خداحافظ الکترون‌ها: رایانه‌های آینده ممکن است با مگنون‌ها کار کنند

1

بسیاری از علاقه‌مندان به رایانه با مشکل مصرف بالای انرژی در دستگاه‌های الکترونیکی و تولید بیش از حد گرما روبرو هستند. دانشمندان در سراسر جهان به دنبال راهکارهای جدیدی برای افزایش کارایی محاسباتی هستند.

برخی از متخصصان قصد دارند به جای استفاده از الکترون‌های متحرک، از روشی کم‌مصرف‌تر بهره ببرند. آن‌ها در حال بررسی پدیده‌ای به نام انتقال مگنون هستند، که در آن سیگنال‌های مغناطیسی به جای جریان‌های الکتریکی اطلاعات را حمل می‌کنند.

یکی از چهره‌های برجسته در این زمینه، دکتر آندری چومک از دانشگاه وین است. تیم او نمونه اولیه پردازنده‌ای را ساخته که به جای پالس‌های الکترونیکی معمولی، با تحریکات مغناطیسی کار می‌کند.

مزایای مدارهای مگنونی

مدارهای سنتی با حرکت دادن الکترون‌ها در خطوط فلزی، انرژی مصرف کرده و گرمای زائد تولید می‌کنند. اما در مقابل، مدارهای مگنونی به امواجی متکی هستند که توسط رفتار چرخشی الکترون‌ها در مواد خاصی ایجاد می‌شوند.

یک موج چرخشی زمانی شکل می‌گیرد که اسپین (چرخش) الکترون‌ها تغییر کرده و باعث کج شدن اسپین‌های مجاور شود. فیزیک‌دانان این اختلال بسته‌مانند را که به صورت یک واحد مستقل عمل می‌کند، نیمه‌ذره (quasi-particle) می‌نامند.

مدارهای مگنونی می‌توانند با اجازه دادن به حرکت آزادانه این امواج، بدون نیاز به جریان‌های الکتریکی بزرگ، مصرف برق را کاهش دهند. همچنین، برخی از پژوهشگران پیش‌بینی می‌کنند که تعداد اجزا در هر عملکرد کاهش یافته و در نتیجه، اندازه دستگاه‌ها کوچک‌تر شود.

سازگاری با وظایف پیشرفته

یکی از ویژگی‌های برجسته این پردازنده جدید، توانایی پردازش سیگنال‌های مختلف با حداقل اجزای اضافی است. این پردازنده می‌تواند به عنوان یک فیلتر حذف باند برای حذف فرکانس‌های خاص یا یک جداساز (دمولتی‌پلکسر) برای تفکیک داده‌ها به مسیرهای مختلف عمل کند.

کاربردهایی مانند خدمات بی‌سیم پیشرفته در شبکه‌های 5G و 6G نیازمند کنترل دقیق بر توزیع سیگنال هستند. تنظیم نحوه مسیریابی داده‌ها برای این سیستم‌ها که به پهنای باند بسیار بالا نیاز دارند، نقشی کلیدی دارد.

برای تأیید این قابلیت‌ها، پژوهشگران به آزمایش‌های سیستماتیک و اندازه‌گیری‌های لحظه‌ای حرکت امواج متکی هستند. این روش‌ها کمک می‌کنند تا عملکرد فیلتر و مسیریابی داده‌ها بدون ایجاد خطاهای غیرمنتظره تأیید شود.

تغییر به مگنون‌ها با کمک هوش مصنوعی

طراحی یک مدار مگنونی می‌تواند چالش‌برانگیز باشد، به‌خصوص اگر مهندسان بخواهند تمام جزئیات آن را به صورت دستی تنظیم کنند. روش طراحی معکوس این فرآیند را برعکس کرده و ابتدا هدف نهایی را مشخص کرده، سپس الگوریتم‌ها خودشان چینش مدار را تعیین می‌کنند.

الگوریتم‌های یادگیری ماشینی می‌توانند با سرعت بالا، الگوهای تصادفی را بررسی کرده و مناسب‌ترین شکل‌ها را شناسایی کنند. استفاده از هوش مصنوعی باعث کاهش حدس و گمان و کشف راه‌حل‌های نوینی می‌شود که روش‌های سنتی ممکن است از آن‌ها غافل بمانند.

دکتر چومک می‌گوید:
“ما کنترل کامل طراحی را به رایانه سپردیم.”

