أجهزة إلكترونية متعددة الأشكال قائمة على واجهات الأكاسيد للحوسبة العصبية

لماذا يهم هذا الجهاز الصغير مستقبل الذكاء الاصطناعي

مع تزايد ذكاء هواتفنا وسياراتنا ومراكز البيانات، تزداد أيضاً كميات الكهرباء المستهلكة بشكل كبير. جزء كبير من هذه التكلفة لا يأتي من عملية التفكير نفسها، بل من نقل البيانات باستمرار ذهاباً وإياباً بين شرائح منفصلة تخزن المعلومات وشرائح تعالجها. تُقدّم هذه المقالة نوعاً جديداً من الأجهزة المجهرية المصنوعة من مواد أكسيدية، قادرة على أداء عدة أدوار إلكترونية في آن واحد وحتى تقليد جوانب من طريقة تعلم الخلايا الدماغية. مثل هذه الأجهزة القابلة لتغيير الشكل يمكن أن تساعد في بناء أنظمة ذكاء اصطناعي مستقبلية أكثر تكاملاً وكفاءة في استهلاك الطاقة من الحواسيب الحالية.

لبنة صغيرة واحدة، شخصيات متعددة

يعمل الباحثون على واجهة خاصة بين أكاسين: ألومينات اللانثانوم (LaAlO3) وتيتانات السترونشيوم (SrTiO3). عند تلامس هذين البلورتين، تتشكل طبقة رقيقة جداً من الإلكترونات المتحركة تتصرف كأنبوب نانوي موصل. من خلال نمذجة هذه الواجهة بعناية وإضافة قطبين جانبيين، يصنع الفريق بنية نانوية واحدة يمكن إعادة توصيلها في الوقت الحقيقي لتعمل كثلاثة عناصر إلكترونية أساسية مختلفة. في ترتيب توصيل واحد تتصرف كترانزستور تقليدي، وفي آخر تصبح ميمريستور (مقاوم ذاكرة)، وفي ثالثة تعمل كممكاباستور ذاكرة (مكثف ذاكرة). تعمل الأوضاع الثلاثة كلها عند درجة حرارة الغرفة وعلى مساحة تقارب ميكرومتر مربع واحد—أصغر وأبسط بعدة مرات من استخدام ثلاثة أجهزة منفصلة.

كيف يحدث تغيير الشكل

في وضع الترانزستور، تدفع الفولتات المطبقة على بوابات الجانب الإلكترونات إلى داخل أو خارج سلك LaAlO3/SrTiO3 النانوي، فتزيد أو تنقص تيار القناة بطريقة مشابهة لترانزستور تأثير المجال القياسي. للتحول إلى سلوك الميمريستور، تُترك البوابات الجانبية عائمة كهربائياً بدلاً من ربطها إلى جهد ثابت. يمكن حينئذ أن تنفق الشحنات ببطء إلى ومن هذه المناطق العائمة، فتتوقف مقاومة القناة على تاريخ الفولتية الأخير وتظهر حلقة هستيرية مميزة. للعمل كممكاباستور، يُستخدم نفس هيكل البوابة لتخزين وإطلاق الشحنة بطريقة مُتحكم بها وتعتمد على التاريخ، مما يؤدي إلى حالتين مميزتين للسعة مع هستيرية واضحة في استجابة السعة–الفولتية. في الحالات الثلاث، الفيزياء الرئيسية هي احتجاز وإطلاق الشحنة المتحكم بهما قرب الواجهة، بدلاً من حركة الذرات أو العيوب، مما يجعل السلوك ثابتاً وقابلاً للتكرار.

من عناصر أساسية إلى دوائر شبيهة بالدماغ

لأن الجهاز الفيزيائي نفسه يمكن أن يعمل كترانزستور أو ميمريستور أو ممكاباستور اعتماداً على التوصيل الخارجي، يصبح لبنة بناء مرنة للدوائر العصبية المستوحاة من الدماغ. يربط المؤلفون أولاً ترانزستوراً واحداً بممكاباستور واحد لبناء عنصر بسيط لـ"حوسبة الخزان". تتحكم نبضة دخل قصيرة بالترانزستور الذي بدوره يشحن الممكاباستور. ثم يتلاشى الجهد الخارج ببطء، محافظاً على ذاكرة متلاشية للمدخلات الأخيرة. هذه الذاكرة القصيرة غير الخطية هي بالضبط ما تحتاجه حوسبة الخزان لمهام مثل تمييز الأنماط. باستخدام صور أرقام مولدة حاسوبياً، يبيّن الفريق أن مصفوفة من هذه العناصر يمكنها تمييز الأرقام المختلفة اعتماداً على أثر الفولتية المتغيّر مع الزمن الذي تُنتجه.

التعلّم والمنطق والقرارات على نفس المنصة

يمكن أيضاً إعادة توصيل نفس جهاز الأكسيد إلى دوائر تحاكي المشابك—الروابط بين الخلايا العصبية—وبوابات منطقية، الوحدات الأساسية للحوسبة الرقمية. في تكوين مكوّن من ترانزستور واحد وميمريستور واحد، تنتج نبضات فولتية قصيرة تغييرات مؤقتة في التيار، بينما تنتج النبضات المتكررة أو الأقوى تغييرات طويلة الأمد، مما يعكس كيف تقوى المشابك البيولوجية مع التكرار. مع ترانزستورين وميمريستور واحد، ينفذ المؤلفون عمليات منطقية OR وAND حيث يُخزن الناتج المنطقي مباشرة في توصيلية الميمريستور طويلاً بعد إزالة إشارات الدخل. بتغيير كيفية مسح جهد التشغيل، يمكن إعادة تكوين نفس الدائرة بين سلوك شبيه بـOR وسلوك شبيه بـAND، مما يتيح نوعاً من المنطق المشبكي الذي يكيف قواعده على الفور. كتطبيق إثبات مفهوم، يحوِّلون إشارات معدل ضربات القلب وضغط الدم إلى الدائرة ويستخدمونها لمحاكاة شجرة قرارات بسيطة لمراقبة الصحة تميز بين الأفراد الأصحاء ومرضى القلب.

ما الذي يعنيه هذا للتكنولوجيا اليومية

بالنسبة لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن المؤلفين دمجوا عدة أنواع من السلوك الإلكتروني—وحتى وظائف أساسية للتعلّم واتخاذ القرار—في جهاز أكسيد واحد مستقر ومتوافق مع السليكون. يقلل هذا من مساحة الدائرة، ويخفض متطلبات التوصيل، ويمكن أن يخفض استهلاك الطاقة، كل ذلك مع دعم معالجة متقدمة على طريقة الذكاء الاصطناعي مثل تمييز الأنماط والمنطق التكيفي. إذا تم توسيع نطاق التصنيع، يمكن أن تقوم مثل هذه الأجهزة الأكسيدية متعددة الأشكال بتشكيل قاعدة شرائح مستقبلية تمزج الحوسبة التقليدية مع الأساليب المستوحاة من الدماغ، مما يساعد مراكز البيانات وأجهزة الحافة وأجهزة الاستشعار على التعامل مع تدفقات المعلومات المتزايدة بكفاءة أكبر بكثير من بنى الترانزستور فقط الحالية.

الاستشهاد: Pradhan, S., Miller, K., Hartmann, F. et al. Oxide interface-based polymorphic electronic devices for neuromorphic computing. Nat Commun 17, 3406 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71642-2

الكلمات المفتاحية: الحوسبة العصبية, ميمريستور, واجهة أكسيد, حوسبة الخزان, إلكترونيات متعددة الأشكال