🔬 applied physics

Multiple spiking functionalities in annealing-optimized Ag/Hf $_{0.5}$ Zr $_{0.5}$ O $_2$ -based memristive neurons

تقدم هذه الورقة عصبوناً اصطناعياً موفراً للطاقة يعتمد على ممرستورات (memristors) من نوع Ag/Hf $_{0.5}$ Zr $_{0.5}$ O $_2$ مُحسّنة بالتلدين، والتي تُظهر وظائف نبضية متعددة، بما في ذلك سلوك التسريب والتكامل والتحفيز (leaky integrate-and-fire) وأنماط ترميز متنوعة، باستخدام دائرة بسيطة دون أعباء إلكترونية إضافية.

المؤلفون الأصليون: Nikita Zhidkov, Andrei Zenkevich, Anton Khanas

نُشر 2026-04-14

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Nikita Zhidkov, Andrei Zenkevich, Anton Khanas

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل أنك تحاول بناء عقل فائق السرعة وفائق الكفاءة لحاسوب. في الوقت الحالي، حواسيبنا (مثل هذا الحاسوب الذي تقرأ منه الآن) مبنية مثل أمين مكتبة يركض ذهابًا وإيابًا بين مكتبة ضخمة (الذاكرة) ومكتب (المعالج) للحصول على المعلومات. هذا "الركض ذهابًا وإيابًا" يستهلك الكثير من الطاقة ويستغرق وقتًا.

يحاول العلماء بناء نوع جديد من الحواسيب يعمل بشكل يشبه الدماغ البشري. في الدماغ، تتم معالجة المعلومات في نفس مكان تخزينها، باستخدام إشارات كهربائية صغيرة تسمى "النبضات" (spikes). وللقيام بذلك، نحتاج إلى أجزاء إلكترونية صغيرة تعمل كـ مشابك عصبية (وصلات) وعصبونات (صناع القرار).

هذه الورقة البحثية تتحدث عن إنشاء "عصبون" إلكتروني خاص جدًا يمكنه القيام بثلاث وظائف مختلفة في آن واحد، وكل ذلك مع استهلاك القليل جدًا من الطاقة. إليك قصة كيف فعلوا ذلك، مشروحة ببساء.

١. المشكلة: صنع جزء من الدماغ أمر صعب

فكر في العصبون مثل دلو مثقوب.

الدلو: يجمع الماء (الكهرباء) من عصبونات أخرى.
الثقب: إذا لم يسكب أحد الماء، فإن الدلو يفرغ ببطء (هذا هو الجزء "المتسرب").
الفوهة: بمجرد أن يصل مستوى الماء إلى خط معين (العتبة)، يقوم الدلو فجأة بتفريغ كل مائه في دفعة واحدة (نبضة). ثم يبدأ من جديد وهو فارغ.

صنع جزء إلكتروني يعمل تمامًا مثل هذا الدلو المثقوب أمر صعب. معظم الأجزاء الإلكترونية إما بطيئة جدًا، أو كبيرة جدًا، أو أنها لا تعيد ضبط نفسها تلقائيًا. أراد العلماء صنع مفتاح صغير يمكنه القيام بفعل "الملء ثم التفريغ" هذا من تلقاء نفسه.

٢. المادة: الساندوتش السحري

بنى العلماء العصبون الخاص بهم باستخدام "ساندوتش" من المواد:

الخبز السفلي: نتريد التيتانيوم (معدن).
الحشوة: أكسيد الهافنيوم-الزركونيوم (سيراميك خاص).
الخبز العلوي: الفضة (معدن يحب التحرك حوله).

عند تطبيق الكهرباء على هذا الساندوتش، تنمو "خيوط" دقيقة من الفضة (مثل أسلاك مجهرية) داخل الحشوة السراميكية. عندما تربط هذه الخيوط بين الأعلى والأسفل، تتدفق الكهرباء. وعندما تنكسر، يتوقف التدفق. هذا هو جوهر الجهاز.

