“اختراق علمي”: أكسيد الهافنيوم (هافنيا) يمهد الطريق لذاكرة كمبيوتر فائقة السرعة وفعالة ورخيصة الثمن – ترجمة* محمد جواد ىل السيد ناصر الخضراوي

Hafnia Breakthrough Paves Way for Ultra-Fast, Efficient, Cheap Computer Memory
(UNIVERSITY OF ROCHESTER – بواسطة: جامعة روتشيستر)

ملخص المقالة:

يطور علماء في جامعة روتشيستر استخدام الهافنيا وميزاتها الكهروضوئية للدخول في الجيل القادم من ذاكرة الحوسبة غير المتطايرة، مما يوفر مزايا كبيرة مقارنة بالتقنيات الحالية. وتظهر الهافنيا في مرحلة بلورية محددة خصائص متعلقة بالاستقطاب الكهربائي الذي يمكن تغييره في اتجاه أو آخر عن طريق تطبيق مجال كهربائي خارجي. ويمكن تسخير هذه الميزة في تقنية تخزين البيانات، حيث تتمتع الذاكرة الكهروضوئية بميزة عدم التطاير، مما يعني أنها تحتفظ بقيمها حتى عند إيقاف تشغيلها، وهي واحدة من المزايا العديدة التي تتفوق على معظم أنواع الذاكرة المستخدمة اليوم. ومن المزايا أيضا القوة والسرعة الفائقة ورخص إنتاجها وكفاءتها استخدام الطاقة.

( المقالة )

يحدد علماء عمليات جديدة للاستفادة من ميزات الهافنيا الكهروضوئية بهدف تعزيز الحوسبة عالية الأداء.

بذل علماء ومهندسون جهودًا كبيرة خلال العقد الماضي للاستفادة من مادة كهروضوئية بعيدة المنال تسمى أكسيد الهافنيوم، أو الهافنيا، للدخول في الجيل التالي من ذاكرة الحوسبة. وقد نشر فريق من الباحثين، بما في ذلك البروفيسور سوبهيت سينغ من جامعة روتشستر، دراسة في نشرة “وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم” توضح التقدم نحو جعل الهافنيا الكهروضوئية والمضادة للكهرباء الحديدية^[3] متاحة للاستخدام في مجموعة متنوعة من التطبيقات.

وفي مرحلة بلورية محددة، تظهر الهافنيا خصائص متعلقة بالطاقة الكهربائية الحديدية، أي الاستقطاب الكهربائي الذي يمكن تغييره في اتجاه أو آخر عن طريق تطبيق مجال كهربائي خارجي. ويمكن تسخير هذه الميزة في تقنية تخزين البيانات. فعند استخدامها في الحوسبة، تتمتع الذاكرة الكهروضوئية بميزة عدم التطاير، مما يعني أنها تحتفظ بقيمها حتى عند إيقاف تشغيلها، وهي واحدة من المزايا العديدة التي تتفوق على معظم أنواع الذاكرة المستخدمة اليوم.

إمكانات الذاكرة الكهروضوئية

يقول البروفيسور سينغ، الأستاذ المساعد في قسم الهندسة الميكانيكية: “إن مادة الهافنيا مادة مثيرة للغاية بسبب تطبيقاتها العملية في تقنية الكمبيوتر، وخاصة لتخزين البيانات”. ويضيف: “حاليًا، لتخزين البيانات نستخدم أشكالًا مغناطيسية من الذاكرة بطيئة، وتتطلب الكثير من الطاقة لتشغيلها، وليست فعالة جدًا. وتتميز أشكال الذاكرة الكهروضوئية بالقوة والسرعة الفائقة وهي أرخص إنتاجًا وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة”.

ولكن البروفيسور سينغ، الذي يجري حسابات نظرية للتنبؤ بخصائص المواد على المستوى الكمي، يقول إن كمية الهافنيا ليست متعلقة بالطاقة الكهربائية الحديدية في حالتها الأرضية. وحتى وقت قريب، تمكن العلماء فقط من إيصال الهافنيا إلى حالتها الكهروضوئية شبه المستقرة عندما تم تصفيتها كفيلم رقيق ثنائي الأبعاد بسمك نانومتر.

