تقنية جديدة يمكن أن تقلل من استخدام طاقة ذاكرة الذكاء الاصطناعي بآلاف المرات

يمكن للقلبات المغناطيسية المجهرية الموجودة خلف الذاكرة الرقمية أن تستخدم طاقة أقل بآلاف المرات قريبًا، مما يوفر طريقة جديدة لتقليص بصمة الطاقة المتنامية بسرعة للذكاء الاصطناعي.

يقوم الذكاء الاصطناعي بإنشاء البيانات ومعالجتها على نطاق هائل. تعتمد عمليات البحث والتوصيات والصور التي تم إنشاؤها وعمليات المحاكاة العلمية ونماذج اللغات الكبيرة على المعلومات التي يجب تخزينها ونقلها واسترجاعها وإعادة كتابتها بشكل متكرر. تستهلك كل عملية طاقة، وتتضاعف هذه التكاليف عبر مليارات الأجهزة ومراكز البيانات المترامية الأطراف التي تدعم العالم الرقمي.

الباحثون في جامعة ادنبره لقد طوروا الآن إطارًا رياضيًا مصممًا لخفض الطاقة المطلوبة لكتابة المعلومات في الذاكرة المغناطيسية المستقبلية. بدلًا من إنشاء مادة ذاكرة جديدة، يغير هذا النهج كيفية قلب الحالة المغناطيسية التي تمثل البتة الرقمية.

تقوم الذاكرة المغناطيسية بتخزين المعلومات عن طريق التحكم في اتجاه المناطق المغناطيسية الصغيرة. إن تبديل إحدى هذه المناطق بين حالتين مستقرتين يمكن أن يمثل تغييرًا طفيفًا من “0” إلى “1” أو العكس. ويكمن التحدي في إكمال هذا التحول بسرعة وبشكل موثوق وبأقل قدر ممكن من الطاقة المهدرة.

غالبًا ما تكون نبضات المجال المغناطيسي التقليدية غير فعالة بالنسبة لمعماريات الذاكرة الحديثة. يمكن أن تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة، وتواجه صعوبة في استهداف مناطق صغيرة جدًا، ويصبح من الصعب توسيع نطاقها مع تقلص الأجهزة. وقد دفعت هذه القيود الصناعة نحو التقنيات التي تستخدم التيارات الكهربائية، بما في ذلك ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية ذات عزم دوران الدوران (STT-MRAM) وذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسي ذات عزم الدوران الدوراني (SOT-MRAM).

طريقة أكثر ذكاءً لقلب القطع

قام فريق إدنبرة بإعادة النظر في تبديل المجال المغناطيسي باستخدام نظرية التحكم الأمثل، وهي طريقة رياضية للعثور على الطريق الأكثر كفاءة للحصول على نتيجة محددة. بدلاً من تطبيق نبضة بسيطة ذات شكل ثابت، يحسب الإطار كيف يجب أن يتغير المجال المغناطيسي من لحظة إلى أخرى لتوجيه المغنطة إلى حالتها الجديدة بأقل قدر من الطاقة.

وهذا يشبه العثور على المسار الأكثر اقتصادا عبر مشهد طبيعي معقد بدلا من مجرد تطبيق المزيد من القوة. تستفيد النبضات المصممة بعناية من الحركة الطبيعية للمغناطيس، وتوجهه نحو الحالة المرغوبة بدلاً من محاربة ديناميكياته.

تحويل فائق السرعة مع طاقة أقل بكثير

اختبر الباحثون هذه الطريقة في عمليات محاكاة حاسوبية لثلاثة مغناطيسات فائقة الرقة من نوع فان دير فال: Fe₃GaTe₂، وFe₃GeTe₂، وCrSBr. تتكون هذه المواد من طبقات ذرية ضعيفة الترابط ويجري بحثها للحصول على إلكترونيات مدمجة وعالية السرعة لأنه يمكن التحكم في خواصها المغناطيسية بمقاييس صغيرة للغاية.