این رویکرد، دروازه‌ای برای پیکربندی‌های متنوعی باز می‌کند که ممکن است برای طراحان انسانی بیش از حد زمان‌بر یا دشوار باشند.

کوچک‌سازی برای افزایش بهره‌وری

نمونه‌های اولیه فعلی از بیشتر تراشه‌های تجاری بزرگ‌تر هستند و نیاز به بهینه‌سازی دارند. محققان معتقدند که اگر اندازه آن‌ها به کمتر از 100 نانومتر کاهش یابد، افزایش چشمگیری در کارایی حاصل خواهد شد.

در تولید مدرن، کاهش اندازه به کمتر از 100 نانومتر اغلب نیازمند مواد خاص و فرآیندهای پیچیده است. کوچک‌سازی این دستگاه‌های مگنونی ممکن است به رویکردهای ساخت جدیدی نیاز داشته باشد، اما در نهایت، فضا و انرژی را به میزان زیادی صرفه‌جویی خواهد کرد.

کوچک‌تر شدن تراشه‌ها باعث می‌شود که بتوان آن‌ها را با سایر قطعات پیشرفته یکپارچه کرد. همچنین، این موضوع تداخل‌های ناخواسته را کاهش داده و به امواج اجازه می‌دهد بدون اختلال حرکت کنند.

کاربردهای دنیای واقعی

سیستم‌های مخابراتی آینده ممکن است از فیلترهای مگنونی برای پاک‌سازی سیگنال‌ها و مدیریت بارهای سنگین داده استفاده کنند. این فناوری می‌تواند مصرف انرژی شبکه‌های بی‌سیم عظیم را که میلیاردها دستگاه را به هم متصل می‌کنند، کاهش دهد.

کاربردهای هوش مصنوعی، مانند تشخیص تصویر و تحلیل لحظه‌ای داده‌ها، معمولاً به تصمیم‌گیری‌های سریع نیاز دارند. جایگزینی یا تقویت بخشی از این فرآیندها با مدارهای مغناطیسی می‌تواند سرعت را افزایش داده و گرمای تولیدی را کاهش دهد.

صنایعی مانند امنیت سایبری و ارتباطات ماشین‌به‌ماشین (M2M) نیز ممکن است از ماهیت فشرده و کم‌حجم امواج اسپینی بهره ببرند. یک تراشه واحد که چندین عملکرد را در خود جای می‌دهد، با پیشرفت فناوری ساخت، دست‌یافتنی‌تر خواهد شد.

حرکت به سوی دنیایی بدون الکترون‌ها

اگرچه این فناوری وعده کاهش گرما و قطعات کمتر را می‌دهد، اما همچنان با چالش‌های فنی روبه‌رو است. هر مرحله از طراحی و تولید نیاز به تنظیمات دقیق دارد و محیط‌های واقعی می‌توانند نویزهایی ایجاد کنند که سیگنال‌های موجی را مختل می‌کنند.

برخی از متخصصان انتظار دارند که سیستم‌های کاملاً الکترونیکی به تدریج جای خود را به پلتفرم‌های هیبریدی بدهند که ترکیبی از مگنون‌ها و الکترون‌ها را شامل می‌شوند.

این ترکیب می‌تواند از آزمایشگاه‌ها به سمت دستگاه‌های عمومی حرکت کند، به‌شرط آنکه پژوهشگران عملکرد پایدار آن را در شرایط عملی تأیید کنند.

آماده‌سازی برای ورود به بازار

سخت‌افزارهای جدید قبل از ورود به بازار باید آزمایش‌های سخت‌گیرانه‌ای را پشت سر بگذارند. دستگاه‌های موج‌محور باید نشان دهند که می‌توانند عملکرد خود را در دماها و شرایط الکترومغناطیسی متغیر حفظ کنند.

همکاری میان دانشگاه‌ها و شرکت‌های صنعتی می‌تواند روند انتقال از نمونه‌های آزمایشگاهی به محصولات تجاری را تسریع کند. شرکت‌ها ممکن است سرمایه‌گذاری زودهنگامی انجام دهند تا در این فناوری‌های آینده جایگاهی کسب کنند.

در نهایت، موفقیت پایدار به تعادل میان هزینه، بازدهی و عملکرد بستگی دارد. اگر تراشه‌های مگنونی بتوانند از نظر قابلیت اطمینان با الکترونیک فعلی رقابت کنند، شانس بالایی برای پذیرش گسترده خواهند داشت.

این تحقیق در نشریه IEEE Transactions on Magnetics منتشر شده است.