في عالم الحسابات الفائقة المتقدمة، يُعتبر لقب جائزة Gordon Bell من أبرز الجوائز المرموقة التي تُمنح للفرق البحثية التي تحرز تقدمًا ملحوظًا في تقنيات الحوسبة عالية الأداء. في عام 2025، حظي فريق الباحثين تحت إشراف البروفيسور Mathieu Luisier من جامعة ETH Zurich بذكر شرفي ضمن هذه الجائزة، التي تُكرم الابتكارات التقنية المتطورة التي تخدم تطبيقات علم المواد والنمذجة الكمية.

جدول المحتويات

تُعقد جائزة Gordon Bell سنويًا ضمن مؤتمر SC (High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis)، وتكافئ المشاريع التي تحقق أداءً مذهلاً في مجالات المحاكاة الحسابية. وأنجز فريق البروفيسور Luisier تقدمًا فنيًا بارزًا في محاكاة النقل الكمي باستخدام التقنيات الحديثة للحوسبة المتوازية على حواسيب فائقة الأداء، مما يعزز قدرتنا على تحليل المواد على المستوى الذري بدقة وكفاءة فائقة.

⚡ خلفية هندسية:

في الهندسة الكهربائية والتقنيات الحاسوبية المتعلقة بها، يعد فهم “النقل الكمي” موضوعًا متداخلًا بين الفيزياء والهندسة. هذه المحاكاة تعتمد على نموذج معقد يمثل حركة الإلكترونات داخل المواد عند مقياس نانومتري، وهو أمر ضروري لتطوير أشباه الموصلات والتقنيات المتقدمة مثل الترانزستورات الكمومية والمكونات الإلكترونية المستقبلية.

التميّز في هذا المجال يكمن في استخدام نماذج دقيقة مثل GW Approximation التي تسمح بحساب التأثيرات الكمية الدقيقة على التوصيل الكهربائي، وهو أمر مكلف حسابيًا ويحتاج إلى موارد حقيقية تمكن الحواسيب العملاقة من التعامل معه بكفاءة.

🔧 مبدأ العمل التقني لفريق العمل:

اعتمد المشروع على محاكاة النقل الكمي لأكثر من 42,000 ذرة عبر تقنيات تمكّن من تحقيق أداء مستدام في نطاق Exascale FP64، أي عمليات حسابية ذات 64 بت بسرعة تفوق أيوجد إكسافلوب واحد في الثانية (10¹⁸ عمليات في الثانية).

اعتمد الفريق بشكل أساسي على توزيع الحمل الحسابي موازياً عبر العديد من المعالجات الحوسبية عالية القدرة – ومنها حاسوب “Alps” في معهد CSCS بسويسرا. نظم الحوسبة الموازية هذه تعتمد على تقسيم معقد للمهام، مع خوارزميات ذكية لتحقيق التوازن بين الدقة وتوفير الوقت والموارد.

كما تم استخدام تقنيات متقدمة لإدارة الذاكرة والتخزين المؤقت للبيانات، لضمان أن تبقى العمليات الحسابية سلسة ومتسقة بتعاونية الحوسبة الضخمة.

📊 التطبيقات العملية في مجال الهندسة الكهربائية:

تصميم أشباه الموصلات النانوية والمواد الإلكترونية الجديدة.
تحسين أداء المحولات والمكونات الكهربائية عن طريق فهم التوصيل عند المستوى الذري.
تطوير أجهزة الجيل القادم التي تعتمد على الظواهر الكمومية في تحسين كفاءة الطاقة وتحكمها.
دعم الأبحاث المتعلقة بالبطاريات والأنظمة الكهروكيميائية من خلال فهم سلوك الإلكترونات والمواد في تلك الأنظمة.
تقديم أدوات حسابية للمختبرات الهندسية لتسريع سير العمل وتقليل الزمن اللازم لتطوير المنتجات.