٣. السر: "الخبز على خطوتين"

التحدي الأكبر كان أن خيوط الفضة هذه كانت غير متوقعة. أحيانًا تنمو كبيرة جدًا، وأحيانًا صغيرة جدًا، وأحيانًا لا تتكون على الإطلاق. كان الأمر يشبه محاولة خبز كعكة حيث درجة حرارة الفرن تتغير باستمرار، ولا تعرف أبدًا ما إذا كانت ستكون محترقة أو نيئة.

حل العلماء هذه المشكلة باستخدام عملية خبز من خطوتين (تسمى التلدين - annealing):

الخبزة الأولى (الأساس): قاموا بخبز الحشوة السيراميكية أولاً. هذا نظم البلورات الصغيرة بداخلها، مما خلق "طرقًا سريعة" لتتحرك عليها الفضة لاحقًا.
الخبزة الثانية (التوصيل): بعد وضع الفضة في الأعلى، قاموا بخبزها مرة أخرى عند درجة حرارة أقل. هذا دفع ذرات الفضة بلطف إلى تلك "الطرق السريعة" دون إفساد الهيكل البلوري.

النتيجة: خلقت وصفة الخبز هذه مفتاحًا موثوقًا للغاية. كان يعمل عند جهد كهربائي منخفض جدًا (مما يوفر الطاقة) وكان هناك فرق هائل بين حالتي "الإيقاف" و"التشغيل" (مما يجعل الإشارة واضحة جدًا).

٤. القوة الخارقة: جهاز واحد، ثلاثة أوضاع

عادةً ما يحتاج شريحة الكمبيوتر إلى ثلاثة أنواع مختلفة من الأجزاء للقيام بثلاثة أشياء مختلفة. ولكن هذا العصبون الجديد (Ag/HZO) هو أداة سويسرية متعددة الاستخدامات (3 في 1). من خلال تغيير قوة الجهد (الدفع) الذي يعطونه له فقط، يمكنه التحدث بثلاث "لغات" مختلفة:

النمط أ: كود "كم يستغرق من الوقت؟" (الوقت حتى أول نبضة)
- تشبيه: تخيل عداءً عند خط البداية. إذا أعطيته دفعة لطيفة، سيستغرق بعض الوقت ليبدأ الجري. إذا دفعته بقوة، سينطلق بسرعة فورًا.
- كيف يعمل: كلما كان جهد الإدخال أقوى، أسرع العصبون في إطلاق "النبضة". يمكن للحاسوب قراءة الوقت الذي استغرقه حتى النبضة لفهم البيانات.
** النمط ب: كود "كم العدد؟" (عدد النبضات)**
- تشبيه: تخيل عازف طبول. إذا نقرت على الطبل بخفة، سيضرب ضربة واحدة. إذا نقرت بقوة أكبر، سيضرب خمس مرات متتالية.
- كيف يعمل: الإدخال الأقوى يجعل العصبون يطلق دفعة من عدة نبضات. يقوم الحاسوب بعدّ عدد الضربات لفهم البيانات.
النمط ج: كود "ما هي السرعة؟" (معدل الإطلاق)
- تشبيه: تخيل بندول الميترونوم. الدفع البطيء يجعله يعمل ببطء؛ الدفع السريع يجعله يعمل بسرعة.
- كيف يعمل: يبدأ العصبون في إطلاق النبضات بإيقاع. الإدخال الأقوى يجعل الإيقاع أسرع. يقرأ الحاسوب سرعة الإيقاع لفهم البيانات.

٥. لماذا يهم هذا؟

هذه خطوة كبيرة للأمام لسببين:

كفاءة الطاقة: هذا العصبون الصغير يستخدم طاقة ضئيلة جدًا (حوالي 0.7 نانو جول لكل نبضة). هذا يشبه طاقة سقوط حبة رمل واحدة من فوق طاولة. هذا يعني أن حواسيب الذكاء الاصطناعي المستقبلية يمكن أن تعمل ببطاريات صغيرة بدلاً من الحاجة إلى محطات طاقة ضخمة.
البساطة: نظرًا لأن جهازًا واحدًا صغيرًا يمكنه القيام بثلاث وظائف مختلفة، فنحن لسنا بحاجة لبناء ثلاثة أنواع مختلفة من الرقائق. هذا يوفر المساحة ويجعل الأجهزة أبسط بكثير في التصنيع.

