فناوری جدید نیمههادی: کاهش مصرف انرژی تا یک میلیارد برابر

پژوهشگران دانشگاه پنسیلوانیا (University of Pennsylvania)، مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و مؤسسه علوم هند (IISc) با همکاری گستردهای، به یکی از مهمترین دستاوردهای سالهای اخیر در زمینه حافظههای دیجیتال دست یافتهاند. این پژوهش که روی کاهش مصرف انرژی در حافظههای فاز تغییر (PCM) تمرکز دارد، امکان ذخیرهسازی دادهها را با مصرف انرژی بسیار کمتر فراهم میکند و میتواند آینده فناوری اطلاعات را به طرز چشمگیری متحول کند. این تکنولوژی جدید از مادهای به نام «ایندیوم سلناید» (Indium Selenide یا In2Se3) استفاده میکند که با توانایی کاهش مصرف انرژی تا یک میلیارد برابر، انقلابی در حوزه نیمههادیها به حساب میآید.
حافظههای فاز تغییر: مقدمهای بر یک فناوری تحولآفرین
حافظههای فاز تغییر (PCM)، که از تغییر فاز مواد برای ذخیره اطلاعات استفاده میکنند، یکی از روشهای جدید و امیدبخش برای ذخیرهسازی دادهها هستند. در این فناوری، مواد با تغییر از حالت آمورف (غیر بلوری) به حالت بلوری، میتوانند شبیه به یک کلید روشن/خاموش (On/Off) در سیستم باینری عمل کنند و اطلاعات را ذخیره کنند. با این حال، تغییر دادن فاز این مواد به انرژی زیادی نیاز دارد و همین موضوع، تاکنون مانع از کاربرد وسیع این تکنولوژی شده است.
فناوری جدید با استفاده از ایندیوم سلناید، این امکان را فراهم میکند که این تغییر فاز با مصرف انرژی به مراتب کمتری انجام شود. پیشتر، تغییر حالت این مواد با استفاده از روشهای پرمصرفی مانند ذوب و خنکسازی سریع (melt-quench) انجام میشد، اما اکنون با بهکارگیری جریان الکتریکی، این فرآیند با انرژی بسیار کمتر قابل انجام است.
ویژگیهای منحصر به فرد ایندیوم سلناید
ایندیوم سلناید (In2Se3) به دلیل ویژگیهای خاص فیزیکی و شیمیاییاش، به گزینهای ایدهآل برای فناوریهای کممصرف تبدیل شده است. این ماده خاصیت فروالکتریکی (ferroelectric) دارد که به آن اجازه میدهد در واکنش به جریان الکتریکی بهطور خودبهخود قطبی شود. همچنین، خاصیت پیزوالکتریکی (piezoelectric) هم دارد که به این معناست که در پاسخ به فشار مکانیکی، جریان الکتریکی تولید میکند. این ویژگیهای دوگانه، ایندیوم سلناید را به گزینهای برجسته برای فرآیندهای تغییر فاز در مقیاس نانومتری تبدیل کردهاند.
تحقیقات جدید نشان میدهد که وقتی جریان الکتریکی از این ماده عبور میکند، لایههای کوچکی از آن به تدریج به حالت آمورف در میآیند. این تغییر، که در مقیاسهای بسیار کوچک انجام میشود، در نهایت به تشکیل ساختارهایی شبیه به بهمن و زلزله در سطح ماده میانجامد. این ویژگیها باعث میشود که ایندیوم سلناید به عنوان مادهای با کارایی انرژی فوقالعاده شناخته شود.
تغییر فاز با استفاده از جریان الکتریکی: یک دستاورد علمی بزرگ
در روشهای سنتی، تغییر فاز مواد از حالت بلوری به آمورف به انرژی زیادی نیاز دارد. این فرآیند به نام آمورفسازی (Amorphization) شناخته میشود و معمولاً با ذوب ماده و خنکسازی سریع آن انجام میشود. این روش به دلیل نیاز به مصرف انرژی بالا برای ذوب و سرد کردن سریع، برای کاربردهای گسترده صنعتی و تجاری کارآمد نیست.
