عندما ترك ماثيو مارينيلا منصبًا بحثيًا في مختبرات سانديا الوطنية ليصبح أستاذًا مشاركًا في الهندسة الكهربائية في جامعة ولاية أريزونا ، لم يتخلَّ عن علاقاته مع سانديا.
منذ دخوله كلية كليات إيرا أ. فولتون للهندسة بجامعة ولاية أريزوناواصلت Marinella التعاون مع Sandia في بحثها. على سبيل المثال ، هو الباحث الرئيسي في مشروع يهدف إلى زيادة أداء الحوسبة من خلال زيادة كفاءة الطاقة للأجهزة الإلكترونية التي تصلب الإشعاع أو “الراد-هارد” في سلسلة أبحاث العلوم تحدي سانديا العظيم. يعتمد العمل في جامعة ولاية أريزونا على أبحاث إلكترونية سابقة أجرتها مارينيلا في سانديا.
التصلب الإشعاعي هو عملية تزيد من متانة الإلكترونيات المستخدمة في البيئات عالية الإشعاع مثل الفضاء الخارجي. يمكن أن يسمح هذا لمكونات الكمبيوتر المهمة ، مثل تلك الموجودة في المركبة الفضائية ، بالعمل حيث تفشل الإلكترونيات العادية في ظل التعرض للإشعاع.
تعتبر مشاريع Sandia’s Grand Challenge عالية المخاطر وعالية المكاسب ويتم تمويلها لمدة ثلاث سنوات.
المصدر: Adobe Images
تقول مارينيلا: “بدأت في جامعة ولاية أريزونا في يناير 2022 ، قادمًا من سانديا حيث كنا نعمل في مشروع كبير حقًا مثل هذا لعدة سنوات”. “تم تمويله في النهاية ، لذلك نأمل بالطبع أن يؤدي هذا العمل إلى مشاريع أكبر.”
يشارك أيضًا متعاونون من جامعة كاليفورنيا في بيركلي وجامعة تكساس في أوستن وجامعة ميشيغان في بحث التحدي الكبير هذا. يقول ريك ماكورميك ، راعي الإدارة العليا للمشروع وعميل البحث الاستراتيجي في سانديا ، إن الباحثين من هذه المؤسسات تم تجنيدهم لخبرتهم في أجهزة الحوسبة التناظرية الناشئة ، والتي تعد جزءًا أساسيًا من المشروع.
تستخدم في البيئات الغنية بالإشعاع
لزيادة الكفاءة الحسابية للإلكترونيات المصلبة بالإشعاع بما يتجاوز القدرات التقليدية ، يعمل فريق البحث على تطوير أجهزة تناظرية جديدة تستخدم ذاكرة الوصول العشوائي المقاومة ، أو ReRAM ، وذاكرة الوصول العشوائي الكهروكيميائية ، أو ECRAM. سيتم دمج هذه الأجهزة التناظرية في صفائف موضوعة فوق أشباه موصلات أكسيد المعادن التكميلية ، أو CMOS ، وهي رقائق الكمبيوتر المصنوعة من شركة Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.
بمجرد تطوير هذه الأجهزة ، سيتم استخدامها بعد ذلك في البيئات الغنية بالإشعاع ، سواء في الفضاء أو على الأرض.
تقول مارينيلا عن الاستخدامات الأرضية للأجهزة: “إذا كنت قد شاهدت تشيرنوبيل أو مكانًا ما من هذا القبيل ، فلديك روبوتات تحاول الوصول إلى مكان لا ترغب في وضع الناس فيه”.
كاميرات الأقمار الصناعية هي مثال آخر لما يمكن أن تفعله كفاءة المعالجة المتزايدة. قدرات الأقمار الصناعية محدودة بمعلمات مثل حجمها ووزنها وطاقة البطارية. إن جعل الحوسبة على متن الطائرة أكثر كفاءة ، كما هو الحال مع التكنولوجيا التي يطورها فريق Marinella ، سيوفر الطاقة لمهام أخرى ، بما في ذلك زيادة دقة صور الأقمار الصناعية.
رقائق الذاكرة المعززة للكفاءة
تقول مارينيلا إن وزارة الدفاع مهتمة بتكنولوجيا الكمبيوتر المعززة بالإشعاع ، بما في ذلك الاستخدامات مثل معالجة الصور باستخدام الحوسبة المتطورة. في الحوسبة المتطورة ، تتم معالجة البيانات في نظام الكمبيوتر بعد وقت قصير من جمعها ، مما يقلل من عدد ملفات البيانات الخام الكبيرة لنقلها وتسريع تبادل الملفات.