الخلاصة

لقد توصل العلماء إلى "وصفة خبز" لصنع مفتاح إلكتروني صغير يعمل تمامًا مثل خلية دماغية. هذا المفتاح ذكي جدًا بحيث يمكنه تغيير سلوكه في اللحظة، والتحدث بثلاث لغات مختلفة اعتمادًا على مدى قوة دفعك له. هذا يقربنا خطوة أخرى من بناء حواسيب يمكنها أن تكون بكفاءة وسرعة ومرونة الدماغ البشري.

إليك ملخص تقني مفصل للورقة البحثية بعنوان: "وظائف النبض المتعددة في الخلايا العصبية الميمريستورية القائمة على Ag/Hf0.5Zr0.5O2 والمحسنة بالتقسية الحرارية."

1. بيان المشكلة

أدى التقدم السريع في الشبكات العصبية الاصطناعية (ANNs) إلى استهلاك غير مسبوق للطاقة، مما استدعى التحول من معماريات "فون نيومان" إلى أجهزة عصبية (neuromorphic) موفرة للطاقة. وبينما تطورت المشابك العصبية (synapses) الميمريستورية بشكل جيد، لا يزال تصنيع الخلايا العصبية الاصطناعية القابلة للتوسع وعالية التكرار يمثل تحدياً كبيراً.

الفجوة: تعاني الخلايا العصبية الميمريستورية الحالية غالباً من تباين عالٍ في معايير التبديل (جهد العتبة $V_{th}$ ، تيارات التشغيل/الإيقاف)، وتفتقر إلى تعدد الوظائف، كما تتسم بمسارات تصنيع معقدة يصعب توسيع نطاقها.
المتطلبات: يتطلب النموذج العصبي الاصطناعي القابل للتطبيق تنفيذاً فيزيائياً لنموذج "التكامل والتسريب والنبض" (LIF)، والذي يحتاج إلى مفتاح عتبة (TS) يتميز بمقاومة تفاضلية سالبة (NDR)، وجهد عتبة منخفض، ونسبة عالية بين تيار التشغيل والإيقاف ( $I_{on}/I_{off}$ )، وتبديل مستقر.

2. المنهجية

قام المؤلفون بتطوير جهاز ميمريستوري من نوع Ag/Hf $_{0.5}$ Zr $_{0.5}$ O $_2$ (HZO)/TiN وحسنوا عملية تصنيعه لتحقيق تبديل عتبة متطاير (volatile) مناسب للسلوك العصبي.

هيكل الجهاز:
- القطب السفلي (BE): طبقة 50 نانومتر من TiN على Si(100).
- العازل: 10 نانومتر من HZO تم نموه عبر الترسيب بالطبقة الذرية (ALD).
- القطب العلوي (TE): طبقة Ag (تم ترسيبها عبر الترسيب بالليزر النبضي أو التبخير بالحزمة الإلكترونية) مع طبقة حماية من البلاتين (Pt).
استراتيجية التحسين (التقسية الحرارية بخطوتين):
للتحكم في تبلور HZO وانتشار ذرات Ag (التي تشكل خيوطاً موصلة)، قدم المؤلفون تسلسلاً محدداً للتقسية الحرارية باستخدام التقسية الحرارية السريعة (RTA):
1. التقسية ما بعد الترسيب (PDA): 550 درجة مئوية لمدة 30 ثانية (بعد نمو HZO). تعمل هذه الخطوة على تبلور طبقة HZO، مما يخلق حدود الحبيبات (GB) والوصلات الثلاثية (TJ) التي تعمل كمسارات مفضلة لانتشار Ag.
2. التقسية ما بعد المعدنة (PMA): 350 درجة مئوية لمدة 60 ثانية (بعد ترسيب Ag). تسهل هذه الخطوة انتشار Ag داخل حدود الحبيبات/الوصلات الثلاثية المتكونة مسبقاً دون تغيير في بلورية HZO.
الإعداد التجريبي:
- أُجريت القياسات الكهربائية باستخدام جهاز Keysight B1500A.
- تم توصيل مقاومة متسلسلة ( $R_s = 2.7$ ميجا أوم) خارجياً للحد من التيار وتثبيت الجهاز، مما خلق فعلياً مكون "التسريب" في دائرة LIF.
- عملت السعة الذاتية لهيكل Ag/HZO كـ "سعة غشاء".

