ذاكرة المستقبل مع العيوب: كيف يطيل “النقص” عمر الرقائق

تستخدم أجهزة الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية الحديثة المتوفرة في السوق أحد نوعين من الذاكرة: SSD (محركات أقراص فلاش ذات الحالة الصلبة) وHDD (محركات الأقراص الثابتة). كلا النوعين لهما مزايا وعيوب. تقوم محركات أقراص SSD باسترداد المعلومات ومعالجتها بشكل أسرع، لكن مواردها محدودة لإعادة كتابة خلايا الذاكرة. إذا كان SSD مليئًا بالبيانات، فإنه يبدأ في العمل بشكل أبطأ بكثير ويتسبب في حدوث أخطاء في الكتابة في كثير من الأحيان. متوسط ​​عمر SSD الحديث هو 7-10 سنوات. غالبًا ما يحدث الفشل على الفور، دون إشارات تحذيرية، على الرغم من أن النماذج الحديثة تدعم أنظمة مراقبة الحالة التي تسمح بالكشف المبكر عن استنفاد الموارد. أما بالنسبة لمحركات الأقراص الصلبة، فهي أدنى من محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة (SSD) من حيث سرعة التشغيل، ولكنها تتفوق عليها في عمر الخدمة وموثوقية تخزين المعلومات. في الوقت نفسه، قبل الفشل، تظهر محركات الأقراص الثابتة، على عكس محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة، أعراضًا مميزة: النقرات وضوضاء الطحن. تحذر هذه الأعراض المستخدم من ضرورة إعادة حفظ البيانات في أسرع وقت ممكن. “تستمر تقنيات تخزين البيانات في التطور، وستظهر في المستقبل أنواع جديدة من الذاكرة تعتمد على مبادئ فيزيائية مختلفة. على وجه الخصوص، تجري الأبحاث في مجال الذاكرة الكهروضوئية،” كما أشارت أناستاسيا تشوبريك، رئيسة مختبر مفاهيم تخزين البيانات المتقدمة في معهد MIPT لتقنيات الكم. بفضل الخصائص الفيزيائية للكهرباء الحديدية، يمكن لهذا النوع الجديد من الذاكرة، الذي يسمى الذاكرة غير المتطايرة أو الدائمة، أن يتجاوز SSD HDD بشكل كبير في ثلاث خصائص مهمة: السرعة واستهلاك الطاقة والموارد. ومع ذلك، من الناحية العملية، قد تنشأ صعوبات تمنع تحقيق إمكانات الخواص الفيزيائية للكهرباء الحديدية في الإلكترونيات الدقيقة بشكل كامل. كجزء من عملهم، قام علماء من مختبر MIPT لمفاهيم تخزين البيانات المتقدمة بحل المشكلة المرتبطة بزيادة موارد الذاكرة غير المتطايرة القائمة على الطاقة الكهربائية الحديدية. تم نشر العمل في مجلة “هندسة الراديو والإلكترونيات”. منظر عام للعينات / © “هندسة الراديو والإلكترونيات” العنصر الأساسي في شريحة الذاكرة الكهروضوئية هو المكثف، الذي يضمن استقلال الطاقة ويعمل كخلية ذاكرة. المكثف عبارة عن هيكل مكون من قطبين كهربائيين معدنيين، يوجد بينهما طبقة من مادة عازلة، وهي موصلة رديئة للتيار الكهربائي. في هذه الحالة، مثل هذه المواد هي متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف. تنشأ الخصائص الكهروضوئية للمادة فقط في مرحلة هيكلية خاصة – عندما يتم ترتيب جميع ذرات هذه المادة بطريقة معينة. السُمك الأمثل للمادة هو بضع عشرات من النانومترات، أي 10-20 طبقة ذرية. يقول إيليا سافيتشيف، وهو موظف مبتدئ في مختبر مفاهيم تخزين البيانات المتقدمة في MIPT: “لقد استخدمنا أكسيد الهافنيوم المخدر كمادة من هذا القبيل. وميزته هي أن هذه المادة تُستخدم منذ فترة طويلة في الإلكترونيات الدقيقة وتعمل بشكل جيد مع تقنيات إنتاج الرقائق الحالية. ببساطة، من الأسهل تقديم مثل هذه الحلول إلى الإنتاج الحقيقي دون تغيير التكنولوجيا بأكملها بشكل جذري”. يمكن أن تحدث حالات فشل في الذاكرة الكهروضوئية أثناء تدهور الطبقة الكهروضوئية عندما تتشكل فيها قنوات موصلة (أعطال) يبدأ من خلالها تدفق التيار. أحد الأسباب المحتملة هو تراكم الشحنات بالقرب من الأقطاب الكهربائية، والتي بسببها تبدأ الأيونات المعيبة في الهجرة بين الأقطاب الكهربائية، مما يؤدي إلى تسخين وتآكل الطبقة الكهروضوئية المجاورة. اختبار خصائص الذاكرة / © “هندسة الراديو والإلكترونيات” بناءً على ذلك، افترض الخبراء أنه من أجل زيادة مورد الذاكرة، يجب الالتزام بالحد الأعلى لنطاق السُمك الأمثل للفيلم الكهروضوئي الذي يفصل الأقطاب الكهربائية. وهذا يعني أنه كلما كانت الطبقة الفيروكهربائية أكثر سمكًا، كان ذلك أفضل. أظهرت النتائج التجريبية أنه إذا تم تخفيف الغشاء إلى أحجام صغيرة للغاية، يتم تشكيل بنية غير متجانسة في المادة – وهي مناطق تصطف فيها ذرات المادة في الطور الكهروضوئي، تتخللها مناطق غير متبلورة يتم فيها ترتيب الذرات بشكل عشوائي. والمثال الشائع لمثل هذا الهيكل غير المتبلور هو الزجاج. هذا الخلل في البنية الكهروضوئية يسمح لها بالحماية من الأيونات المعيبة، وبالتالي إطالة عمر ذاكرة الكمبيوتر. “خلافًا للتوقعات، مع هذا الهيكل “غير المثالي” على وجه التحديد، يصبح الفيلم الكهروضوئي أكثر مقاومة لتأثيرات الأيونات المهاجرة، لأن الطور غير المتبلور يمنع هجرتها. وقالت أناستاسيا تشوبريك: “في النهاية، يسمح لك هذا بزيادة موارد الذاكرة بشكل كبير”. يشارك طاقم المختبر، بقيادة أناستازيا تشوبريك، في الأبحاث الأساسية والتطبيقية التي تهدف إلى تطوير جيل جديد من أجهزة التخزين. لا يتم استخدام نتائج البحث والتطوير في العملية التعليمية لـ MIPT فحسب، بل يتم تقديمها أيضًا إلى الشركاء التجاريين للجامعة.