شعاع ليزر دقيق قد يجعل ذاكرة الحاسوب أسرع بألف مرة

كشف باحثون من كلية جاكوبس للهندسة في جامعة كاليفورنيا سان دييغو عن تقنية جديدة لتسريع كتابة البيانات في وسائط التخزين المغناطيسية، تعتمد على إعادة تشكيل شعاع ليزر فائق السرعة بدلاً من تطوير مواد مغناطيسية جديدة. وتشير النتائج، المنشورة في مجلة Nature Communications تحت عنوان "نطاقات مغناطيسية قابلة لإعادة التهيئة ناتجة عن تشكيل الحزمة الضوئية"، إلى أن هذا النهج قد يرفع سرعة التخزين المغناطيسي بما يتجاوز ألف مرة مقارنة بالطرق التقليدية.

قاد الدراسة الباحث محمد وليد خالد، طالب الدكتوراه، بإشراف الأستاذ عبدولاي ندّاو، أستاذ الهندسة الكهربائية والحاسوبية، بالتعاون مع إريك فولرتون، الخبير في المواد المغناطيسية الرقيقة. ويعتمد مبدأ عمل التقنية على ما يُعرف بالتبديل الضوئي، وهي عملية تستخدم نبضات ضوئية بدلاً من مجال مغناطيسي خارجي لعكس اتجاه مغناطيسية المناطق الدقيقة التي تمثّل القيمتين الثنائيتين صفر وواحد في وحدات التخزين.

في الطريقة التقليدية، يتطلب تغيير الحالة المغناطيسية لتسجيل البيانات تطبيق مجال مغناطيسي خارجي، وهي عملية تستهلك طاقة معتبرة وتحدّ من سرعة الكتابة. أما الضوء، فيمكنه توصيل الطاقة في نبضات قصيرة للغاية والتركيز على مساحات متناهية الصغر، وهو ما يفتح الباب نظرياً أمام كتابة أسرع وبطاقة أقل. وبحسب الدراسة، يعمل الليزر فائق السرعة عبر سلسلة من النبضات المتتالية: تُسخّن النبضات الأولى منطقة صغيرة جداً بسرعة فتعكس اتجاه مغناطيسيتها، ثم تعمل النبضات اللاحقة على توسيع هذه المنطقة المعكوسة إلى أن تستقر الحالة المغناطيسية الجديدة بالكامل.

الابتكار الأساسي في هذا البحث لا يكمن في مادة جديدة، بل في طريقة التعامل مع الضوء نفسه. يقول عبدولاي ندّاو: "بدلاً من تصميم مادة جديدة لتفعيل التبديل الضوئي، أعدنا تصميم الضوء نفسه". فقد عمل الفريق على تشكيل شعاع الليزر وتصغير مقطعه بدقة عالية، ليصبح أصغر حجماً بشكل لافت مقارنة بالتجارب السابقة في هذا المجال. ويوضح محمد وليد خالد: "العمل مع ليزر متخصص سمح لنا بتصميم الشعاع ضوئياً ليأخذ شكلاً وحجماً معينين".

ونتيجة لهذا التصغير والتشكيل الدقيقين، تمكّن الفريق من تطبيق التبديل الضوئي بنجاح على بنية من تسع طبقات من البلاتين والكوبالت، وهي بنية أكثر سمكاً بكثير من البنى التي اختُبرت في تجارب سابقة اقتصرت على ما لا يزيد عن ثلاث طبقات مغناطيسية فقط. وتكتسب هذه النقطة أهمية خاصة لأن البنى الأكثر سمكاً تحتفظ بالبيانات المسجلة لفترة أطول، وهو عامل أساسي في جودة أي وسيط تخزين. كما أظهرت التجربة أن العملية نجحت دون الحاجة إلى استقطاب محدد للضوء، خلافاً لما كانت تتطلبه التجارب السابقة التي اعتمدت على خصائص استقطاب دقيقة لتفعيل التبديل.

ويرى الباحثون أن تصغير حجم شعاع الليزر لا يرتبط بالسرعة فقط، بل يحمل أيضاً دلالة مهمة على كثافة التخزين، إذ يمكن لشعاع أصغر أن يكتب على مساحة أصغر، وبالتالي حشد كمية أكبر من البيانات في المساحة نفسها. ويضيف ندّاو: "كلما صغر حجم الشعاع، صغرت الذاكرة الضوئية وزادت كثافتها". ومع ذلك، يشدد الباحثون على أن الرقم المعلن عن زيادة السرعة بأكثر من ألف مرة هو تقدير نظري مستند إلى خصائص العملية الضوئية، وليس نتيجة قياس مباشر لسرعة كتابة فعلية في جهاز تخزين كامل حتى الآن.

وتمس هذه التقنية تطلعات المنطقة العربية نحو بناء صناعة دقيقة وطنية؛ إذ تستثمر كل من المملكة العربية السعودية والإمارات مليارات الدولارات في مراكز البيانات وتقنيات الذكاء الاصطناعي التي تحتاج إلى ذاكرة حاسوبية أسرع وأكثر كثافة. وتُعدّ جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست) في السعودية من المراكز البحثية المرموقة في أبحاث الإلكترونيات الضوئية وتقنيات التخزين، فيما يرصد مركز محمد بن زايد للذكاء الاصطناعي في أبوظبي التطورات في كثافة الذاكرة ذات الصلة المباشرة بتدريب النماذج الكبيرة. وإذا أفضت هذه الدراسة إلى منتج تجاري قابل للتوسع، فإن الدول العربية التي تضخ اليوم استثمارات في مراكز البيانات ستكون في موقع المستفيد المباشر من أي ثورة في سرعة التخزين.

على صعيد التطبيق العملي، يبقى التحدي الأكبر أن الليزر فائق السرعة المستخدم في التجربة جهاز متخصص وضخم نسبياً، ولا يمكن حالياً دمجه بسهولة داخل شرائح الحواسيب التقليدية. ولهذا يعمل الفريق البحثي على تطوير مواد مغناطيسية جديدة تتجاوب بكفاءة أكبر مع أنواع أنظمة ليزر أكثر توافقاً مع الإلكترونيات الصغيرة، إلى جانب خطة لتصغير حجم الشعاع نفسه إلى مستوى بضع مئات من النانومترات فقط. وإذا تحققت هذه الخطوات، فقد تمهّد الطريق أمام الجيل القادم من ذواكر الحاسوب فائقة السرعة وعالية الكثافة، لكن الباحثين يقرّون بأن الطريق من هذا الإنجاز المختبري إلى منتج تجاري قابل للدمج في الأجهزة اليومية لا يزال طويلاً ويتطلب مزيداً من البحث والتطوير.