طور فريق بحثي من Northwestern Engineering وجامعة Messina في إيطاليا جهاز ذاكرة مغناطيسي جديد يمكن أن يؤدي إلى أنظمة ذكاء اصطناعي (AI) أسرع وأكثر قوة. تتكون تقنية الذاكرة من مواد مضادة للمغناطيسية ، وهي محصنة ضد المجالات المغناطيسية الخارجية ويمكن أن تحسن يومًا ما مجموعة متنوعة من أنظمة الحوسبة ، بما في ذلك أجهزة الذكاء الاصطناعي ، وتعدين العملات المشفرة ، وبرامج استكشاف الفضاء.
نُشرت في 22 يونيو في مجلة Nature Communications ، ورقة تلخص العمل بعنوان “مراقبة التبديل الناجم عن التيار في مضاد مغناطيسي غير متداخلة IrMn3 بواسطة مقاييس الجهد التفاضلي”. قاد الدراسة بيدرام خليلي ، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في كلية ماكورميك للهندسة. يضم الفريق المؤلفين الأوائل المشتركين سيفدينور أرباتشي وفيكتور لوبيز دومينغيز ، وكلاهما عضو في مختبر خليلي ، وجيوفاني فينوكيو ، الأستاذ المشارك في الهندسة الكهربائية في جامعة ميسينا ، الذي شارك في قيادة البحث مع خليلي.
يشمل أعضاء الفريق الآخرون في Northwestern Engineering ماثيو جرايسون ، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر ، ومارك هيرسام ، أستاذ والتر بي مورفي لعلوم وهندسة المواد.
تستخدم تطبيقات الذكاء الاصطناعي ، من منصات التعرف على الصوت الرقمية مثل Siri إلى معالجة الصور الطبية في الرعاية الصحية إلى منصات المحتوى التفاعلية مثل Netflix ، مجموعات بيانات أكبر بشكل متزايد للأداء ، مما يجعل تقنية أجهزة الذاكرة الحالية غير فعالة وغير مستدامة.
ظهرت الذكريات القائمة على المواد المغناطيسية كأفضل حل لمواجهة هذا التحدي. فهي سريعة بشكل طبيعي ولديها قدرة عالية على التحمل – فهي لا تبلى بسهولة أثناء دورات الكتابة المتكررة. خلال العقد الماضي ، استثمرت صناعة أشباه الموصلات بشكل كبير في تطوير ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية (MRAM) للاستجابة لهذا الطلب.
ومع ذلك ، فإن الإصدار الحالي من MRAM ، المبني على مواد مغناطيسية حديدية (FM) مثل الحديد والكوبالت ، لا يفي بمتطلبات تطبيقات الذكاء الاصطناعي عالية الأداء. لكي تعمل بسرعة ، تتطلب MRAM ترانزستورات كبيرة ، مما يمنعها من تحقيق كثافة عالية ويقلل من قدرتها على التحمل. كما لا يمكن تحجيمها إلى أبعاد أصغر – وبالتالي كثافات أعلى – لأن أجزاء الذاكرة المصنوعة من مواد مغناطيسية حديدية تعرض تفاعلات المجال المغناطيسي التي تمنعها من العمل بشكل موثوق إذا تم وضعها بالقرب من بعضها البعض.
أدخل المغناطيسات المغناطيسية المضادة (AFM) ، وهي فئة من المواد ذات ديناميكيات أسرع بطبيعتها من مواد FM ولا توجد أقطاب مغناطيسية كبيرة ، مما يسمح لمواد AFM بتجنب التفاعل المغناطيسي غير المرغوب فيه. هذه الميزة ، إلى جانب قدرة AFM على استخدامها بأبعاد صغيرة جدًا ، تعني أن الذاكرة المستندة إلى AFM لا يمكن محوها باستخدام الحقول المغناطيسية الخارجية – وهي ميزة أمنية كبيرة.
قال خليلي: “يمكن للمواد المضادة للمغناطيسية أن تحل تحديات المغناطيسية الحديدية MRAM”. “تُظهر المغناطيسات المغناطيسية إمكانية التوسع ، وسرعة الكتابة العالية ، والمناعة ضد العبث بالمجالات المغناطيسية الخارجية – جميع المكونات الضرورية لصنع أجهزة أسرع لدعم النمو السريع لصناعات الحوسبة والشبكات وتخزين البيانات.”
البناء على النجاح السابق
يتوسع العمل الجديد في دراسة أجريت عام 2020 حيث أظهر فريق البحث لأول مرة الكتابة الكهربائية للمعلومات في جهاز ذاكرة مضاد للمغناطيسية (AFM) متوافق مع السيليكون. كان الجهاز ، المكون من منجنيز البلاتين (PtMn) ، أصغر بكثير من الأجهزة السابقة القائمة على AFM ويعمل بتيار كهربائي منخفض قياسي. كان هذا الجهاز أيضًا أول جهاز ذاكرة AFM متوافق مع ممارسات تصنيع أشباه الموصلات الحالية.