التقدم في علوم المواد

في عام 2021، كان البروفيسور سينغ جزءًا من فريق من العلماء في جامعة روتغرز [في ولاية نيوجرسي] الذين تمكنوا من جعل الهافنيا تبقى في حالتها الكهروضوئية شبه المستقرة عن طريق خلط المادة مع الإيتريوم^[4] وتبريدها بسرعة. ومع ذلك، كان لهذا النهج بعض العيوب. ويقول: “لقد تطلب الأمر الكثير من الإيتريوم للوصول إلى تلك المرحلة شبه المستقرة المرغوبة”. ويضيف: “لذلك، بينما حققنا ما كنا نسعى إليه، كنا في الوقت نفسه نعرقل الكثير من السمات الرئيسية للمادة لأننا كنا ندخل الكثير من الشوائب والفوضى في البلورة. وأصبح السؤال، كيف يمكننا الوصول إلى تلك الحالة شبه المستقرة مع أقل قدر ممكن من الإيتريوم لتحسين خصائص المادة الناتجة؟”

وفي الدراسة الجديدة، قام البروفيسور سينغ بحساب أنه من خلال وضع (ممارسة) ضغط كبير يمكن للمرء تثبيت الهافنيا السائبة في أشكالها الكهروضوئية والمضادة للكهرباء الحديدية شبه المستقرة – وكلاهما مثير للاهتمام للتطبيقات العملية في تقنيات تخزين البيانات والطاقة من الجيل التالي. وقد أجرى فريق بقيادة البروفيسور جانيس موسفيلدت من جامعة تينيسي بمدينة نوكسفيل تجارب الضغط العالي وأثبت أن المادة عند الضغط المتوقع تحولت إلى الطور شبه المستقر وبقيت هناك حتى بعد إزالة الضغط.

ويقول البروفيسور موسفيلدت: “يعد هذا مثالًا ممتازًا للتعاون التجريبي النظري”.

ويتطلب النهج الجديد فقط حوالي نصف كمية الإيتريوم كمثبت، وبالتالي تحسين جودة ونقاء بلورات الهافنيا المزروعة بشكل كبير. والآن، يقول البروفيسور سينغ إنه والعلماء الآخرون سيعملون على استخدام كميات أقل وأقل من الإيتريوم حتى يكتشفوا طريقة لإنتاج الهافنيا الكهروضوئية بكميات كبيرة للاستخدام على نطاق واسع.

ومع استمرار الهافنيا في جذب الاهتمام المتزايد بسبب قدرتها الكهروضوئية المثيرة للاهتمام، ينظم البروفيسور سينغ دعوة جلسة تركيز حول المادة في اجتماع للجمعية الفيزيائية الأمريكية الذي سيعقد في مارس 2024 القادم.

*تمت الترجمة بتصرف

المرجع: “Structural phase purification of bulk HfO₂:Y through pressure cycling” by J. L. Musfeldt, Sobhit Singh, Shiyu Fan, Yanhong Gu, Xianghan Xu, S.-W. Cheong, Z. Liu, David Vanderbilt and Karin M. Rabe, 24 January 2024, Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073/pnas.2312571121

التمويل: وزارة الطاقة/وزارة الطاقة الأمريكية، مؤسسة غوردون وبيتي مور، مكتب الأبحاث البحرية، المؤسسة الوطنية للعلوم.

المصدر:

https://scitechdaily.com/hafnia-breakthrough-paves-way-for-ultra-fast-efficient-cheap-computer-memory/

الهوامش:

[1] أكسيد الهافنيوم (Hafnium(IV) oxide) هو مركب غير عضوي خامل تماما له الصيغة HfO₂.  تُعرف هذه المادة الصلبة عديمة اللون أيضًا باسم ثاني أكسيد الهافنيوم أو الهافنيا، وهي واحدة من أكثر مركبات الهافنيوم شيوعًا واستقرارًا. إنها عازل كهربائي بفجوة نطاق تبلغ 5.3 ~ 5.7 فولت. ثاني أكسيد الهافنيوم هو وسيط في بعض العمليات التي تعطي معدن الهافنيوم. يتفاعل الهافنيا مع الأحماض القوية مثل حمض الكبريتيك المركز ومع القواعد القوية. ويذوب ببطء في حمض الهيدروفلوريك ليعطي أنيونات الفلوروهافنات. عند درجات الحرارة المرتفعة، يتفاعل مع الكلور في وجود الجرافيت أو رابع كلوريد الكربون ليعطي رابع كلوريد الهافنيوم. تتبنى الهافنيا عادة نفس هيكل الزركونيا (ZrO2). عادة ما تكون الأغشية الرقيقة من أكاسيد الهافنيوم المترسبة عن طريق ترسيب الطبقة الذرية بلورية. نظرًا لأن أجهزة أشباه الموصلات تستفيد من وجود أغشية غير متبلورة، فقد قام الباحثون بخلط أكسيد الهافنيوم مع الألومنيوم أو السيليكون (لتكوين سيليكات الهافنيوم)، والتي لها درجة حرارة تبلور أعلى من أكسيد الهافنيوم. ويكيبيديا.

