تصميم جديد لشريحة SRAM يقلل متطلبات الطاقة للتلسكوبات الفضائية بمقدار 59 ضعفاً

يقيّم مهندسون وباحثون في مجال الطيران والفضاء تطوراً رئيسياً في تكنولوجيا أشباه الموصلات من شأنه أن يغير بشكل كبير قيود التصميم وكفاءة المهام العلمية في الفضاء العميق. وأظهر تصميم جديد لشريحة الذاكرة العشوائية الساكنة (SRAM) القدرة على خفض طاقة الحوسبة التي تتطلبها التلسكوبات الفضائية بمقدار 59 ضعفاً، وفقاً لتقرير أعدته Neetika Walter.

ويوفر هذا الانخفاض الحاد في استهلاك الطاقة مجموعة متتالية من المزايا الهندسيّة للمراصد المدارية والمسبارات الفضائية المستقبلية في الفضاء العميق. وأبرز ما في الأمر أن انخفاض متطلبات الطاقة قد يتيح لمصممي المركبات الفضائية تقليل الوزن الإجمالي لأنظمة الأقمار الصناعية المستهدِفة لمهام الكواكب الخارجية بما يصل إلى 2,000 رطل، مما يمثل تحولاً جوهرياً في صناعة تحدد فيها كتلة الإطلاق تكاليف التشغيل وجدوى المهمة بشكل مباشر.

## التحليل الفني لبنية الذاكرة

تواجه مكونات الذاكرة المستخدمة في البيئات المدارية قيوداً تشغيلية صارمة لا تنطبق على البنية التحتية للحوسبة الأرضية. ويجب أن تعمل الإلكترونيات الدقيقة المجهزة في الفضاء ضمن ميزانيات طاقة ضيقة مع الحفاظ على مرونتها وقدرتها على الصمود أمام الظروف البيئية القاسية. وتُستخدم تكنولوجيا SRAM على نطاق واسع في المعالجات الدقيقة الفضائية، حيث تعمل كذاكرة تخزين مؤقتة (cache) فائقة السرعة تتيح معالجة البيانات بسرعة عالية مباشرة على لوحات المعالجة المدمجة.

ومع ذلك، تسحب وحدات SRAM التقليدية طاقة كهربائية مستمرة للحفاظ على البيانات المخزنة، مما يولد تيارات تسرب ساكنة تستهلك الطاقة حتى عندما يكون المعالج في حالة خمول. وفي الأنظمة المؤهلة للعمل في الفضاء، تتطلب إدارة سحب الطاقة الأساسي هذا أجهزة مخصصة لتوزيع الطاقة وأنظمة إدارة حرارية لتبديد الحرارة الهادرة. ويعالج تصميم SRAM الجديد الموضح بالتفصيل هذه الاختلالات التشغيلية على المستوى البنيوي. ومن خلال خفض استهلاك الذاكرة للطاقة بمقدار 59 ضعفاً، كما أفادت Neetika Walter، تخفض هذه البنية بشكل حاد ميزانية الطاقة المطلوبة لوحدات معالجة البيانات الرئيسية.

وتسمح هذه القفزة في الكفاءة للحواسيب المدمجة بتنفيذ تسلسلات حسابية معقدة دون سحب مستويات عالية من التيار الكهربائي من الناقل الرئيسي للمركبة الفضائية. ومن خلال تقليل الخسائر الداخلية للطاقة داخل مصفوفات الذاكرة إلى الحد الأدنى، تتيح التكنولوجيا معالجة عالية الإنتاجية للبيانات بجزء بسيط من بصمة الطاقة التي تتطلبها أجهزة الذاكرة القياسية المعتمدة للفضاء.

## خفض الكتلة وكفاءة الحمولة الصافية

في هندسة الأنظمة الفضائية، يرتبط توليد الطاقة والكتلة المادية ارتباطاً وثيقاً. فالمركبة الفضائية التي تتطلب مستويات طاقة عالية للحوسبة المدمجة يجب أن تحمل ألواحاً شمسية واسعة النطاق لجمع ضوء الشمس، ومجموعات بطاريات ضخمة للحفاظ على العمليات أثناء الخسوف المداري، ووحدات توزيع طاقة ثقيلة لتوجيه التيار بأمان. بالإضافة إلى ذلك، يجب إشعاع الحرارة الزائدة الناتجة عن الإلكترونيات المستهلكة للطاقة في فراغ الفضاء، مما يتطلب أنابيب حرارية ضخمة، وألواح مشعات، وحوامل هيكلية متخصصة.

ومن خلال تقليص متطلبات طاقة الذاكرة بشكل كبير، يمكن لمهندسي الأقمار الصناعية تقليل حجم هذه الأنظمة الفرعية الداعمة الثقيلة. وتؤدي أنظمة الطاقة الأصغر حجماً والبنية التحتية الحرارية المقلصة إلى توفير هائل في الوزن عبر هيكل المركبة بالكامل. وتوفر إمكانية التخلص من كتلة تصل إلى 2,000 رطل، كما أُبرز في تقرير Neetika Walter، فرصاً رئيسية لرفع كفاءة الحمولة الصافية.

