מחשבים מהירים במיוחד

ייתכן וניתן יהיה לפתח מחשבים מהירים, זעירים וירוקים יותר, המסוגלים לעבד מידע במהירות הגבוהה עד פי אלף מהמהירות הקיימת היום, זאת באמצעות המרת החומר סיליקון עליו הם מבוססים בחומרים חדשניים המסוגלים לעבור במהירות בין מצבים אלקטרוניים שונים.

[תרגום מאת ד"ר משה נחמני]

ייתכן וניתן יהיה לפתח מחשבים מהירים, זעירים וירוקים יותר, המסוגלים לעבד מידע במהירות הגבוהה עד פי אלף מהמהירות הקיימת היום, זאת באמצעות המרת החומר סיליקון עליו הם מבוססים בחומרים חדשניים המסוגלים לעבור במהירות בין מצבים אלקטרוניים שונים.

ניתן להתגבר על מגבלות הגודל והמהירות הנוכחיות של מעבדי מחשבים ושל נפח הזיכרון ע"י המרת החומר סיליקון בחומרים חדשניים המכונים 'חומרים משני-מופע' ('phase-change materials', PCMs, ויקיפדיה), חומרים המסוגלים לעבור באופן הפיך בין שני מופעים מבניים בעלי מצבים אלקטרוניים שונים – הראשון גבישי ומוליך חשמל, והשני זכוכיתי ומבודד חשמל – תוך ביליונית השנייה.

הרצת מודלים ועריכת בדיקות בהתקנים המבוססים על חומרים כאלו הראו כי ניתן לבצע פעולות עיבוד לוגיות בתאים של זיכרון לא-נדיף באמצעות שילובים מוגדרים של פעימות מתח קצרות במיוחד, שאינן מתאפשרות עבור התקנים מבוססי-סיליקון.

בהתקנים חדשניים אלו הפעולות הלוגיות והזיכרון נמצאים במיקום משותף, ולא במיקומים נפרדים, כפי שקיים במחשבים מבוססי-סיליקון. חומרים אלו יוכלו, בסופו של דבר, לאפשר מהירויות עיבוד הגבוהות פי 1000-500 יותר מקצבי המהירויות הקיימות היום במחשבים ניידים, וזאת אף תוך שימוש באנרגיה פחותה. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences.

המעבדים החדשים, שפותחו ע"י חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג' ומאוניברסיטת סינגפור, עושים שימוש בסוג של חומר משנה-מופע המבוסס על זכוכית כלקוגנית הניתנת להתכה ולגיבוש מחדש במחצית ננו-השנייה באמצעות העברת מתח מתאים. החישובים המתבצעים ע"י מרבית המחשבים, הטלפונים הניידים ומחשבי הלוח נעשים ע"י התקנים לוגיים מבוססי-סיליקון. הזיכרון במצב-מוצק המשמש לאחסון התוצאות של החישובים הללו מבוסס גם הוא על סיליקון. "אולם, ככל שהביקוש למחשבים מהירים יותר ויותר גובר, אנו מתקרבים במהירות לסף היכולות של סיליקון," אמר פרופסורStephen Elliott מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת קיימברידג', אשר הוביל את המחקר.

השיטה העיקרית להגברת עוצמתם של המחשבים הייתה עד כה להגדיל את מספר ההתקנים הלוגיים הנכללים בתוכם ע"י מזעור הולך וגובר של גודלם, אולם מגבלות פיזיות של הארכיטקטורות של התקנים אלו משמעותן שאנו מתקרבים במהירות לסף הגודל האפשרי. כיום, ההתקנים הלוגיים והתקני הזיכרון הזעירים ביותר המבוססים על סיליקון הם בגודל של 20 ננומטרים בערך, והם ערוכים בצורת שכבות. ככל שההתקנים הופכים יותר ויותר זעירים, זאת במטרה להגדיל את מספרם בשבב, הפערים שבין השכבות השונות בסופו של דבר יהיו כה קטנים עד שהאלקטרונים עלולים "לדלוף" מההתקן (תופעה המכונה 'מנהור') ולגרום לאובדן מידע. התקנים המבוססים על חומרים משני-מופע יכולים להתגבר על סף גודל זה מאחר והם פועלים כראוי כאשר גודלם הוא 2 ננומטרים.

חלופה נוספת להגברת מהירות העיבוד מבלי להגדיל את מספר ההתקנים הלוגיים היא להגדיל את מספר החישובים המתבצעים בכל אחד מהתקנים אלו, מה שאינו אפשרי בעזרת סיליקון, אך הדבר כן אפשרי בעזרת חומרים משני-מופע.

חומרים משני-מופע, שפותחו לראשונה בשנות ה-60 של המאה הקודמת, שימשו במקור בהתקנים של זיכרון אופטי, כגון תקליטורי DVD הניתנים להקלטה חוזרת. כיום, הם מתחילים לשמש ביישומים של זיכרון-אלקטרוני ולהחליף זיכרונות הבזק מבוססי-סיליקון בחלק מהסמארטפונים. למרות היתרונות הטמונים בחומרים משני-מופע, הם גם בעלי מספר חסרונות: כיום, הם עדיין לא מסוגלים לבצע את החישובים במהירויות המתקרבות לסיליקון, והם מפגינים העדר יציבות במופע האמורפי הראשוני. יחד עם זאת, החוקרים מצאו כי אם מבצעים את התהליך בסדר הפוך – מתחילים במופע הגבישי ואז עוברים למופע המותך, אזי החומרים הללו הרבה יותר יציבים ומהירים.

מהירות המיתוג המובנה בחומרים הללו, כלומר מהירות הגיבוש, היא בשיעור של 10 ננו-שניות, שיעור המתאים להחלפתו של זיכרון הבזק. ע"י הגברת המהירות עוד יותר, לשיעורים של ננו-שנייה אחת (כפי שהודגם ע"י החוקרים עוד בשנת 2012), חומרים אלו יוכלו יום אחד להחליף גם את הזיכרון מסוג DRAM ('זיכרון דינמי בעל גישה אקראית').

במערכות מבוססות-סיליקון המידע עובר ממקום למקום, מה שמוביל לעלות באנרגיה ובזמן. "באופן אידיאלי, היינו רוצים כי המידע ייווצר ויאוחסן באותו המיקום," אמר אחד מהחוקרים. "סיליקון הוא שלב זמני: המידע נוצר, עובר למיקום אחר ומאוחסן במיקום שונה. אולם, אם נשתמש בהתקנים לוגיים המבוססים על חומרים משני-מופע המידע נותר במיקום בו הוא נוצר."

הידיעה על המחקר