تسخير البلازمونات لقوة الحوسبة البديلة

لقد قيل الكثير عن متطلبات الطاقة المفرطة للذكاء الاصطناعي، لكن الحلول قليلة. وقد دفع هذا المهندسين إلى التفكير في نماذج جديدة تمامًا في مجال الحوسبة: بصري, الديناميكا الحرارية, عكسها– القائمة تطول. تتطلب العديد من هذه الأساليب تغييرًا في المواد المستخدمة في الحساب، الأمر الذي قد يتطلب إصلاحًا شاملاً في تقنيات تصنيع CMOS المستخدمة اليوم.

على مدى العقد الماضي، عمل هيكتور دي لوس سانتوس على نهج جديد آخر. ستتطلب هذه التقنية نفس المواد المستخدمة في CMOS، مع الحفاظ على المعدات باهظة الثمن، مع السماح بإجراء الحسابات بطريقة مختلفة جذريًا. فبدلاً من حركة الإلكترونات الفردية – التيار – يمكن إجراء الحسابات من خلال الانتشار الموجي الجماعي في بحر من الإلكترونات، المعروف باسم البلازمونات.

اقترح دي لوس سانتوس، زميل IEEE، فكرة الحوسبة باستخدام البلازمونات لأول مرة في عام 2010. وفي الآونة الأخيرة، في عام 2024، أنشأ دي لوس سانتوس ومتعاونون من جامعة كارولينا الجنوبية، وجامعة ولاية أوهايو، ومعهد جورجيا للتكنولوجيا، جهازًا أظهر المكون الرئيسي للمنطق القائم على البلازمون: القدرة على التحكم ببلازمون مع آخر. لقد التقينا مع De Los Santos لفهم تفاصيل هذا الاقتراح التكنولوجي الجديد.

كيف تعمل الحوسبة البلازمونية

IEEE الطيف: كيف خطرت ببالك فكرة الحوسبة البلازمونية لأول مرة؟

دي لوس سانتوس: خطرت لي فكرة الحوسبة البلازمونية في عام 2009 تقريبًا، بعد ملاحظة الاتجاه الذي كان يسير فيه مجال منطق CMOS. على وجه الخصوص، كانوا يتبعون نموذج تقليص الحجم الذي من خلال تقليل حجم الترانزستورات، يمكنك حشر المزيد والمزيد من الترانزستورات في منطقة معينة، وهذا من شأنه أن يزيد الأداء. ومع ذلك، إذا اتبعت هذا النموذج حتى نهايته، حيث يتم تقليل أحجام الأجهزة، فإن تأثيرات ميكانيكا الكم تلعب دورًا، بالإضافة إلى التسرب. عندما تكون الأجهزة صغيرة جدًا، يتم تشغيل عدد من التأثيرات تسمى تأثيرات القناة القصيرة، والتي تظهر على شكل زيادة في تبديد الطاقة.

لذلك بدأت أفكر: “كيف يمكننا حل مشكلة تحسين أداء الأجهزة المنطقية مع استخدام نفس تقنيات التصنيع المستخدمة في CMOS، أي مع استغلال البنية التحتية الحالية؟” لقد صادفت نموذجًا منطقيًا قديمًا يسمى المنطق المائعي، والذي يستخدم السوائل. على سبيل المثال، يمكن لنفاثات الهواء التي يتأثر اتجاهها بنفاثات هوائية أخرى أن تنفذ وظائف منطقية. لذا خطرت لي فكرة، لماذا لا نطبق نموذجًا مشابهًا لذلك، ولكن بدلاً من استخدام الهواء كسوائل، نستخدم موجات كثافة شحنة الإلكترون المحلية – البلازمونات. ليست الإلكترونات، بل اضطرابات الإلكترون.

والآن أصبح التوقيت مناسبًا للغاية لأنه، كما يعلم معظم الناس، يتطلب الذكاء الاصطناعي الكثير من الطاقة. يواجه الناس حائطًا مسدودًا بشأن كيفية حل مشكلة استهلاك الطاقة، ولن تحل التكنولوجيا الحالية هذه المشكلة.

