في 3 يناير 2024
مشكلة الحرارة في الإلكترونيات
تعاني الإلكترونيات الحديثة من مشكلة الحرارة، حيث تحتوي رقائق الحاسوب الحديثة على “نقاط ساخنة” صغيرة تحتوي على كثافة طاقة تفوق كثافة فوهات الصواريخ وتقترب من سطح الشمس. وبسبب ذلك، يتم استخدام أكثر من نصف الكهرباء الإجمالية المحروقة في مراكز البيانات في الولايات المتحدة للتبريد. والعديد من التقنيات الجديدة الواعدة، مثل رقائق الدوائر المكدسة ثلاثية الأبعاد وأنظمة الطاقة المتجددة، تتعرض لعراقيل بسبب الحرارة الزائدة التي تقلل من أداء الجهاز وموثوقيته وعمره الافتراضي.
اختراع دوائر تحكم في الحرارة
قد يكون الحل قد وجدته الدكتورة يونججي هو وفريقه. ووفقًا لتقرير نشر في نوفمبر الماضي في مجلة العلوم، فقد طور فريقه نوعًا جديدًا من الترانزستورات يمكنها التحكم بدقة في تدفق الحرارة عن طريق استغلال الكيمياء الأساسية للرابطة الذرية على مستوى الجزيئة الواحدة. ومن المرجح أن تكون هذه “الترانزستورات الحرارية” مكونًا أساسيًا في الدوائر المستقبلية وستعمل جنبًا إلى جنب مع الترانزستورات الكهربائية. ويقول هو إن الجهاز الجديد بالفعل متاح وقابل للتوسعة ومتوافق مع ممارسات التصنيع الصناعي الحالية، ويمكن أن يتم دمجه قريبًا في إنتاج بطاريات الليثيوم أيون ومحركات الاحتراق الداخلي وأنظمة الشرائح النصفية (مثل رقائق الحاسوب) وغيرها.
تحكم دقيق في الحرارة
تم اختراع الترانزستورات الكهربائية في عام 1947 وغيرت العالم من خلال تمكين المهندسين من التحكم الدقيق في الكهرباء. تعمل هذه الأجهزة، التي أصبحت الآن جزءًا حاسمًا من جميع الإلكترونيات تقريبًا، كمفاتيح: تتكون من محطتين يتدفق من خلالهما التيار الكهربائي، بالإضافة إلى محطة ثالثة تتحكم في تدفقه. اليوم، يمكن ضغط مليارات الترانزستورات على رقاقة واحدة، وبينما زادت هذه التصغيرات قوة الحوسبة بشكل هائل، فقد جعلت التعامل مع الحرارة الزائدة أكثر تحديًا.
مع التكنولوجيا المناسبة، يمكن أن يتم الاستفادة من الحرارة المهدرة لمنع تلف الرقاقة، ويمكن أيضًا استغلالها وإعادة استخدامها. ويقول أليكس زيتل، فيزيائي تجريبي في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، الذي لم يشارك في الدراسة الجديدة: “في الوقت الحاضر، يعتبر معظم الحرارة في الدوائر الإلكترونية إزعاجًا، ويحاول المرء فقط توجيهها بعيدًا، بينما يجب أن يتم استغلالها حقًا”. ويضيف أنه في المستقبل، يشتبه في أن الدوائر الإلكترونية والحرارية ستعملان جنبًا إلى جنب.
تحديات تصميم الترانزستور الحراري
على مدى العقدين الماضيين، حاول فرق البحث مثل فريق هو تحقيق هذا المستقبل من خلال تطوير الترانزستورات الحرارية للتحكم في تدفق الحرارة بدقة تفوق الترانزستورات الكهربائية في التحكم في التيارات الكهربائية. ولكن كانت هناك تحديات أساسية عدة تواجههم. على سبيل المثال، كانت تصميمات الترانزستور الحراري السابقة تعتمد في كثير من الأحيان على أجزاء متحركة غير مرنة تبطئ سرعة المعالجة. وتسببت المشاكل الهيكلية أيضًا في فشل مثل هذه الأجهزة. ويقول هو: “كان هناك الكثير من الاهتمام في هذا المجال، ولكن لم تكن هناك نجاحات”.
تصميم جديد للترانزستور الحراري
لتجاوز هذه القيود، قضى هو وزملاؤه عقدًا في تطوير نهج جديد تمامًا لبناء الترانزستور الحراري. تقنيتهم تستفيد من الروابط التي تتشكل بين الذرات في قناة نانومترية للترانزستور الجديد. تُحتفظ بهذه الذرات المرتبطة معًا من خلال مشاركة إلكتروناتها، والطريقة التي يتم فيها توزيع هذه الإلكترونات بينها تؤثر على قوة الروابط. وهذا، بدوره، يؤثر على كمية الحرارة التي يمكن أن تمر عبر الذرات.