في عمليات المحاكاة، عكست النبضات المحسّنة المغنطة في حوالي 1 إلى 10 بيكو ثانية. واحد بيكو ثانية هو واحد على تريليون من الثانية. وكانت الحقول أيضًا أضعف بأكثر من 10 مرات من تلك المستخدمة في طرق التبديل القياسية. وفي ظل الظروف التي تمت دراستها، تطلب التبديل ما لا يقل عن 0.94 نانو جول، مقارنة بما يصل إلى 91.2 نانو جول لنبضات المجال التقليدية.

ومن خلال ضبط خصائص مثل التخميد المغناطيسي وتباين الخواص، والتي تحدد كيفية تحرك السبينات والاتجاه الذي تفضل الإشارة إليه، تشير الحسابات إلى أن تحويل الطاقة يمكن أن يقع في النهاية ضمن نطاق الفيمتوجول. الفيمتوجول هو واحد على كوادريليون من الجول. وعلى هذه المستويات، يمكن أن يتنافس هذا النهج مع تقنيات التبديل STT وSOT الراسخة أو يتفوق عليها.

الاقتراب من حدود طاقة الحوسبة

تشير النمذجة الأوسع إلى أن التبديل الأمثل يمكن أن يقلل من استخدام الطاقة بعدة أوامر من حيث الحجم مقارنة بتقنيات الذاكرة الرائدة، بما في ذلك DRAM وSTT-MRAM وأجهزة SOT-MRAM الناشئة. تعمل القيم المتوقعة أيضًا على تحريك الذاكرة المغناطيسية إلى مكان أقرب إلى حد Landauer (الحد الأساسي للديناميكية الحرارية)، والذي يحدد أصغر كمية من الطاقة التي يجب تبديدها عندما يتم مسح المعلومات بشكل لا رجعة فيه.

الدراسة التي نشرت في مواد متقدمةيصف تصميمات الأجهزة الممكنة وطرق توصيل الحقول التي يتم التحكم فيها بعناية، مما يوفر نقطة انطلاق للاختبار التجريبي.

قال الدكتور إلتون سانتوس من معهد فيزياء المواد المكثفة والأنظمة المعقدة بجامعة إدنبرة، والذي قاد البحث: “كل عملية رقمية لها تكلفة طاقة، وتتزايد أهمية هذه التكلفة مع استمرار توسع الذكاء الاصطناعي والتقنيات كثيفة البيانات. يُظهر عملنا أنه من خلال التصميم الدقيق لكيفية تغير المجال المغناطيسي بمرور الوقت، يمكن تبديل المغنطة بكفاءة أكبر بكثير من الطرق التقليدية”.

ما وراء نبضات المجال المغناطيسي

قد تمتد الطريقة أيضًا إلى ما هو أبعد من المجالات المغناطيسية. يمكن استخدام نفس الإستراتيجية الرياضية لتحسين التيارات الكهربائية ونبضات الليزر فائقة السرعة التي يتم استكشافها لأجهزة الذاكرة والإلكترونيات السبينية المستقبلية. هذا التنوع يمكن أن يسمح للمهندسين بالجمع بين المجالات والتيارات والضوء بدلاً من الاعتماد على آلية تبديل واحدة.

وتابع سانتوس: “على الرغم من أننا طورنا النظرية لأول مرة باستخدام نبضات المجال المغناطيسي، إلا أن الرياضيات أكثر تنوعًا من ذلك بكثير. ويمكن تكييف الإطار نفسه مع التيارات الكهربائية وحتى نبضات الليزر فائقة السرعة، والتي تعد من بين أحدث التقنيات لتخزين البيانات في المستقبل. وهذا يعني أن الأفكار التي تم تطويرها هنا يمكن أن يكون لها تطبيقات تتجاوز بكثير الأنظمة التي درسناها. ويبدو أننا ربما وجدنا للتو أفضل شيء تالي”.

المرجع: “التحكم الأمثل يؤدي إلى تحويل مغنطة فائق السرعة وموفر للطاقة في مغناطيس فان دير فالس” بقلم محمد بدارنة، وبي يو كاي، وإلتون جي جي سانتوس، 14 يوليو 2026، مواد متقدمة.
دوى: 10.1002/adma.202523059

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.