زوران فانج 

تعمل مراكز البيانات، وهي مساحات مخصصة لتخزين البيانات ومعالجتها ونشرها، على تمكين كل شيء من الحوسبة السحابية إلى تدفق الفيديو. في هذه العملية، يتم استهلاك كمية كبيرة من الطاقة التي تنقل البيانات، ذهابًا وإيابًا، داخل المركز. ومع تزايد الطلب على البيانات بشكل كبير، يبدو أن هناك ضغطًا متزايدًا على مراكز البيانات لتصبح أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

إن الخوادم المنزلية لمراكز البيانات، وهي أجهزة كمبيوتر عالية الطاقة تتحدث مع بعضها البعض من خلال الوصلات البينية، تمثل اتصالات مادية تسمح بتبادل البيانات. تتمثل إحدى طرق تقليل استهلاك الطاقة في مراكز البيانات في استخدام الضوء لتوصيل المعلومات باستخدام المفاتيح الضوئية التي يتم التحكم فيها كهربائيًا والتي تتحكم في تدفق الضوء، وبالتالي المعلومات، بين الخوادم أيضًا. لذا يجب أن تكون هذه المفاتيح الضوئية متعددة الوظائف وموفرة للطاقة لدعم التوسع المستمر لمراكز البيانات. وفي هذا الإطار، توصل الباحثون إلى تصميم مفتاح غير متماثل يعتمد على السيليكون وموفر للطاقة، بشكل يعالج الضوء من خلال استخدام مادة متغيرة الطور وسخان الجرافين.

وعلى هذا، فإنه مقارنة بما يتم استخدامه حاليًا في مراكز البيانات للتحكم في الدوائر الضوئية، سوف تقلل هذه التقنية بشكل كبير من احتياجات الطاقة لمراكز البيانات، مما يجعلها أكثر استدامة وصديقة للبيئة. وبالتالي، فإن مفاتيح التبديل الضوئية السيليكونية تستخدم على نطاق واسع لأنه بات بالإمكان تصنيعها باستخدام تقنيات أشباه الموصلات الراسخة. كما تم ضبط هذه المفاتيح من خلال التأثير الحراري، وهي عملية يتم فيها تطبيق الحرارة، عن طريق تمرير تيار عبر المعادن أو أشباه الموصلات من أجل تغيير الخصائص البصرية لمادة ما في مفاتيح التبديل، وبالتالي يمكن تغيير مسار الضوء. ومع ذلك، فإن هذه العملية ليست فقط غير فعالة في استخدام الطاقة، لكن التغييرات التي تحدثها ليست دائمة. وبمجرد إزالة التيار، تعود المادة إلى حالتها السابقة وينقطع الاتصال ويتوقف تدفق المعلومات.

ولمعالجة هذا الأمر، قام فريق من الباحثين بإنشاء مفتاح “ضبط ومراقبة” قادر على الحفاظ على الاتصال دون أي طاقة إضافية، وذلك من خلال استخدام مادة متغيرة الأطوار وغير متماثلة؛ مما يعني أن المادة تتحول عن طريق تسخينها لفترة وجيزة، وتبقى على هذه الحالة حتى تتلقى نبضًا حراريًا آخر، وعند هذه النقطة تعود إلى حالتها الأصلية، وهو ما يلغي الحاجة إلى إدخال الطاقة باستمرار للحفاظ على الحالة المطلوبة.

في السابق، كان الباحثون يستخدمون السيليكون لتسخين مادة تغيير الطور، حيث لا يقوم السيليكون وحده بتوصيل الكهرباء، لكن عند تناوله بشكل انتقائي بعناصر مختلفة مثل الفوسفور أو البورون، يكون السيليكون قادرًا على توصيل الكهرباء ونشر الضوء دون أي امتصاص زائد. وعندما يتم ضخ تيار من خلال السيليكون، يمكن أن يعمل مثل السخان لتبديل حالة مادة تغيير الطور فوقها. لكن المهم أن هذه العملية ليست ذات كفاءة عالية في استخدام الطاقة. وتتشابه كمية الطاقة اللازمة لتبديل مادة تغيير الأطوار مع كمية الطاقة المستخدمة بواسطة المفاتيح الحرارية الضوئية التقليدية. ويرجع ذلك إلى ضرورة تسخين طبقة السليكون المغطاة بسمك 220 نانومترًا لتحويل 10 نانومترات فقط من مادة تغيير الأطوار. ويتم إهدار الكثير من الطاقة في تسخين مثل هذا الحجم الكبير من السيليكون من أجل تبديل حجم أصغر بكثير من مادة تغيير الأطوار.