⚠️ نقطة مهمة:

التقدم في محاكاة النقل الكمي لا يخدم فقط المجالات النظرية أو البحثية بل يشكل طوق نجاة لتطوير تقنيات كهربائية متقدمة تعد مستقبل الصناعة الكهربائية والإلكترونية.

الأخطاء الشائعة في التعامل مع أنظمة الطاقة المتقدمة المدعمة بمحاكاة كمومية

قد يظن بعض الفنيين أن الدقة العالية في المحاكاة تعني بالضرورة سهولة التطبيق العملي، وهو فهم خاطئ.

❌ الاعتماد الكلي على النماذج دون اختبار تجريبي عملي ميداني.
❌ تجاهل متطلبات السلامة الكهربائية المرافقة بأنظمة التحكم المتقدمة.
❌ الفشل في التحقق من جودة الطاقة (Power Quality) عند دمج مكونات جديدة تعتمد على النتائج المحاكاة.
❌ إهمال صيانة الأنظمة واللوحات الكهربائية التي تدير مخرجات عمليات النمذجة الرقمية.

هذه الأخطاء قد تؤدي إلى أعطال أو حالات خطيرة في المنشآت الكهربائية – ما يبرز أهمية الدمج السليم بين الجانب النظري والتطبيقي.

🛡️ أساسيات ونصائح السلامة الكهربائية في بيئات الأبحاث والحوسبة عالية الأداء

في ظل انتقال الدراسة والتطوير إلى بيئات معقدة تحتوي على أجهزة فائقة السرعة والمعالجات متعددة النوى، تكون مسألة السلامة عاملًا أساسيًا لا يقل أهمية عن الاحترافية الفنية.

⚡ التأريض الصحيح لجميع الأجهزة المتصلة بالحاسوب الفائق لتجنب الصدمات الكهربائية.
⚡ استخدام قواطع كهربائية ذات حساسية عالية لضمان الفصل السريع عند وجود خلل أو زيادة تيار.
⚡ مراقبة مستمرة لجودة الطاقة الكهربائية (Power Quality) لتفادي تقلبات الجهد التي قد تؤثر على الدقة الحسابية أو تسبب تلف الأجهزة.
⚡ تدريب الفنيين والمتدربين على إجراءات الطوارئ والتعامل السريع مع الأعطال.

⚠️ تنبيه سلامة:

أهمية الالتزام الصارم بتعليمات السلامة لا تقتصر على حماية الأجهزة فحسب، بل تحمي الأرواح وتضمن استمرارية العمل البحثي والتقني في بيئات معقدة وحساسة.

خلاصة

إن الإنجاز الذي حققه فريق البروفيسور Mathieu Luisier في جائزة Gordon Bell 2025 يمثل نقلة نوعية في مجال الحوسبة عالية الأداء لتطبيقات الهندسة الكهربائية. يُظهر المشروع كيف يمكن لتقنيات المحاكاة الكمومية والأنظمة الحاسوبية العملاقة أن تفتح آفاقًا جديدة لفهم وتصميم وتطوير مكونات كهربائية متطورة.

بالنسبة للطلاب والفنيين والمتدربين، يبقى فهم هذه الأدوات وحسن توظيفها مع الالتزام بقواعد السلامة الكهربائية أساسًا لا غنى عنه للاستعداد للمستقبل التقني المرتبط بالحوسبة الهندسية.

📌 خلاصة سريعة:

جائزة Gordon Bell 2025 كرّمت فريقًا حقق تقدمًا كبيرًا في محاكاة النقل الكمي.
المحاكاة تمت باستخدام حواسيب فائقة الأداء لتحقيق دقة متناهية في دراسة المسائل الكهربائية الكمومية.
التطبيقات تشمل تطوير أشباه الموصلات، تحسين الأداء الكهربائي، ودعم تقنيات المستقبل.
الالتزام بالسلامة والكفاءة التشغيلية في بيئات الحوسبة أمر محوري.