اما حدود یک دهه پیش، تیمی به سرپرستی پروفسور «ریتیش آگاروال» از دانشگاه پنسیلوانیا کشف کرد که میتوان با استفاده از جریانهای الکتریکی ضعیف نیز این تغییر فاز را ایجاد کرد. ابتدا این روش در مواد دیگری همچون ترکیب آلیاژهای ژرمانیوم (Germanium)، آنتیموان (Antimony) و تلوریم (Tellurium) آزمایش شد، اما اکنون این روش در مادهای مانند ایندیوم سلناید که خاصیتهای منحصر به فردی دارد، به نتیجه مطلوبتری رسیده است. به کارگیری جریان الکتریکی به جای ذوب و سردکردن، مصرف انرژی را به شدت کاهش داده و امکان استفاده از این فناوری را در مقیاسهای صنعتی بیشتر فراهم میکند.
آزمایشهای دقیق و تکنیکهای نوین میکروسکوپی
برای بررسی دقیق فرآیند تغییر فاز در ایندیوم سلناید، پروفسور آگاروال نمونههایی از این ماده را به همکار خود، دکتر «پاوان نوکالا» که در مرکز نانو علم و مهندسی (CeNSE) در مؤسسه علوم هند فعالیت میکند، ارسال کرد. تیم نوکالا با استفاده از ابزارهای پیشرفته میکروسکوپی، توانست فرآیند تغییر فاز را در ایندیوم سلناید به دقت مشاهده و ثبت کند.
بررسیها نشان داد که تغییر فاز در ایندیوم سلناید به نوعی شبیه به زلزله و بهمن عمل میکند. زمانی که جریان الکتریکی به این ماده اعمال میشود، بخشهای کوچکی از آن به تدریج به حالت آمورف تغییر میکنند و این تغییرات به مرور گسترش مییابند. لایههای ماده به دلیل خاصیت پیزوالکتریک و ساختار لایهای خاص آن به حرکت درمیآیند، و این حرکت در نهایت به بروز موجهای صوتی و ایجاد تغییرات آمورف بیشتر منجر میشود. این فرآیند بسیار پویا و جالب است، به گونهای که دانشمندان این تجربه را «شگفتآور» و «چالشبرانگیز» توصیف کردهاند.
کاربردها و پتانسیلهای آینده برای حافظههای کممصرف
این دستاورد علمی نه تنها گامی بزرگ در جهت بهبود کارایی حافظههای فاز تغییر است، بلکه میتواند آیندهای تازه برای ذخیرهسازی دادهها به ارمغان آورد. کاهش مصرف انرژی به یک میلیارد برابر نسبت به روشهای پیشین، امکان استفاده از این فناوری را در ابزارهایی مانند تلفنهای همراه، لپتاپها و کامپیوترهای قدرتمند فراهم میکند. این فناوری میتواند با صرفهجویی انرژی، به افزایش عمر باتریها و کاهش هزینههای عملیاتی کمک کند و به عنوان یکی از پیشرفتهای مهم در دنیای فناوری شناخته شود.
این پیشرفت نه تنها مصرف انرژی را به شدت کاهش میدهد، بلکه میتواند ظرفیت ذخیرهسازی را نیز افزایش دهد، زیرا این روش کممصرف امکان ذخیره اطلاعات بیشتر در فضای کوچکتر را فراهم میآورد. با این دستاورد، حافظههای کممصرف به واقعیت نزدیکتر شده و میتوانند در کاربردهای گستردهتری به کار گرفته شوند.
اهمیت رقابتی این دستاورد و نقش آن در صنعت نیمههادی
دستیابی به فناوریهای پیشرفته در حوزه نیمههادی و حافظههای دیجیتال میتواند تاثیرات اقتصادی و ژئوپلیتیکی مهمی داشته باشد. آمریکا با این پیشرفت میتواند در رقابت با دیگر کشورها، از جمله چین، جایگاه پیشرو خود را در فناوریهای پیشرفته حفظ کند و حتی آن را ارتقاء دهد. توانایی تولید حافظههای دیجیتال با مصرف انرژی بسیار کم، بازارهای بینالمللی را به شدت تحت تأثیر قرار خواهد داد و این دستاورد به عنوان یک تحول استراتژیک در صنعت نیمههادیها و ذخیرهسازی دادهها محسوب میشود.
با توجه به وابستگی فزاینده جهان به دادهها و ذخیرهسازی آنها، پیشرفتهای اینچنینی میتواند از اهمیت ویژهای برخوردار باشد و به ایجاد تغییرات بنیادین در نحوه ذخیرهسازی، پردازش و مدیریت دادهها منجر شود.
این نوشتهها را هم بخوانید