Experimental Realization of a Zero-RAM, Battery-Free 3.0mm Reversible Computing Platform Circumventing Landauer's Limit for Sustainable Global Climate Mitigation

تواجه الحوسبة الحديثة عائقًا فيزيائيًا جوهريًا. ففي كل مرة تقوم فيها شريحة كمبيوتر قياسية بمسح معلومة ما، مثل إفراغ خلية ذاكرة لإفساح المجال لبيانات جديدة، يجب عليها إطلاق كمية ضئيلة من الحرارة. هذا ليس عيبًا في الهندسة بل هو قانون من قوانين الطبيعة: فكلما عالجت الآلة المزيد من البيانات وتخلصت منها، زادت كمية الطاقة التي تهدرها على شكل حرارة. ويخلق هذا الهدر مشكلة هائلة للكوكب؛ إذ تستهلك مراكز البيانات التي تشغل الذكاء الاصطناعي ومليارات الهواتف الذكية التي نحملها كميات هائلة من الكهرباء، مما يولد حرارة تساهم في الاحتباس الحراري وتتطلب معادن نادرة غالبًا ما تُستخرج بطرق تضر بالأنظمة البيئية. لسنوات عديدة، سعى العلماء لإيجاد طريقة للحوسبة دون هذه الضريبة الحرارية، وهي طريقة تسمح للآلات بمعالجة المعلومات دون التكلفة الديناميكية الحرارية لمسحها.

وقد أعلن فريق بحثي في مختبر (HSKG) لأبحاث الكم في كوريا الجنوبية الآن عن التحقيق التجريبي لجهاز يحل هذه المشكلة. فقد بنوا منصة حوسبة نموذجية تعمل بدون شرائح الذاكرة والبطاريات الموجودة في كل هاتف حديث. يبلغ سمك الجهاز 3.0 مليمترات فقط، وهو ما يعادل تقريبًا عرض بطاقة الائتمان، ويعمل بنوع جديد من المنطق الذي يعيد تدوير شحنته الكهربائية بدلًا من التخلص منها كحرارة مهدرة. ومن خلال القيام بذلك، يزعم الباحثون أنهم تجاوزوا الحد الديناميكي الحراري الذي حكم الحوسبة لعقود، حيث ابتكروا آلة تستهلك طاقة ضئيلة جدًا ولا تولد حرارة أثناء التشغيل.

يكمن جوهر هذا الإنجاز في نظام يسمى "الحوسبة العكسية". في الكمبيوتر القياسي، عندما يتم تغيير بت من البيانات أو مسحه، تضيع الطاقة المستخدمة للقيام بذلك على شكل حرارة. أما الجهاز الجديد فيستخدم طريقة تسمى "منطق استعادة الشحن الأدياباتيكي" (اللاحراري). فبدلًا من دفع الكهرباء عبر دائرة وتركها تتبدد في الأرض، يستخدم النظام مصدر طاقة إيقاعي متذبذب. ومع تبدل حالات الدائرة، يقوم النظام بالتقاط الشحنة الكهربائية التي كانت ستُفقد عادةً ويعيد دفعها إلى مصدر الطاقة، لتكون جاهزة للاستخدام مرة أخرى. وقد قاس الباحثون هذه العملية ووجدوا أن الجهاز يستعيد 94.7 بالمائة من الطاقة المستخدمة خلال كل عملية تبديل. وتسمح هذه الكفاءة لنواة المعالجة بأكملها بالعمل بقدر 23.9 ميكروواط فقط من الطاقة، وهو انخفاض بنسبة 99.999 بالمائة مقارنة بالواطات التي تتطلبها معالجات الهواتف الذكية الحالية. ولأن الجهاز لا يولد حرارة تقريبًا، فهو لا يحتاج إلى مراوح، أو تبريد سائل، أو أغلفة معدنية سميكة للحفاظ على برودته.