ما هو البلازمون بالضبط؟

دي لوس سانتوس: البلازمونات هي في الأساس اضطراب في كثافة الإلكترون. إذا كان لديك ما يسمى ببحر الإلكترونات، فيمكنك أن تتخيل بركة من الماء. عندما تزعج السطح، فإنك تخلق موجات. وهذه الموجات، التموجات الموجودة على سطح هذا الماء، تنتشر عبر الماء. وهذا تشبيه مثالي تقريبًا للبلازمونات. في حالة البلازمونات، لديك بحر من الإلكترونات. وبدلاً من استخدام حصاة أو قطعة خشب للنقر على سطح الماء لإنشاء موجة تنتشر، يمكنك النقر على بحر الإلكترونات هذا بموجة كهرومغناطيسية.

كيف تعد البلازمونات بالتغلب على مشكلات التوسع في منطق CMOS التقليدي؟

دي لوس سانتوس: وبالعودة إلى تشبيه رمي الحصاة على البركة: يتطلب الأمر طاقة منخفضة للغاية لإحداث هذا النوع من الاضطراب. الطاقة اللازمة لإثارة البلازمون تكون في حدود أتوجول أو أقل. والاضطراب الذي تولده ينتشر بسرعة كبيرة. ينتشر الاضطراب بشكل أسرع من الجسيم. تنتشر البلازمونات بانسجام مع الموجة الكهرومغناطيسية التي تولدها، وهي سرعة الضوء في الوسط. ومن ثم، فإن طريقة التشغيل سريعة للغاية ومنخفضة للغاية للطاقة مقارنة بالتكنولوجيا الحالية.

بالإضافة إلى ذلك، تعمل تقنية CMOS الحالية على تبديد الطاقة حتى في حالة عدم استخدامها. هنا، هذا ليس هو الحال. إذا لم يكن هناك انتشار للموجة، فلن يكون هناك تبديد للطاقة.

كيف يمكنك القيام بعمليات منطقية مع البلازمونات؟

دي لوس سانتوس: تقوم بتشكيل أسلاك طويلة ورفيعة في تكوين على شكل الحرف Y. وفي قاعدة Y تقوم بإطلاق البلازمون. نسمي هذا بلازمون التحيز، هذا هو الشيء. إذا لم تفعل أي شيء، فعندما يصل هذا البلازمون إلى الوصلة سوف ينقسم إلى قسمين، لذلك عند مخرج Y، سوف تكتشف قوتين متساويتين للمجال الكهربائي.

الآن، تخيل أنك عند التقاطع Y قمت بتوصيل سلك آخر بزاوية على السلك الوارد. على طول هذا السلك الجديد، ترسل بلازمونًا آخر، يسمى بلازمون التحكم. يمكنك استخدام بلازمون التحكم لإعادة توجيه بلازمون التحيز الأصلي إلى أحد ساقي Y.

البلازمونات عبارة عن اضطرابات في الشحنة، واثنين من البلازمونات لهما نفس الطبيعة: إما أن يكون كلاهما موجبًا أو كلاهما سالبًا. لذلك، فإنهم يتنافرون إذا أجبرتهم على الالتقاء في تقاطع. ومن خلال التحكم في زاوية بلازمون التحكم الذي يصطدم بالوصلة، يمكنك التحكم في زاوية البلازمون الخارج من الوصلة. وبهذه الطريقة يمكنك توجيه بلازمون واحد مع آخر. ينضم بلازمون التحكم ببساطة إلى البلازمون الوارد، لذلك ينتهي بك الأمر بمضاعفة الجهد على ساق واحدة.

يمكنك القيام بذلك من كلا الجانبين، وإضافة سلك وبلازمون تحكم على جانبي الوصلة حتى تتمكن من إعادة توجيه البلازمون إلى أي من طرفي Y، مما يمنحك صفرًا أو واحدًا.