على الرغم من أن هذه الرقائق مخصصة للاستخدام في التطبيقات المقاومة للإشعاع في الوقت الحالي ، ترى Marinella أن مصفوفات شرائح الذاكرة المعززة للكفاءة ، جنبًا إلى جنب مع أشباه الموصلات التقليدية ، أصبحت في نهاية المطاف موجودة في كل مكان في الإلكترونيات الاستهلاكية.
يقول: “ستكون الشريحة في هاتفك الخلوي ، وفي سياراتك ذاتية القيادة ، وأنظمة الحوسبة السحابية الخاصة بك”.
نقل البيانات بين عناصر منفصلة
وفقًا لـ Sapan Agarwal ، الباحث الرئيسي في جانب Sandia من مشروع Grand Challenge هذا ، فإن دمج أجهزة الذاكرة مع الرقائق التقليدية سيدفع الحدود إلى ما هو أبعد من الممكن باستخدام الرقائق التقليدية وحدها. إن كفاءة معالجة رقاقات CMOS التقليدية محدودة بحجم وفولتية الترانزستورات الخاصة بها.
يقول Agarwal إن أحد أكبر العوامل التي تؤدي إلى إبطاء الحوسبة باستخدام الرقائق التقليدية هو الحاجة إلى نقل البيانات بين عناصر منفصلة لتخزين الذاكرة ومعالجتها. سيسمح دمج أجهزة ReRAM و ECRAM الجديدة للفريق مع شرائح CMOS بمعالجة الذاكرة وتخزينها في مكان واحد. وفقًا لـ Agarwal ، سيؤدي ذلك إلى أداء حسابي لكل واط 100 مرة أكبر مما هو ممكن حاليًا.
الترانزستورات ذات التأثير الميداني المزعنف
يلاحظ ماكورميك أن الفريق سيختبر أجهزة حوسبة تمثيلية مختلفة ، مما سيساعدهم على تحديد الأفضل لتطبيقاتهم. تعمل Marinella أيضًا في مشروع منفصل مع هيوز بارنابي، أستاذ الهندسة الكهربائية في جامعة ولاية أريزونا ، لفهم تأثيرات الإشعاع على الترانزستورات المعروفة باسم الترانزستورات ذات التأثير الميداني الزعانف ، أو FinFETs ، والتي تعد أكثر كفاءة من ترانزستورات العقد القياسية القديمة. في حين أن هذا المشروع هو أيضًا تعاون مع Sandia وتموله ، إلا أنه منفصل عن عمل Marinella في برنامج Grand Challenge الذي يركز على دمج شرائح CMOS مع مصفوفات الأجهزة التناظرية.
على الرغم من أن مشروع Grand Challenge الذي يجمع بين شرائح CMOS والأجهزة التناظرية لن يستخدم FinFETs للبحث ، فإن هدف Marinella المستقبلي هو استخدام FinFETs كترانزستورات لرقائق CMOS ومصفوفات تناظرية متكاملة إذا وجد أن FinFETs تتحمل الإشعاع الشديد بشكل جيد إلى حد ما. البيئات. إن الجمع الأكثر كفاءة من شأنه أن يطلق المزيد من قوة الحوسبة المعززة بالإشعاع ، مما يجعل النظام أكثر كفاءة من مشروع Grand Challenge CMOS الحالي ومشروع تكامل الذاكرة التناظرية.
المساهمة في تطوير تقنيات التمكين الرئيسية
تقول ماكورميك إن عمل مارينيلا في جامعة ولاية أريزونا ، بعد سجلها الممتاز في الابتكار وتدريب باحثي ما بعد الدكتوراه في سانديا ، يضع المؤسستين في وضع ممتاز لفرص البحث التعاوني.
يقول: “لقد ربطنا مات بالفعل بأعضاء هيئة التدريس الآخرين ذوي التأثير العالي في جامعة ولاية أريزونا وحافظ على علاقات تعاون قوية مع سانديا”. “نتطلع إلى مواصلة العمل معه وجعله يدرب الجيل القادم من باحثي سانديا.”
يوافق أغاروال على أن الشراكة مع جامعة ولاية أريزونا هي فرصة عظيمة لتوسيع قدرات سانديا البحثية.
قال “فريق جامعة ولاية أريزونا هو في قلب جهودنا البحثية الأوسع نطاقا ، مما يساعد على تطوير التقنيات الرئيسية والشراكة معنا في إستراتيجية الإلكترونيات الدقيقة الناشئة الأوسع نطاقًا”. “في جامعة ولاية أريزونا ، لا يزال مات مساهماً أساسياً.”