← أحدث الأبحاث
⚡ الهندسة الكهربائية

Projected Disc-type Phase-change Memory for Analog In-Memory Computing

تقدم هذه الورقة بنية ذاكرة تغيير الطور من نوع القرص المسقط المدمجة التي تتغلب على المقايضات التقليدية في الحوسبة داخل الذاكرة عبر الجمع بين حجم تبديل شديد الانحصار وغشاء رقيق غير عازل لتحقيق دقة عالية (تقترب من 6 بت)، وموصلية منخفضة، وكفاءة في الطاقة باستخدام مواد تقليدية.

المؤلفون الأصليون: Ghazi Sarwat Syed, Loris Coccia, Vara Jonnalagadda, Antonio Mio, Asit Ray, Matthew Breitwisch, Abu Sebastian

نُشر 2026-11-02
📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة
CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Ghazi Sarwat Syed, Loris Coccia, Vara Jonnalagadda, Antonio Mio, Asit Ray, Matthew Breitwisch, Abu Sebastian

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://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

تتمتع الحواسيب الحديثة بسرعة هائلة في نقل البيانات، لكنها غالباً ما تعاني عندما يُطلب منها إجراء الحسابات المتكررة والضخمة المطلوبة للذكاء الاصطناعي. ويعود ذلك إلى أن تصميمات الحواسيب التقليدية تفصل بين الذاكرة، حيث تُخزن المعلومات، والمعالج، حيث تتم الحسابات. وفي كل مرة يتطلب فيها الأمر إجراء عملية حسابية، يجب أن تنتقل البيانات ذهاباً وإياباً بين هذين الموقعين، وهي عملية تستهلك طاقة كبيرة وتؤدي إلى إبطاء كل شيء. ولحل هذه المشكلة، يطور العلماء نهجاً جديداً يسمى "الحوسبة داخل الذاكرة" (in-memory computing)، حيث تعمل الذاكرة نفسها كآلة حاسبة. وأحد التقنيات الواعدة لهذا الغرض هي "ذاكرة تغيير الطور" (phase-change memory)، والتي تستخدم مادة خاصة يمكنها التحول بين حالتين: حالة غير منظمة (عشوائية/أمورفية) تقاوم تدفق الكهرباء، وحالة منظمة (بلورية) تسمح للكهرباء بالتدفق بسهماً. ومن خلال التحكم الدقيق في مقدار وجود هذه المادة في كل حالة، يمكن لجهاز واحد تخزين مجموعة من القيم، تماماً مثل مفتاح خافت للإضاءة بدلاً من مجرد مفتاح تشغيل/إيقاف بسيط، مما يجعله مثالياً للعمليات الرياضية المعقدة المستخدمة في الشبكات العصبية. ومع ذلك، لكي تكون هذه التقنية عملية، يجب أن تكون الأجهزة صغيرة، وفعالة، ودقيقة بما يكفي للتعامل مع آلاف الحسابات دون فقدان الدقة.

لقد قدم فريق من الباحثين في "IBM Research" والمجلس الوطني الإيطالي للبحوث تصميماً جديداً لأجهزة الذاكرة هذه نجح في الموازنة بين هذه الاحتياجات المتنافسة. فقد ابتكروا بنية مدمجة تستخدم طبقة رقيقة جداً من مادة تغيير الطور، محصورة بين قطب كهربائي سفلي صغير وطبقة إسقاط خاصة غير عازلة. ويكمن الابتكار الرئيسي في كيفية ترتيب هذه الطبقة؛ فبدلاً من الشكل الرأسي التقليدي المستخدم في معظم رقائق الذاكرة، والذي يشبه شكل الفطر، يقوم تصميمهم بنشر المادة النشطة بشكل مسطح مقابل طبقة الإسقاط. وعندما يتم إعادة ضبط الجهاز إلى حالة المقاومة العالية، تصبح منطقة صغيرة من المادة غير منظمة (أمورفية)، ولكن التيار لا يزال يتدفق عبر طبقة الإسقاط الموجودة تحتها. يسمح هذا الإعداد للجهاز بالعمل بطاقة منخفضة للغاية مع الحفاظ على نطاق واسع من مستويات الموصلية المتميزة. وقد وجد الباحثون أن هذه الهندسة لا تقلل فقط من التيار الكهربائي اللازم لتحويل الجهاز إلى أقل من 100 ميكرو أمبير، بل تحافظ أيضاً على قيم موصلية منخفضة للغاية، أقل من 50 ميكروسيمينز، وهو أمر بالغ الأهمية لتقليل استهلاك الطاقة أثناء الحسابات.

