توسعه حافظه فوق‌کم‌مصرف: افزایش چشمگیر عمر باتری دستگاه‌های الکترونیکی

پژوهشگران موفق به توسعه نوعی فناوری حافظه فوق‌کم‌مصرف شده‌اند که نه تنها با کوچک‌تر شدن عملکرد بهتری پیدا می‌کند، بلکه می‌تواند مصرف انرژی در دستگاه‌های الکترونیکی را به‌طور چشمگیری کاهش دهد. این دستاورد چشمگیر ممکن است در آینده عمر باتری گوشی‌ها، ساعت‌های هوشمند و تجهیزات هوش مصنوعی را به چندین ماه افزایش دهد و انقلابی در صنعت الکترونیک ایجاد کند.

چالش مصرف انرژی در دستگاه‌های الکترونیکی

یکی از مشکلات همیشگی وسایل الکترونیکی مانند تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ‌ها، تولید گرما و تخلیه سریع باتری در زمان استفاده طولانی است. بخش عمده این مصرف انرژی به مدارهای الکترونیکی و حافظه‌های داخلی مربوط می‌شود که برای ذخیره و پردازش داده‌ها به جریان الکتریکی مداوم نیاز دارند. دانشمندان بر این باورند که با ساخت حافظه‌هایی که با برق بسیار کمتری کار می‌کنند، می‌توان نسل تازه‌ای از دستگاه‌های فوق‌کم‌مصرف را تولید کرد.

فناوری حافظه پیوند تونلی فروالکتریک (FTJ)

ایده اصلی این فناوری به نوعی حافظه موسوم به «پیوند تونلی فروالکتریک» یا FTJ بازمی‌گردد که نخستین بار در سال ۱۹۷۱ معرفی شد. این حافظه از خاصیتی به نام فروالکتریسیته استفاده می‌کند؛ ویژگی‌ای که در آن جهت قطبش الکتریکی یک ماده قابل تغییر است. تغییر این قطبش میزان عبور جریان الکتریکی را کنترل می‌کند و به این ترتیب داده‌ها به صورت صفر و یک ذخیره می‌شوند.

با این حال، کوچک‌سازی این حافظه‌ها همواره با مانعی جدی روبه‌رو بود؛ زیرا مواد رایج هنگام رسیدن به ابعاد بسیار کوچک عملکرد خود را از دست می‌دادند و نشت جریان الکتریکی در مرز میان کریستال‌های ریز، کارایی حافظه را کاهش می‌داد.

دستاورد جدید: حافظه‌ای در ابعاد نانو

اکنون تیمی به رهبری یوتاکا ماجیما از موسسه علوم توکیو موفق شده‌اند این محدودیت را پشت سر بگذارند. آنها با استفاده از اکسید هافنیوم، ماده‌ای که از سال ۲۰۱۱ مشخص شده حتی در ضخامت‌های بسیار کم نیز خاصیت فروالکتریکی خود را حفظ می‌کند، حافظه‌ای در ابعاد تنها ۲۵ نانومتر ساختند؛ اندازه‌ای حدود سه‌هزارم ضخامت یک تار موی انسان.

رویکرد نوآورانه در طراحی

پژوهشگران به جای تلاش برای حذف کامل مشکل نشت جریان، رویکرد متفاوتی اتخاذ کردند. آنها دریافتند که کوچک‌تر کردن بیشتر ساختار، تاثیر مرزهای کریستالی را کاهش می‌دهد. همچنین با توسعه روشی جدید، الکترودها را گرم کردند تا به‌صورت طبیعی شکلی نیم‌دایره‌ای پیدا کنند؛ ساختاری که به کریستال منفرد شباهت بیشتری دارد و تعداد مرزهای ایجادکننده نشت جریان را کم می‌کند.

نتیجه این ترکیب، ساخت حافظه‌ای بود که برخلاف تصور رایج در صنعت الکترونیک، هرچه کوچک‌تر می‌شود عملکرد بهتری پیدا می‌کند. این موضوع می‌تواند یکی از مهم‌ترین موانع ادامه روند کوچک‌سازی قطعات الکترونیکی را از میان بردارد.

کاربردهای گسترده و تجاری‌سازی سریع

کاربردهای احتمالی این فناوری بسیار گسترده توصیف شده است. برای مثال، ساعت‌های هوشمند آینده ممکن است تنها با یک بار شارژ ماه‌ها کار کنند و شبکه‌های حسگرهای متصل به اینترنت اشیا بدون نیاز مداوم به تعویض باتری فعالیت داشته باشند. همچنین در حوزه هوش مصنوعی، این حافظه می‌تواند پردازش سریع‌تر را با مصرف انرژی بسیار کمتر ممکن کند.

مزیت مهم دیگر این فناوری آن است که اکسید هافنیوم هم‌اکنون نیز در صنعت نیمه‌رساناها استفاده می‌شود؛ بنابراین امکان ادغام این حافظه جدید با خطوط تولید فعلی وجود دارد و تجاری‌سازی آن می‌تواند سریع‌تر از بسیاری فناوری‌های نوظهور دیگر انجام شود.

یوتاکا ماجیما درباره این دستاورد گفت: «به چالش کشیدن محدودیت‌هایی که در علم بدیهی به نظر می‌رسند مانند این‌که دیگر نمی‌توان چیزی را کوچک‌تر ساخت یا اگر کوچک‌تر شود از کار می‌افتد مانند قدم زدن در تاریکی است اما با زیر سوال بردن فرضیات قدیمی و جست‌وجوی راه‌های تازه توانستیم به دیدگاهی کاملا جدید برسیم.»