وجد هو وزملاؤه أنه يمكنهم التلاعب بهذه المتغيرات باستخدام قطب نانومتري يطبق حقلًا كهربائيًا للتحكم بدقة في حركة الحرارة. بشكل مشابه للترانزستور الكهربائي، يتكون الجهاز الجديد من محطتين يتدفق من خلالهما الحرارة ومحطة ثالثة تتحكم في هذا التدفق، وفي هذه الحالة، باستخدام الحقل الكهربائي الذي يعدل التفاعلات بين الإلكترونات والذرات داخل الجهاز. وهذا يؤدي إلى تغيرات في التوصيلية الحرارية ويمكنه التحكم الدقيق في حركة الحرارة.
تحكم في الحرارة بدقة
مع اختراع الجهاز، يقول هو، يمكن الآن “تلاعب الحرارة للعديد من التطبيقات وفقًا لاحتياجاتنا”. ويشمل ذلك منع الحاسوب من الاحترار الزائد وحتى استرجاع هذه الطاقة المهدرة مرة أخرى لإعادة الاستخدام.
وقد حقق الجهاز الجديد رقمًا قياسيًا وأداءً أفضل بعدة أمراض من الترانزستورات الحرارية المهندسة مؤخرًا التي لا تستخدم الرابطة على مستوى الذرة. يوجه تصميمه “الجديد والأنيق” قوة التبريد إلى مناطق محددة بسرعة “ممتازة”، وفقًا لجوزيف هيرمانز، فيزيائي تجريبي في جامعة ولاية أوهايو، الذي لم يشارك في البحث. في التجارب، وجد الفريق أن الجهاز الجديد أخمد بشكل كبير ذروات الحرارة بنسبة 1300٪ وحقق كل هذا التحكم بموثوقية عالية.
يضيف جيف ويهماير، مهندس ميكانيكي في جامعة رايس، الذي لم يشارك أيضًا في الدراسة الجديدة، أن التقنية الجديدة للتلاعب بالرابطة بين الذرات بواسطة الكهرباء للتحكم في الحرارة ستحفز “الكثير من الأبحاث الأساسية المستقبلية”.
التحديات المستقبلية والتطبيقات المحتملة
لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يجب القيام به قبل أن يتمكن الجهاز الجديد من “تغيير العالم”، وفقًا لزيتل. ومن الأمور الحاسمة أن يقوم البحث المستقبلي أولاً بإنشاء دوائر إلكترونية حرارية متكاملة بالكامل، مما يتطلب دمج دوائر التحكم في الحرارة الجديدة مع الدوائر الكهربائية الحالية. ولكن زيتل يعتقد أن الجهاز الجديد يحقق الهدف الأساسي الكامن في “ربط الإلكترونيات بتدفق الطاقة الحرارية بشكل أنيق، وهو الهدف النهائي في المدى الطويل”.
هو وزملاؤه يجرون بالفعل تجارب على هيكل الجهاز والمواد لتحسين أدائه بشكل أكبر. كما يدرسون طرقًا لدمجه في أنظمة مختلفة، بما في ذلك رقائق الدوائر المكدسة ثلاثية الأبعاد. هذه الترتيبات تعالج تحدي التدرج الأساسي عن طريق تكديس رقائق ثنائية الأبعاد، ولكنها تشكل تحديات فريدة في التبريد.
قد تكون للترانزستورات الحرارية الصغيرة التحكم في الحرارة تطبيقات طبية أيضًا. يعمل فريق هو مع أطباء الأورام للتحقيق في ما إذا كانت الترانزستورات الحرارية يمكن أن تعزز نوعًا من علاج السرطان يسمى علاج الحرارة الزائدة، والذي يستخدم جسيمات مغناطيسية لتوصيل مستويات قاتلة من الحرارة إلى الخلايا الخبيثة. يقول هو إن الترانزستورات الحرارية يمكن أن تدمج بشكل محتمل في أجهزة الاستكشاف أو الجسيمات النانوية لتوفير التحكم الدقيق لأطباء الأورام في التسخين، مما يضمن تدمير خلايا السرطان والحفاظ على خلايا الجسم السليمة.
توقع هو أن تؤدي الترانزستورات الحرارية، تمامًا مثل اختراع الترانزستور الكهربائي، إلى انفجارات لا يمكن تصورها حاليًا في مجال الابتكار. يقول هو: “هذا الاختراع يفتح فرصًا هائلة في إدارة الحرارة ومعالجتها ونماذج الحوسبة الجديدة. الترانزستورات الحرارية هي بوابة إلى المستقبل”.
اترك تعليقاً