قام الفريق ببناء نماذج أولية للأجهزة باستخدام مادة غير مطعمة تسمى "جرمانيوم-أنتيمون-تيلوريوم"، وهي مادة شائعة الاستخدام في تطبيقات الذاكرة، مما يثبت أن هذه التحسينات ناتجة عن الشكل الفيزيائي للجهاز وليس بسبب مواد كيميائية غريبة جديدة. وقد دمجوا هذه النماذج الأولية في شبكة مكونة من 10 في 8 خلايا، كل منها يتم التحكم فيه بواسطة ترانزستور، لاختبار مدى قدرتها على أداء مهام واقعية. وكانت النتائج مذهلة؛ فقد سمح التصميم الجديد ببرمجة الأجهزة بدقة عالية، محققاً دقة حسابية تقترب من ست بتات (six bits). وهذا يعني أن الأجهزة يمكنها التمييز بشكل موثوق بين مستويات عديدة مختلفة من الموصلية، وهو مطلب ضروري لأداء العمليات الرياضية المعقدة دون أخطاء. وفي المقابل، غالباً ما تعاني التصميمات القديمة من الضوضاء وعدم الاستقرار، مما يحد من دقتها لتكون عند ثلاث أو أربع بتات فقط. وتعمل البنية الجديدة بفعالية على كبح التقلبات العشوائية في الموصلية التي عادة ما تعاني منها هذه المواد، مما يضمن بقاء القيم المخزنة مستقرة بمرور الوقت وعبر درجات الحرارة المختلفة.

وبعيداً عن كونها دقيقة فحسب، أظهرت الأجهزة استقراراً ملحوظاً. فعندما اختبر الباحثون كيف تتغير الموصلية بمرور الوقت، وجدوا أن "الانجراف" (drift)، أو التحول البطيء في القيم، قد انخفض بمقدار عشرين ضعفاً مقارنة بالتصميمات التقليدية. وهذا الاستقرار أمر حيوي لأنه يعني أن الكمبيوتر لن يحتاج إلى تصحيح حساباته باستمرار، مما يوفر المزيد من الطاقة. كما أظهرت الأجهزة القدرة على تحمل أكثر من مليون دورة من التبديل دون تدهور، وهو مستوى من المتانة يتجاوز متطلبات معظم تطبيقات الذاكرة. وقد تحقق الباحثون من هذه النتائج عن طريق قياس الأجهزة في درجات حرارة مختلفة وباستخدام مجهر إلكتروني متطور للنظر داخل المادة، مما أكد أن البنية الذرية ظلت سليمة ومنظمة حتى بعد عمليات التبديل المتكررة. وقد لاحظوا أن الحبيبات البلورية داخل المادة اصطفت في نمط طبقي محدد، مما يساعد في تفسير سبب الأداء الجيد للجهاز.

إن تداعيات هذا العمل تمتد إلى ما هو أبعد من مجرد تجربة واحدة. فقد أظهر الباحثون أن تصميمهم متوافق مع عمليات التصنيع القياسية المستخدمة في صنع رقائق الكمبيوتر، مما يشير إلى إمكانية توسيع نطاقه للإنتاج الضخم. كما أظهروا أنه من خلال تحسين التصميم بشكل أكبر، مثل جعل القطب الكهربائي السفلي يخترق مجموعة المواد لإنشاء اتصال حافة، يمكنهم تقليل تيار البرمجة بشكل أكبر ليصل إلى حوالي 50 ميكرو أمبير. ويمثل هذا المستوى من الكفاءة، جنباً إلى جنب مع الدقة والاستقرار العاليين، خطوة مهمة نحو جعل الحوسبة داخل الذاكرة حقيقة واقعة. ورغم أن هذه التكنولوجيا لا تزال في مرحلة إثبات المفهوم، فإن القدرة على إجراء حسابات معقدة بهذا القدر المنخفض من الطاقة والدقة العالية تشير إلى مستقبل يمكن فيه لأنظمة الذكاء الاصطناعي أن تعمل بشكل أسرع وأكثر كفاءة، وربما على أجهزة أصغر بكثير وأقل استهلاكاً للطاقة مما هو متاح اليوم. ويؤكد هذا العمل أنه من خلال هندسة الشكل الفيزيائي لخلايا الذاكرة بعناية، يمكن التغلب على المقايضات الأساسية التي أعاقت هذه التقنية الواعدة لفترة طويلة.

غارق في أبحاث مجالك؟

تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.

جرّب Digest →

أبحاث مشابهة

عرض الكل في هذا التصنيف ⚡ eess →