3. المساهمات الرئيسية

تحسين التصنيع: اقتراح طريقة تقسيم حرارية بخطوتين (PDA + PMA) لفصل تبلور العازل عن انتشار المعدن، مما أدى إلى خصائص تبديل عتبة فائقة مقارنة بالتقسية بخطوة واحدة أو عدم وجود تقسيم حراري.
خلية عصبية متعددة الوظائف: إثبات قدرة جهاز ميمريستوري واحد على العمل في ثلاثة أنماط ترميز نبضية متميزة يتم التحكم فيها فقط من خلال سعة جهد الإدخال:
- زمن الوصول لأول نبضة (TTFS).
- عدد النبضات.
- معدل النبض (Firing Rate).
كفاءة الأجهزة: تنفيذ خلية LIF دون الحاجة إلى أعباء إلكترونية إضافية (لا مكثفات خارجية أو دوائر معقدة)، بالاعتماد فقط على الميمريستور ومقاومة متسلسلة.

4. النتائج

الأداء الكهربائي:
- حققت أجهزة PDA + PMA المحسنة جهد عتبة منخفض ( $V_{th} \approx 0.5$ فولت) ونسبة $I_{on}/I_{off}$ عالية ( $\approx 10^6$ ).
- حدث التبديل في خطوة واحدة مع انتقالات حادة، على عكس التبديل التدريجي أو متعدد الخطوات المشاهد في الأجهزة المعالجة بخطوة واحدة.
- أظهر التحليل الإحصائي لـ 1,000 دورة استقرارية عالية في $I_{on}$ و $I_{off}$ وجهد الثبات، مع تشتت يمكن التحكم فيه في $V_{th}$ .
السلوك العصبي (ديناميكيات LIF):
- نمط TTFS: تحت تأثير نبضات جهد ثابتة، أظهر الجهاز فترة "خمول" أولية قبل النبضة الأولى. انخفض هذا التأخير أسياً مع زيادة جهد الإدخال.
- نمط عدد النبضات: زاد عدد تذبذبات الاسترخاء (النبضات) التي يولدها الجهاز قبل دخوله في حالة التشغيل (ON) خطياً مع زيادة جهد الإدخال.
- نمط معدل النبض: تحت تأثير منحدرات الجهد شبه المنحرفة، أنتج الجهاز نبضات دورية مع فترات زمنية متغيرة بين النبضات. زاد معدل النبض اللحظي بشكل خطي تقريباً مع زيادة جهد الإدخال.
كفاءة الطاقة:
- كان متوسط استهلاك الطاقة 0.7 نانو جول لكل نبضة، وهو أقل بأكثر من مرتبة عشرية من أفضل ميمريستورات "موت" (Mott) ومماثل لميمريستورات الفتيلة المعدنية الأخرى.

5. الأهمية

القابلية للتوسع والبساطة: عملية التقسية الحرارية بخطوتين متوافقة مع تصنيع أشباه الموصلات القياسي، مما يتجنب عمليات الليثوغرافيا المعقدة أو التنميط النانوي المطلوبة غالباً للتحكم في تكوين الخيوط.
الميزة الهيكلية: من خلال دمج ثلاثة مخططات ترميز (TTFS، عدد النبضات، معدل النبض) في جهاز واحد "3 في 1"، يتم إلغاء الحاجة إلى نوى أجهزة مخصصة متعددة. وهذا يقلل بشكل كبير من مساحة الشريحة والتعقيد لمسرعات الشبكات العصبية النبضية (SNN).
الإمكانات المستقبلية: يشير استخدام HZO (وهي مادة فروكهلورية) إلى إمكانيات مستقبلية للخلايا العصبية القابلة لإعادة التشكيل حيث يمكن ضبط سعة الغشاء عبر الخصائص الفروكهلورية، رغم أن هذا ذُكر كموضوع للعمل المستقبلي.
التأثير: توفر هذه الدراسة خطوة حاسمة نحو إنشاء أجهزة عصبية موفرة للطاقة، قابلة للتوسع، وتحاكي السلوك النبضي البيولوجي بدقة عالية وتكرارية.