مکانیک کوانتوم ممکن است راه حلی برای مشکل انحراف جوی‌استیک داشته باشد
تاریخ انتشار:
مقدمه
کنسول نینتندو سوئیچ ممکن است به خاطر احیای دوباره بازی‌های قابل حمل به یاد آورده شود، اما همچنین به خاطر یک مشکل سخت‌افزاری که میلیون‌ها گیمر را تحت تأثیر قرار داد: انحراف جوی‌استیک.
انحراف جوی‌استیک چیست؟
انحراف به مشکل شایعی اطلاق می‌شود که در آن جوی‌استیک‌ها ورودی‌های نادرستی را تشخیص می‌دهند — حتی زمانی که هیچ‌کس به کنترل‌کننده‌ای دست نمی‌زند — که منجر به حرکات ناخواسته در بازی می‌شود. این مشکل همچنین بر کنترل‌کننده‌های سونی، مایکروسافت و سازندگان لوازم جانبی شخص ثالث تأثیر می‌گذارد.
راه‌حل‌های موجود
حسگرهای اثر هال چند سال پیش به عنوان یک راه‌حل بالقوه برای این مشکل ظهور کردند، اما گزینه بهتری وجود دارد که نصب آن در طراحی‌های موجود کنترل‌کننده‌ها آسان‌تر است. آن راه‌حل، مقاومت مغناطیسی تونلی یا TMR است، یک فناوری که دو دهه پیش با استفاده از مکانیک کوانتوم و مغناطیس‌ها، هارد درایوها را متحول کرد.
مشکلات جوی‌استیک‌های سنتی
مانند حسگرهای اثر هال، حسگرهای TMR از مشکل اساسی جوی‌استیک‌های سنتی جلوگیری می‌کنند: حسگرهای آن‌ها به خاطر طراحی‌شان فرسوده می‌شوند. کنترل‌کننده‌هایی که با آخرین کنسول‌های ایکس باکس، PS4 و PS5 و همچنین نینتندو سوئیچ عرضه می‌شوند، همگی بر اساس حسگرهایی مانند پتانسیومترها ساخته شده‌اند، یک جزء که می‌تواند برای تغییر یا اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی استفاده شود.
چگونگی عملکرد پتانسیومترها
همان‌طور که iFixit در سال 2021 توضیح داد، درون دو پتانسیومتر که برای تشخیص حرکات عمودی و افقی در هر جوی‌استیک استفاده می‌شوند، یک نوار نیم‌دایره‌ای از فیلم کربنی وجود دارد که در هر انتها ترمینال‌هایی دارد که جریان الکتریکی را از طریق آن عبور می‌دهند. با حرکت جوی‌استیک، یک جزء به نام وایپر به جلو و عقب بر روی این نوار حرکت می‌کند و ولتاژ را در جایی که تماس برقرار می‌کند اندازه‌گیری می‌کند. از آنجا که ولتاژ به طور قابل پیش‌بینی در طول نوار تغییر می‌کند، اندازه‌گیری‌های ولتاژ وایپر می‌تواند برای اندازه‌گیری دقیق حرکات جوی‌استیک استفاده شود.
مشکلات فرسودگی
اما تماس اشیاء جامد با یکدیگر رویکرد ایده‌آلی برای دوام نیست. آن نوار فیلم کربنی درون پتانسیومتر جوی‌استیک می‌تواند با گذشت زمان فرسوده شود و بر جریان و دقت اندازه‌گیری ولتاژ تأثیر بگذارد. گرد و غبار روی فیلم، چه از فرسودگی اجزای متحرک و چه از ورود گرد و غبار و خرده‌های غذا به داخل کنترل‌کننده، می‌تواند به اندازه‌گیری نادرست و انحراف کمک کند.
حسگرهای بدون تماس
به همین دلیل است که تولیدکنندگان کنترل‌کننده اکنون به حسگرهایی روی آورده‌اند که به اجزای متحرک وابسته نیستند: اثر هال و TMR، که هر دو به جای آن به مغناطیس وابسته‌اند. همان‌طور که iFixit توضیح می‌دهد، جوی‌استیک‌های اثر هال نوارهای مقاومتی و وایپرها را با مغناطیس‌ها و حسگرهایی که هرگز با یکدیگر تماس نمی‌گیرند، جایگزین می‌کنند، با استفاده از پدیده‌ای که اولین بار توسط ادوین هال در سال 1879 کشف شد.