وقال خليلي: “كان هذا إنجازًا رئيسيًا ، حيث لم نظهر أي نفقات رأسمالية جديدة تحتاجها الشركات التي ترغب في اعتماد تقنية MRAM المضادة للمغناطيسية”. “ومع ذلك ، شعرنا أنه يمكننا إجراء تحسينات ومعالجة العديد من أوجه القصور المهمة والأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها حول فيزياء الجهاز.”
باستخدام نظام جديد من المواد المضادة للمغناطيسية الملائمة للتصنيع يسمى إيريديوم منجنيز (IrMn3) ، طور الفريق جهاز ذاكرة جديدًا يحسن من سابقه بطرق متعددة.
بالإضافة إلى القدرة على كتابة البيانات ، يوفر نظام الباحثين طريقة أبسط وأكثر موثوقية لقراءة المعلومات الموجودة في المادة كهربائيًا بمجرد كتابتها. يمثل هذا تحديًا لمواد AFM ، التي تحتوي عادةً على إشارات قراءة أصغر من نظيراتها FM ، مما يجعل من الصعب في بعض التطبيقات التمييز بين تبديل AFM والتأثيرات غير المغناطيسية ، مثل الهجرة الكهربائية – حركة الذرات استجابة للتيارات العالية .
قال خليلي: “يحتاج جهاز الذاكرة الفعال إلى كتابة البيانات وقراءتها على حد سواء ليتم إجراؤها كهربائيًا ، وهذا العمل الجديد يلبي كلا المطلبين في وقت واحد”.
للقيام بذلك ، صمم الباحثون هيكلًا جديدًا للجهاز يضم ستة أطراف كهربائية ، مقارنة بأربعة في النموذج السابق. سمح ذلك للباحثين بفصل إشارات قراءات تبديل الجهاز عن الإشارات غير المغناطيسية وقياس الفرق بين الفولتية. سمحت هذه الطريقة للفريق بتأكيد تشغيل أجهزتهم بناءً على تبديل AFM في مجموعة متنوعة من التيارات والفولتية.
وقال خليلي: “هذا يجلب وضوحًا جديدًا للفيزياء الأساسية لهذه الأجهزة وآليات تشغيلها ، مما يسمح بتطوير وتحسين الأجهزة بشكل أكثر موثوقية في المستقبل”.
تطبيقات واسعة النطاق ، من Crypto إلى المريخ
بينما يواصل الفريق تحسين تقنيتهم ، بما في ذلك تصنيع أجهزة ذاكرة بأشكال هندسية أصغر وأنظمة مواد ذات إشارات قراءة أكبر لتطبيقات أكثر عملية ، قال خليلي إن عملهم يمكن تطبيقه في النهاية في أي مكان تستخدم فيه الذاكرة في الحوسبة عالية الأداء.
على سبيل المثال ، يمكن أن تستفيد العملة المشفرة من ذاكرة أقوى وأعلى كثافة. حاليًا ، غالبًا ما يتم إعاقة تعدين العملات المشفرة بسبب عرض النطاق الترددي للذاكرة المحدود ، مما يزيد بشكل كبير من الوقت والطاقة اللازمين للمعالجة. هذا يجعل التعدين مستهلكًا للطاقة وبطيئًا. يمكن أن تساعد الذاكرة عالية الكثافة التي يمكن تضمينها على نفس الشريحة التي تقوم بالتعدين في التغلب على هذه التحديات.
فرصة أخرى هي السفر إلى الفضاء. تتطلب العديد من أنظمة الفضاء الحالية ، مثل المركبات الجوالة المستخدمة على سطح المريخ ، أنظمة حوسبة قوية لتشغيل كميات كبيرة من الرؤية والملاحة واتخاذ القرار بشكل مستقل. يتفاقم هذا التحدي بسبب الافتقار إلى أدوات الملاحة ، مثل الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، بالقرب من مواقع الهبوط. يمكن للأنظمة التي تمت ترقيتها والتي تدعمها أجهزة ذاكرة أكثر قوة ذات نطاق ترددي أكبر أن تسرع العملية. الذكريات المغناطيسية ، بما في ذلك الأجهزة القائمة على AFM ، مقاومة بطبيعتها للإشعاع المؤين الموجود في الفضاء ، مما يجعلها مناسبة تمامًا للتطبيقات الفضائية حيث تعد الموثوقية وصلابة الإشعاع من المتطلبات الأساسية.
وقال خليلي: “في حين أن التطبيقات تتباين على نطاق واسع ، إلا أن الأجهزة الأساسية ورقائق الذاكرة وراءها هي نفسها بشكل أساسي”. “تقنيتنا ذات أغراض عامة ويمكن تطبيقها في أي مكان تُستخدم فيه الذاكرة في أنظمة الحوسبة عالية الأداء اليوم.”
