تطوير أول حاسوب إلكتروني خالٍ من السيليكون

رسم توضيحي لجهاز كمبيوتر يعتمد على جزيئات ثنائية الأبعاد (جامعة ولاية بنسلفانيا)

طوَّر باحثون من جامعة ولاية بنسلفانيا الأميركية، حاسوباً إلكترونياً خالياً من السيليكون، الذي يعدّ عنصراً رئيسياً في أشباه الموصلات، ومكوناً مهماً في الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر والمركبات الكهربائية وغيرها.

ففي سابقة عالمية، استخدم الباحثون مواد ثنائية الأبعاد بسُمك ذرة واحدة فقط، لتطوير حاسوب قادر على إجراء عمليات بسيطة، إذ تحتفظ هذه المواد بخصائصها على مستوى هذا النطاق المحدود، على عكس ذرات السيليكون.

وأكد الباحثون أن هذا التطوير، الذي نُشر، الأربعاء، في دورية «نيتشر»، يُمثّل قفزة نوعية نحو الوصول إلى إلكترونيات أرق وأسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

وكان الباحثون قد ابتكروا حاسوباً من أشباه الموصلات المعدنية الأكسيدية التكميلية (CMOS)، وهي تقنية تستخدم في إنتاج الدوائر المتكاملة (ICs)، وتُشكّل جوهر كل جهاز إلكتروني حديث تقريباً، دون الاعتماد على السيليكون.

واستخدم باحثو الدراسة مادتين مختلفتين ثنائيتي الأبعاد، بدلاً من السيليكون، لتطوير نوعين من الترانزستورات اللازمين للتحكم في تدفق التيار الكهربائي في أجهزة كمبيوتر «CMOS».

وكما صرح سابتارشي داس، أستاذ علوم الهندسة والميكانيكا بجامعة ولاية بنسلفانيا، الذي قاد البحث: «قاد السيليكون تطورات ملحوظة في مجال الإلكترونيات لعقود من خلال تمكين التصغير المستمر لترانزستورات (FETs)».

وأوضح في بيان، الأربعاء: «تتحكم ترانزستورات (FETs) في تدفق التيار باستخدام مجال كهربائي، ومع ذلك، مع انكماش أجهزة السيليكون، يبدأ أداؤها في التدهور. في المقابل، تُحافظ المواد ثنائية الأبعاد على خصائصها الإلكترونية الاستثنائية عند مستوى السُمك الذري، ما يوفر مساراً واعداً للمُضي قدماً في مجال الإلكترونيات الحديثة».

وأضاف داس أن تقنية «CMOS» تتطلب عمل أشباه موصلات تهدف إلى تحقيق أداء عالٍ مع استهلاك منخفض للطاقة، وهو تحدٍّ رئيسي أعاق الجهود المبذولة لتجاوز السيليكون.

وعلى الرغم من أن دراسات سابقة أظهرت دوائر صغيرة مبنية على مواد ثنائية الأبعاد، فإن التوسع من أجل إنتاج حواسيب معقدة وفعّالة ظلّ بعيد المنال.

وقال داس: «أظهرنا، ولأول مرة، حاسوباً (CMOS) مبنياً بالكامل من مواد ثنائية الأبعاد مشيدة على مساحات كبيرة».

واستخدم الفريق البحثي إحدى طرق الترسيب الكيميائي لتصنيع أكثر من 1000 ترانزستور من كل نوع. ومن خلال الضبط الدقيق لخطوات تصنيع الجهاز وما بعد المعالجة، تمكنوا من ضبط جهد البداية للترانزستورات، ما أتاح بناء دوائر منطقية «CMOS» تعمل بكامل طاقتها.

وقال الباحث الرئيسي، سوبير غوش، وهو طالب دكتوراه في علوم الهندسة والميكانيكا يعمل تحت إشراف داس: «يعمل حاسوبنا بجهد منخفض مع استهلاك ضئيل للطاقة، ويمكنه إجراء عمليات منطقية بسيطة بترددات تصل إلى 25 كيلوهرتز».

وأضاف: «لقد طورنا أيضاً نموذجاً حسابياً مُعايراً باستخدام بيانات تجريبية، مع مراعاة الاختلافات بين الأجهزة، لتوقع أداء حاسوب (CMOS) الخاص بنا، ومقارنته بأحدث تقنيات السيليكون».

وتابع: «على الرغم من أنه لا يزال هناك مجال لمزيد من التحسين، فإن هذا العمل يُمثل إنجازاً مهماً في تسخير المواد ثنائية الأبعاد لتطوير مجال الإلكترونيات»، الأمر الذي عدّه قفزة للأمام مقارنةً بمسار السيليكون.