ساختار حسگرهای اثر هال
درون یک حسگر اثر هال، یک ماده رسانا به نام "عناصر هال" وجود دارد که جریان الکتریکی از آن عبور می‌کند. به طور معمول، الکترون‌ها به طور مستقیم از طریق این رسانا جریان می‌یابند، اما وجود یک میدان مغناطیسی می‌تواند الکترون‌ها را به سمت دو طرف منحرف کند، مانند یک مانع نامرئی که جریان آب را در یک جوی منحرف می‌کند. با نزدیک و دور شدن مغناطیس متصل به جوی‌استیک، حسگر اثر هال تغییرات ولتاژ ناشی را در رسانا اندازه‌گیری می‌کند. این اندازه‌گیری‌ها به حرکات در یک بازی با دقت و قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به پتانسیومترها ترجمه می‌شوند و بدون هیچگونه فرسودگی.
تاریخچه حسگرهای اثر هال
حسگرهای اثر هال بیش از 50 سال است که مورد استفاده قرار می‌گیرند و حتی توسط سگا در کنترل‌کننده‌های ساترن 3D و دریم‌کست که در اواسط دهه 90 معرفی شدند، استفاده شده‌اند. GuliKit استفاده از حسگرهای اثر هال را در سخت‌افزار بازی دوباره محبوب کرد و یک کنترل‌کننده با آن را در E3 2021 معرفی کرد. اما هنوز به طور گسترده‌ای در سخت‌افزار بازی استفاده نمی‌شوند زیرا جوی‌استیک‌های مبتنی بر پتانسیومتر ارزان‌تر برای تولید هستند. همچنین، آن‌ها نیاز به انرژی بیشتری دارند که تولیدکنندگان کنترل‌کننده باید به آن توجه کنند.
حسگرهای TMR
راه‌حل برای این مشکل ممکن است حسگرهای TMR باشد که از کشفیات جدیدتر ناشی می‌شوند. در سال 1988، فیزیکدانان آلبرت فرت و پیتر گرونبرگ به طور مستقل پدیده‌ای به نام اثر مقاومت مغناطیسی غول‌آسا (GMR) را کشف کردند که به خاطر آن در سال 2007 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند. آن‌ها دریافتند که وجود یک میدان مغناطیسی که به فیلم‌های فوق نازک متشکل از یک رسانا — مانند مس یا آلومینیوم که فقط چند نانومتر ضخامت دارند — که بین دو ماده مغناطیسی قرار دارد، می‌تواند جهت چرخش الکترون‌ها و توانایی آن‌ها برای جریان آسان از یک طرف فیلم به طرف دیگر را تحت تأثیر قرار دهد.
عملکرد TMR
عملکرد TMR به طرز مشابهی با GMR عمل می‌کند. وجود یک میدان مغناطیسی جهت چرخش الکترون‌ها را هم‌راستا می‌کند و جریان آن‌ها از یک طرف به طرف دیگر را آسان‌تر می‌کند. اما در حالی که GMR از یک ماده رسانا که بین دو لایه مغناطیسی قرار دارد استفاده می‌کند، TMR به طرز غریبی از یک ماده عایق استفاده می‌کند که به عنوان یک مانع عمدی عمل می‌کند.
پدیده تونل‌زنی کوانتومی
برای جریان از یک طرف فیلم به طرف دیگر، الکترون‌ها به پدیده‌ای به نام تونل‌زنی کوانتومی وابسته هستند تا از آن عایق در میان عبور کنند. ایده ذراتی که از موانعی عبور می‌کنند که نباید قادر به عبور از آن‌ها باشند، درک آسانی نیست، اما زمانی که مواد خاصی — مانند آلومینیوم یا اکسید منیزیم — فقط چند اتم ضخامت دارند، ممکن است این اتفاق بیفتد. و به لطف فیزیکدانانی مانند اروین شرودینگر، این پدیده یک معما کامل نیست. ما معادلاتی داریم که می‌توانند به طور دقیق پیش‌بینی کنند که چه زمانی این پدیده رخ خواهد داد.
کاربرد TMR در الکترونیک
آنچه TMR را در الکترونیک مفید می‌سازد، نه خود تونل‌زنی، بلکه این است که افزودن و حذف یک میدان مغناطیسی تغییر قابل اندازه‌گیری در مقاومت ایجاد می‌کند. برای سال‌ها، هارد درایوها به سرهای خواندن با طراحی مشابه با سیم‌پیچ‌های استفاده شده در بلندگوها و میکروفن‌ها متکی بودند. در سال 2005، سیگیت فناوری TMR را در سرهای خواندن خود به کار گرفت، که نه تنها می‌توانستند بسیار کوچکتر شوند بلکه همچنین بسیار حساس‌تر در تشخیص وجود میدان مغناطیسی بودند.
