن لتأثير السعة السلبية أن يقلل بشكل كبير من مقدار الجهد المطلوب لتشغيل الترانزستورات ، وبالتالي سوف تتطلب أجهزة الكمبيوتر طاقة أقل بكثير طوال دورة حياتها.

يلاحظ صلاح الدين: “في السنوات العشر الماضية ، زادت الطاقة المستخدمة في الحوسبة بشكل كبير ، وهي تمثل بالفعل نسبًا من رقم واحد من إنتاج الطاقة العالمي ، والتي تنمو خطيًا فقط ، ولا تلوح في الأفق نهاية في الأفق”.

ويضيف العالم: “عادة عندما نستخدم أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة الخاصة بنا ، فإننا لا نفكر في مقدار الطاقة التي نستخدمها”. “لكنه مبلغ ضخم ، وسيزداد حجمه فقط. هدفنا هو تقليل احتياجات الطاقة لهذا المكون الأساسي للحوسبة ، لأن ذلك يقلل من احتياجات الطاقة للنظام بأكمله. “

المصدر/ ecoportal.netالمترجم/barabic.com