ولعل الميزة الأكثر إثارة للإعجاب في هذه المنصة هي كيفية تعاملها مع الذاكرة. تعتمد الهواتف الذكية القياسية على مجموعات كبيرة وثقيلة من شرائح الذاكرة لتخزين البيانات، والتي يتم مسحها وإعادة كتابتها باستمرار. هذا الجهاز لا يحتوي على أي شرائح ذاكرة فيزيائية على الإطلاق؛ بل يستخدم دالة رياضية لإنشاء البيانات فقط عند الحاجة إليها. فعندما يحتاج النظام إلى تشغيل نموذج ذكاء اصطناعي ضخم، مثل نموذج يحتوي على 405 مليار معلمة، فإنه لا يقوم بتحميل جيجابايت من البيانات من محرك أقراص صلب. بل يقوم بتخليق المعلومات اللازمة فورًا داخل سجلات المعالج. وبمجرد انتهاء العملية الحسابية، يرسل النظام نبضة جهد محددة تتسبب في تلاشي البيانات تمامًا في أقل من 24 مللي ثانية. وهذا يعني أن الجهاز ليس لديه بيانات مخزنة يمكن سرقتها أو تسريبها، كما أنه لا يتطلب بنوك ذاكرة فيزيائية، مما يسمح ببناء الهاتف بأكمله بدون بطاريات الليثيوم-أيون الثقيلة وشرائح الذاكرة التي تجعل الأجهزة الحالية سميكة وثقيلة.

يعكس البناء الفيزيائي للجهاز هذه التغييرات الداخلية. فقد أزال الباحثون البطارية، وأنظمة التبريد، وشرائح الذاكرة، وضغطوا الطبقات بالكامل في جسم بسمك 3.0 مليمترات مصنوع من إطار تيتانيوم مدعم بالجرافين. هذه المادة قوية بما يكفي لتحمل الانثناء بقوة 150 نيوتن دون تشوه دائم، ويمكنها النجا من السقوط على الخرسانة من ارتفاع 2.0 متر. الجهاز مغلق تمامًا ومقاوم للماء، ولا توجد به فتحات لمنافذ الشحن. وبدلاً من البطارية، يستخدم مكثفًا فائقًا رقيقًا مطبوعًا يحصد الطاقة من البيئة المحيطة. كما تم دمج الشاشة ونظام الصوت مباشرة في الهيكل الزجاجي باستخدام محولات عرض كهرضغطية تهتز لتولية الصوت، مما يلغي الحاجة إلى مكبرات صوت منفصلة أو أسلاك معقدة.

تمتد تداعيات هذا التصميم إلى ما هو أبعد من مجرد جعل الهاتف أكثر نحافة. إذ يصف الباحثون قدرة الجهاز على الانتشار العملياتي في الفضاء الخارجي والبيئات شديدة القسوة، حيث يمكن أن تتأرجح درجات الحرارة من سالب 150 درجة مئوية إلى موجب 120 درجة مئوية. ولأن الجهاز لا يولد حرارة وليس له ذاكرة فيزيائية يمكن أن تتأثر بالإشعاع الكوني، تشير عمليات المحاكاة إلى أنه سيعمل دون فشل في البيئات التي قد تدمر الإلكترونيات التقليدية. يمكنه العمل لمدة عام على دورة شحن واحدة يتم حصادها من الضوء المحيط، ويتواصل مباشرة مع الأجهزة الأخرى في الشبكة دون الحاجة إلى أجهزة توجيه Wi-Fi أو أبراج اتصال خلوي. ويذكر الفريق أن هذه البنية التحتية يمكن أن تلغي الحاجة إلى مراكز البيانات الضخمة، وتقلل من تعدين المعادن الأرضية النادرة، وتوقف تراكم النفايات الإلكترونية.

وللتحقق من ادعاءاتهم، أخضع الباحثون التصميم لتدقيق صارم من قبل مجموعة مستقلة باستخدام برامج محاكاة متقدمة. وأكد التدقيق أن منطق الجهاز عكسي حقًا، مما يعني أنه لا يمسح المعلومات وبالتالي لا يولد حرارة. كما تحقق من أن كفاءة استعادة الشحن تطابق نسبة 94.7 بالمائة المذكورة، وأن عملية تبخر البيانات تعمل كما هو موضح. وأظهرت عمليات المحاك المحاكاة أيضًا أن الجهاز يحافظ على سلامته الهيكلية تحت قوى الانثناء والسقوط الشديدة. ويؤكد الباحثون أن هذا هو تحقيق تجريبي لنموذج جديد، ينقل الحوسبة بعيدًا عن النماذج المهدرة والمولدة للحرارة من الماضي نحو نظام كامل ديناميكيًا حراريًا ومستدام بيئيًا.