بناء جهاز منطقي قائم على البلازمون

لقد قمت ببناء جهاز الوصلة Y هذا وأظهرت توجيه البلازما إلى جانب واحد في عام 2024. هل يمكنك وصف الجهاز وتشغيله؟

دي لوس سانتوس: تبلغ مساحة جهاز الوصلة Y حوالي 5 مربع [micrometers]. يتكون حرف Y مما يلي: معدن فوق أكسيد، فوق رقاقة شبه موصلة، فوق مستوى أرضي. الآن، بين الأكسيد والرقاقة، عليك توليد كثافة شحنة، وهذا هو بحر الإلكترونات. للقيام بذلك، يمكنك تطبيق جهد تيار مستمر بين المعدن الموجود على Y والمستوى الأرضي، وهذا يولد بحرًا ثابتًا من الإلكترونات. ثم تصطدم بذلك بموجة كهرومغناطيسية واردة، مرة أخرى بين المستوى المعدني والأرضي. عندما تصل الموجة الكهرومغناطيسية إلى كثافة الشحنة الساكنة، فإن بحر الإلكترونات الموجود هناك يولد اضطرابًا موضعيًا في كثافة شحنة الإلكترون: البلازمون.

الآن، إذا قمت بإطلاق البلازمون بمفرده، فسوف يتبدد بسرعة. لن ينتشر بعيدًا جدًا. في الإعداد الخاص بي، السبب وراء بقاء البلازمون على قيد الحياة هو أنه يتم تجديده. مع انتشار المجال الكهرومغناطيسي، تستمر في تجديد البلازمونات، مما يؤدي إلى إنشاء بلازمونات جديدة في نهايته الأمامية.

ما الذي يجب فعله قبل أن تتمكن من تنفيذ منطق الكمبيوتر الكامل؟

دي لوس سانتوس: لقد أوضحت الجهاز الجزئي، وهو مجرد تفاعل بين اثنين من البلازمونات. ستكون الخطوة التالية هي عرض وتصنيع الجهاز بالكامل، والذي سيحتوي على عنصري التحكم. وبعد الانتهاء من ذلك، فإن الخطوة التالية هي تسلسلها لإنشاء مُجمِع كامل، لأن هذا هو المكون المنطقي الحسابي الأساسي.

ما هي برأيك التحديات الرئيسية التي ستواجهك في المستقبل؟

دي لوس سانتوس: أعتقد أن التحدي الرئيسي هو أن التكنولوجيا لا تتبع النموذج الحالي للأجهزة المنطقية القائمة على التدفقات الحالية. ويستند هذا على تدفقات الأمواج. اعتاد الناس على أشياء أخرى، وقد يكون من الصعب فهم الجهاز. إن المفاهيم المختلفة التي يتم جمعها معًا في هذا الجهاز لا يتم استخدامها عادةً بواسطة التكنولوجيا السائدة، وهي حقًا متعددة التخصصات بطبيعتها. عليك أن تعرف عن فيزياء أشباه الموصلات وأكسيد الفلز، ثم عليك أن تعرف عن الموجات الكهرومغناطيسية، ثم عليك أن تعرف عن نظرية المجال الكمي. نادرًا ما توجد القاعدة المعرفية لفهم الجهاز في رأس واحد. ربما تكون الخطوة التالية الأخرى هي محاولة جعل الوصول إليها أكثر سهولة. إن إقناع الناس برعاية العمل وفهمه يمثل تحديًا، وليس التنفيذ حقًا. ليس هناك حقا قيود التصنيع.

ولكن في رأيي، فإن الأساليب المعتادة محكوم عليها بالفشل، وذلك لسببين. أولاً، لا يمكن عكسها، مما يعني فقدان المعلومات في الحساب، مما يؤدي إلى فقدان الطاقة. ثانيًا، مع تقلص الأجهزة، يزداد تبديد الطاقة، مما يشكل حاجزًا لا يمكن التغلب عليه. في المقابل، فإن حساب البلازمون قابل للعكس بطبيعته، ولا يوجد سبب أساسي لتبديد أي طاقة أثناء التبديل.