ويتمثل ذلك من خلال فيلم رقيق من السيليكون، لكن السيليكون لا ينشر الضوء جيدًا إذا كان أرق من 200 نانومتر. لذا، بدلاً من ذلك، يستخدم العلماء طبقة سيليكون بحجم 220 نانومترًا لنشر الضوء مع إدخال طبقة من الجرافين بين السيليكون ومواد تغيير الأطوار لتوصيل الكهرباء. وباعتباره مثل المعادن، يعتبر الجرافين موصلاً ممتازًا للكهرباء. لكن على العكس من ذلك، فإنه رقيق جدًا، حيث يتكون من طبقة واحدة فقط من ذرات الكربون، كما أنها مرتبة في شبكة ثنائية الأبعاد على شكل قرص شمع العسل. ويزيل هذا التصميم الطاقة المهدرة عن طريق توجيه كل الحرارة المتولدة من الجرافين للتوجه نحو تغيير مادة تغيير الطور. وفي الواقع، فإن كثافة طاقة التحويل لهذا الإعداد، التي يتم حسابها بأخذ طاقة التحويل مقسومة على حجم المادة التي يتم تبديلها، حيث تقدر بـ8.7 أتوجول (aJ)/ نانومتر 3 فقط، وهو ما ينطوي على انخفاض بمقدار 70 ضعفًا مقارنةً بالسيليكون على نطاق واسع وفقًا لما توصلت إليه التكنولوجيا الحديثة. ويعد ذلك ضمن ترتيب آخر لحجم الحد الأساسي لتبديل كثافة الطاقة الذي يقدر بـ(1.2 aJ nm3).

ورغم أن استخدام الجرافين لتوصيل الكهرباء يؤدي إلى حدوث بعض الخسائر الضوئية، مما يعني امتصاص بعض الضوء، فإن الجرافين يدبو رقيقًا جدًا بحيث لا تكون الخسائر ضئيلة فحسب، ولكن لا يزال بإمكان مادة تغيير الأطوار التفاعل مع الضوء المنتشر في طبقة السيليكون. وقد أثبت الباحثون أن هذا الهيكل الذي يعتمد على الجرافين يمكنه تبديل حالة مادة تغيير الأطوار لأكثر من 1000 دورة. ويعد ذلك تحسنًا ملحوظًا على إطارات السيليكون، التي ثبت أنها تتمتع فقط بقدرة تحمل حوالي 500 دورة.

لكن من الناحية العملية، فإن ثمة حاجة إلى حوالي مليار دورة من القدرة على التحمل، التي يعمل الباحثون عليها في الوقت الراهن.

والآن، فبعد أن تم إثبات إمكانية التحكم في الضوء باستخدام مادة تغيير الأطوار والجرافين، يخطط العلماء لإظهار أن هذه المفاتيح يمكن استخدامها لتوجيه المعلومات ضوئيًا عبر شبكة من الأجهزة، وهي خطوة رئيسية نحو إثبات استخدامها في مراكز البيانات. إنهم مهتمون بتطبيق هذه التقنية على نيتريد السيليكون لتوجيه فوتونات مفردة للحوسبة الكمومية (أي الحوسبة التي تعتمد على مبادئ ميكانيكا الكم وظواهره). أخيرًا، فإن القدرة على ضبط الخصائص الضوئية لمادة ما باستخدام طيف رقيق ذريًا إنما هو أمر من شأنه تغيير قواعد اللعبة، ذلك أن الأداء الاستثنائي للنظام المعمول به من حيث كفاءة الطاقة والموثوقية لم يُسمع به حقًا ويمكن أن يساعد في تطوير كلٍّ من تكنولوجيا المعلومات والحوسبة الكمومية.

إعداد: وحدة الترجمات بمركز سمت للدراسات

المصدر: Eurasia review