[2] الذاكرة غير المتطايرة (Non-volatile memory) هي الذاكرة التي تحتفظ بقيمها حتى عند إزالة الطاقة. تضمنت الأشكال السابقة من الذاكرة غير المتطايرة أشكالًا مختلفة من ذاكرة القراءة فقط (ROM). تم تصنيع البيانات الموجودة في دوائر الذاكرة هذه مباشرة على الدائرة أثناء عملية الإنتاج (دوائر ROM) أو تمت برمجتها في الدائرة بواسطة أجهزة خاصة (ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة (EPROM) [التي لا تفقد بياناتها عند انقطاع التيار الكهربائي])، (ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح كهربائيًا والقابلة للبرمجة EEPROM). تستخدم الذاكرات غير المتطايرة الحالية تقنية الفلاش ويمكن كتابتها “في الدائرة”، أي كتابتها أثناء التشغيل العادي للكمبيوتر تمامًا مثل ذاكرة الوصول العشوائي. ومع ذلك ، تعد الكتابة على أجهزة الذاكرة المحمولة أبطأ بكثير من الكتابة إلى ذاكرة الوصول العشوائي العادية ويجب أن تتم غالبًا على شكل كتل بدلاً من بايت واحد في المرة الواحدة، كما أن عدد دورات مسح الكتابة محدود، ويقتصر حاليًا على 100000 دورة قبل بدء الدائرة للتدهور.

الاستخدام الشائع للذاكرة غير المتطايرة هو الاحتفاظ بالتعليمات التي يتم تنفيذها لأول مرة عند تشغيل الكمبيوتر. يشار إلى هذه التعليمات باسم رمز التمهيد (boot code). عند تشغيل الكمبيوتر لأول مرة، تكون ذاكرة الوصول العشوائي “فارغة”، أي أنها تحتوي على بتات عشوائية. يقوم الكمبيوتر بتنفيذ رمز التمهيد من الذاكرة غير المتطايرة. يقوم رمز التمهيد بتهيئة العديد من السجلات في وحدة المعالجة المركزية ثم يقوم بالبحث في محرك الأقراص الثابتة أو محرك الأقراص المضغوطة عن بقية نظام التشغيل. يقوم بتحميل الجزء الأساسي من نظام التشغيل في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ويبدأ في تنفيذ رمز نظام التشغيل. عند هذه النقطة فقط يمكن للمستخدم أن يطلب تشغيل التطبيقات. المصدر: https://www.sciencedirect.com/topics/computer-science/non-volatile-memory

[3] تعتبر الطاقة الكهربائية الحديدية (Ferroelectricity) خاصية مادية يمكن استخدامها لتخزين المعلومات الثنائية، وبالتالي فهي واعدة لاعتمادها في الذكريات غير المتطايرة. تتميز المواد الكهروضوئية بحالتين من الاستقطاب التلقائي غير الصفري يمكن عكسهما عن طريق تطبيق مجال كهربائي خارجي. بالفعل في عام 1952، تم التحقيق في الإنجازات الأولى للذكريات الكهروضوئية المعتمدة على بلورات تيتانات الباريوم. تعتبر الطاقة الكهربائية الحديدية خاصية مادية يمكن استخدامها لتخزين المعلومات الثنائية، وبالتالي فهي واعدة لاعتمادها في الذكريات غير المتطايرة. تتميز المواد الكهروضوئية بحالتين من الاستقطاب التلقائي غير الصفري يمكن عكسهما عن طريق تطبيق مجال كهربائي خارجي. بالفعل في عام 1952، تم التحقيق في الإنجازات الأولى للذكريات الكهروضوئية المعتمدة على بلورات تيتانات الباريوم. المصدر: https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/ferroelectricity

[4] إيتريوم (Yttrium) هو عنصر كيميائي له الرمز Y والرقم الذري 39، وهو فلز انتقالي فضي معدني يشبه كيميائيًا اللانثانيدات، وغالبًا ما يتم تصنيفه على أنه “عنصر أرضي نادر”. يوجد الإيتريوم دائمًا تقريبًا مع عناصر اللانثانيد في المعادن الأرضية النادرة ولا يوجد أبدًا في الطبيعة كعنصر حر. 89Y هو النظير المستقر الوحيد والنظير الوحيد الموجود في القشرة الأرضية. وأهم استخدام للإيتريوم في الوقت الحاضر هو كونه أحد مكونات الفوسفور، وخاصة تلك المستخدمة في مصابيح “ال إي دي” LED. تاريخيًا، تم استخدامه على نطاق واسع في الفوسفور الأحمر في شاشات عرض أنبوب أشعة الكاثود في أجهزة التلفزيون. ويستخدم الإيتريوم أيضًا في إنتاج الأقطاب الكهربائية، والكهارل، والمرشحات الإلكترونية، والليزر، والموصلات الفائقة، والتطبيقات الطبية المختلفة، وتتبع المواد المختلفة لتعزيز خصائصها. وليس للإيتريوم دور بيولوجي معروف، لكن التعرض لمركبات الإيتريوم يمكن أن يسبب أمراض الرئة لدى البشر. المصدر: ويكيبيديا.