افزایش ظرفیت هارد درایوها
این امر باعث شد که بیت‌های مغناطیسی در هارد درایوها نیز بسیار کوچکتر شوند و به طور چشمگیری چگالی و ظرفیت ذخیره‌سازی درایوهای 2.5 اینچی را به 120 گیگابایت افزایش دهد. اشکال مختلف فناوری TMR انتظار می‌رود که برای سال‌های آینده در تولید هارد درایوها استفاده شود.
مزایای حسگرهای TMR
اگرچه علم پایه متفاوت است، حسگرهای اثر هال و TMR هر دو می‌توانند برای تشخیص حرکات جوی‌استیک از طریق استفاده از مغناطیس‌های بدون تماس استفاده شوند، اما حسگرهای TMR مزایای کلیدی دارند.
حسگرهای TMR معمولاً حساسیت بالاتر و پاسخ خطی‌تری نسبت به حسگرهای اثر هال دارند. این می‌تواند امکان استفاده از مغناطیس‌های کوچکتر را فراهم کند و ساخت جوی‌استیک‌های TMR را آسان‌تر کند. اما استفاده از حساسیت بالاتر برای بهبود دقت جوی‌استیک بستگی به تولیدکنندگان و سخت‌افزاری که استفاده می‌کنند، دارد. "دقت عمدتاً به دقت نمونه‌برداری MCU پشتی بستگی دارد و به جوی‌استیک خود ارتباط نزدیکی ندارد".
مصرف انرژی
در مقایسه با حسگرهای اثر هال، حسگرهای TMR معمولاً مصرف انرژی کمتری دارند، اما مزیت آنجا نیست که عمر باتری بهبود یابد. "طراحی اصلی کنترل‌کننده‌های بازی سونی، مایکروسافت و نینتندو از فناوری جوی‌استیک فیلم مقاومتی سنتی با طراحی منبع تغذیه ثابت استفاده می‌کند که ظرفیت انرژی آن به حدود 1 میلی‌آمپر محدود است". حسگرهای اثر هال می‌توانند بین 0.5 میلی‌آمپر تا 2 میلی‌آمپر انرژی مصرف کنند، در حالی که حسگرهای TMR تنها بین 0.1 میلی‌آمپر تا 0.3 میلی‌آمپر مصرف می‌کنند. این امر به جوی‌استیک‌های با حسگر TMR اجازه می‌دهد تا بر روی سخت‌افزار کنترل‌کننده‌های فعلی "به عنوان یک جایگزین کامل 1:1 بدون هیچگونه تغییر در مدار" نصب شوند. این می‌تواند به تسریع پذیرش و کاهش قیمت فناوری با ساده‌سازی تولید کمک کند.
پایداری عملکرد
حسگرهای TMR همچنین پایداری عملکرد بیشتری را در دماهای وسیع‌تری ارائه می‌دهند — مزیتی که به ویژه برای محصولی که اغلب به مدت چند ساعت در دست‌های گرم نگه‌داشته می‌شود، مفید است.
وضعیت فعلی فناوری TMR
اگرچه فناوری TMR هنوز توسط شرکت‌هایی مانند نینتندو، مایکروسافت و سونی پذیرفته نشده است، چندین تولیدکننده شخص ثالث در حال حاضر کنترل‌کننده‌هایی با جوی‌استیک‌های TMR می‌فروشند، از جمله کنترل‌کننده Crush PB Tails، Tarantula Pro GameSir و 8BitDo که از آن در کنترل‌کننده جدید Ultimate 2 خود استفاده می‌کند. در سال 2024، GuliKit اولین شرکتی بود که کیت‌های ارتقاء را برای آوردن فناوری TMR به کنترل‌کننده‌های PS5، PS4، ایکس باکس و سوئیچ منتشر کرد.
چشم‌انداز آینده
اما هنوز چند سال طول می‌کشد تا فناوری TMR به جریان اصلی در سخت‌افزار بازی تبدیل شود. "حسگرهای TMR معمولاً گران‌تر از حسگرهای اثر هال سنتی هستند، به ویژه در حجم‌های کوچکتر". با این حال، با بلوغ فناوری TMR، انتظار می‌رود که تفاوت هزینه کاهش یابد.