وفي اقتصاديات مركبات الإطلاق، يمكن لخفض الكتلة بمقدار 2,000 رطل—أي نحو 907 كيلوغرامات—أن يتيح لمخططي المهام اختيار صواريخ أصغر وأقل تكلفة أو إعادة تخصيص الكتلة الموفرة نحو الحمولات العلمية الرئيسية. ويمكن إعادة توجيه الوزن الموفر من أنظمة الطاقة نحو مرايا بصرية رئيسية أكبر، أو أدوات علمية إضافية، أو احتياطيات وقود إضافية لتمديد العمر التشغيلي للمركبة الفضائية.

## التداعيات على استكشاف الفضاء العميق والكواكب الخارجية

ومن المتوقع أن تكون التلسكوبات الفضائية المخصصة للعثور على الكواكب الخارجية—وهي الكواكب الواقعة خارج نظامنا الشمسي—وتحليلها، المستفيد الرئيسي من تصميم الذاكرة هذا. ويعد استكشاف الكواكب الخارجية من أكثر التخصصات التي تتطلب قدرات حاسوبية فائقة في علم الفلك الرصدي الحديث. إذ يتطلب اكتشاف الإشارات الكوكبية الخافتة وسط التوهج الغامر للنجوم المضيفة معالجة بيانات ضخمة وفي الوقت الفعلي.

وتعتمد المراصد الفضائية التي تبحث عن الكواكب الخارجية غالباً على أجهزة استشعار بصرية معقدة، وراسمات هالة الشمس (coronagraphs)، ومقاييس الطيف التي تولد كميات هائلة من البيانات الأولية. وتعد معالجة هذه المعلومات محلياً قبل بثها إلى المحطات الأرضية أمراً حاسماً، نظراً لأن نطاق الاتصالات الترددي في الفضاء العميق مقيد بشدة بمسافة الإرسال وقدورات طاقة الهوائي. وتتيح شرائح SRAM عالية الكفاءة للمركبات الفضائية تشغيل خوارزميات متقدمة لضغط البيانات ومعالجة الصور مباشرة في المدار دون استنزاف الشبكة الكهربائية المدمجة.

علاوة على ذلك، فإن مسبارات الفضاء العميق التي تغامر بالوصول إلى المناطق الخارجية من النظام الشمسي—حيث يكون ضوء الشمس ضعيفاً وينخفض إنتاج الألواح الشمسية بشكل حاد—تستفيد بشكل هائل من الإلكترونيات الدقيقة فائقة انخفاض الطاقة، مما يتيح إجراء عمليات علمية متقدمة بميزانيات طاقة أدنى.

## قيود الطاقة في الحوسبة الفضائية

لعقود من الزمن، أدار مهندسو الطيران والفضاء مفاضلة أساسية بين قدرة الحوسبة المدمجة وقيود موارد الأجهزة. يمكن لمراكز البيانات الأرضية زيادة قدرة المعالجة عن طريق سحب الكهرباء من شبكات الطاقة واستخدام أنظمة التبريد السائل النشط. وعلى العكس من ذلك، يجب على مسبار الفضاء توليد كل واط من الكهرباء محلياً باستخدام مساحة سطحية محدودة للألواح الشمسية وإشعاع الحرارة الهادرة حصرياً من خلال التوصيل والإشعاع الحراري.

ومما يزيد من تفاقم هذه التحديات أن الشرائح الدقيقة التي تعمل في الفضاء يجب أن تتحمل بيئات عالية الإشعاع، بما في ذلك الأشعة الكونية المجريّة والجسيمات الشمسية النشطة. وكان الطرق التقليدية لتقسية أجهزة الذاكرة ضد انقلاب البتات الناتج عن الإشعاع تتطلب غالباً إضافة ترانزستورات إضافية، مما زاد من حجم الشريحة، ورفع استهلاك الطاقة، وقلل من سرعات المعالجة.

ويظهر تطوير ذاكرة SRAM الموفرة للطاقة أنه يمكن تحقيق تحسين استخدام الطاقة ضمن بنيات ذاكرة عالية الأداء مصممة للتطبيقات الفضائية. إذ يقلل انخفاض سحب الطاقة من التسخين المحلي على شريحة السيليكون نفسها، مما يقلل من الإجهاد الحراري على الإلكترونيات الدقيقة الداخلية ويحسن موثوقية المكونات عبر المهام الممتدة.

## الخطوات التالية للدمج المداري

وقبل أن يتسنى نشر بنية SRAM الجديدة في المهام الفضائية التشغيلية، يجب أن تخضع الأجهزة لاختبارات تأهيل صارمة ومعيارية في صناعة الطيران والفضاء. وعادة ما تخضع المكونات الإلكترونية الدقيقة المخصصة للرحلات الفضائية لاختبارات فراغ حراري مكثفة، واختبارات اهتزاز ميكانيكي، وقصف بحزمة من مسرعات الجسيمات للتحقق من صلابة الإشعاع والفيزياء الهيكلية.

وبمجرد تأهيلها بالكامل، يمكن دمج التكنولوجيا في الأجيال المستقبلية من التلسكوبات الفضائية، وأقمار مراقبة الأرض الاصطناعية، والمسبارات الروبوتية في الفضاء العميق. ومع تصميم وكالات الفضاء والشركات التجارية لمهام علمية متزايدة التعقيد، تظل التطورات في كفاءة الحوسبة الأساسية أمرًا حاسمًا لبناء مركبات فضائية أخف وزناً وأكثر قدرة.

يستند هذا التقرير إلى تغطية صحفية أصلية أعدتها Neetika Walter.