عناصر الأرض النادرة الإربيوم واليتريوم حاسمة لبنية الذكاء الاصطناعي، والصين تمتلك هيمنة في العرض

بالإضافة إلى الكهرباء، تم اكتشاف ميزتين طبيعيتين إضافيتين للصين في موجة التوسع هذه لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي.

في الآونة الأخيرة، أشارت IEEE إلى اثنين من الأسماء التي لم تُلَقَِ اهتمامًا كبيرًا من السوق من قبل—

إيربيوم (يربيوم) ويتريوم (يتريوم).

إحداهما مخبأة في شبكة اتصالات ضوئية طويلة المدى بين مراكز البيانات، والأخرى مخبأة في توربينات غازية تزود مراكز البيانات بالطاقة، وتعكس كل منهما أهم أمرين يواجههما بنية تحتية الذكاء الاصطناعي حاليًا:

Internet and power.

ببساطة، يُستخدم الإربيوم لنقل البيانات على مسافات أطول، بينما يُستخدم الإتريوم في مواد التوربينات الغازية ذات درجات الحرارة العالية لمساعدتها على التشغيل بثبات عند درجات حرارة أعلى وزيادة كفاءة توليد الطاقة.

ومع التوسع الهائل في مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي، أصبح هذان الاستخدامان أكثر أهمية على نحو متزايد.

من ناحية أخرى، تزداد مجموعات الحوسبة ضخامةً، ويتوزع عدد متزايد من قوى الحوسبة عبر المجمعات والمدن المختلفة، مما يتطلب بناء شبكات ضوئية سريعة وطويلة المدى بين مراكز البيانات؛

من ناحية أخرى، تدفع خوادم الذكاء الاصطناعي الطلب على الكهرباء إلى مئات الميغاواط وحتى جيغاواط، وقد أعادت الولايات المتحدة إثارة موجة من طلبات التوربينات الغازية لملء السعة المضافة إلى الشبكة.

يمكن القول إنه مع انتشار إنفاق رأس المال على الذكاء الاصطناعي من وحدات معالجة الرسومات نحو شبكات الضوء وأنظمة الطاقة، بدأت اثنان من المعادن الصغيرة التي كانت مخفية في أعمق مستويات سلسلة التوريد تُعاد إلى طاولة النقاش.

والأكثر إثارةً للانتباه، وفقًا لـ IEEE، أن بلادنا تمثل ما يقارب 100% من إنتاج هذين المعدنين الصغيرين.

بعبارة أخرى، فإن المكاسب الناتجة عن توسيع إنتاج مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي داخل وخارج البلاد قد لا تقتصر فقط على الجوانب البارزة مثل وحدات معالجة الرسوميات، ووحدات الضوء، ومعدات الطاقة.

استمر في التنقيب أعلى سلسلة التوريد، لدينا أوراق مخزنة بين أيدينا.

كيف يشارك الإربيوم واليتريوم في بناء مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي؟

بعد ذلك، سننظر إليها واحدة تلو الأخرى.

رمز عنصر الإربيوم هو Er، وعدد ذريه 68، وهو من المعادن النادرة الثقيلة من سلسلة اللانثانيدات.

△

أقرب علاقة له بمركز بيانات الذكاء الاصطناعي تحدث في شبكات الألياف البصرية الطويلة بين مراكز البيانات.　

من المعروف أن مراكز البيانات اليوم لم تعد مجرد مبنى يحتوي على خوادم متعددة.

مع استمرار زيادة حجم كتل الذكاء الاصطناعي الفردية، بدأت موارد التدريب والاستنتاج والتخزين في التوزيع عبر مجمعات مختلفة وحتى مدن ودول مختلفة، مما أدى إلى ارتفاع هائل في كمية تبادل البيانات بين مراكز البيانات.

على سبيل المثال، قامت جوجل ببناء شبكة خاصة واسعة النطاق تربط مراكز بياناتها العالمية، باستخدام الألياف البصرية المنتشرة على اليابسة وفي قاع البحر كهيكل أساسي.

هذه السنة، تجاوز الطول الإجمالي للألياف البصرية في هذا الشبكة 10 ملايين كيلومتر، ويربط 43 منطقة لـ Google Cloud.

وتوفر هذه الروابط الألياف البصرية التي تمتد مئات أو آلاف الكيلومترات مشكلة بسيطة للغاية: كلما انتقل الضوء مسافة أطول، أصبح الإشارة أضعف.

لفهم أفضل دور الإربيوم هنا، نقوم بعرض مبدأ الاتصالات الضوئية.

بعد مغادرة البيانات لمراكز البيانات، يتم ترميزها كنبضات ليزر متغيرة بسرعة، وتنقل عبر الألياف البصرية إلى العقدة التالية.

لكن المشكلة هي أنه حتى مع أن الألياف الكوارتز الحديثة قد خفضت الخسارة إلى حد كبير، فإن الإشارة لا تزال تتدهور مع زيادة مسافة النقل.

بعد أن تُنقل إشارة البيانات لمسافات عشرات أو مئات الكيلومترات، يجب تقوية الإشارة مرة أخرى.

سابقًا، كانت الممارسة الشائعة هي "ضوء-كهرباء-ضوء"، أي تحويل إشارة الضوء أولاً إلى إشارة كهربائية، ثم تضخيمها ومعالجتها، ثم تحويلها مرة أخرى إلى ضوء لإرسالها.

لكن في شبكات الألياف الضوئية الحديثة DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)، يمكن لخيط ألياف واحد نقل عشرات وحتى مئات الإشارات بطول موجي مختلف في نفس الوقت.

إذا كان يجب تحويل كل مسار أولاً إلى كهرباء، ثم معالجته، ثم تحويله مرة أخرى إلى ضوء، فلن تصبح الأجهزة معقدة فحسب، بل سترتفع أيضًا التكلفة والاستهلاك الطاقي.

At this point, the erbium-doped fiber amplifier, or EDFA, comes into play.

على وجه التحديد، في EDFA، يُدمج المهندسون كمية صغيرة من أيونات Er³⁺ في قطعة صغيرة من الألياف، ثم يتم "ضخ"ها باستخدام ليزر بطول موجي 980 نانومتر أو 1480 نانومتر.

بعد امتصاص أيونات الإربيوم للطاقة ودخولها إلى الحالة المثارة، عندما يمر إشارة الضوء للاتصالات، تطلق فوتونات جديدة عبر الانبعاث المحفز، مما يعزز إشارة الضوء الأصلية مباشرة.

من الواضح أن هذا يقلل مباشرة من عملية تحويل الضوء إلى كهرباء.

الأمر الأكثر إثارة هو أن النطاق الذي يعمل فيه الإربيوم بأفضل شكل يقع بالقرب من 1550 نانومترًا، وهو بالضبط أحد النوافذ الأكثر استخدامًا للاتصالات الطويلة المدى وأقلها خسارة في الألياف الكوارتزية الحديثة.

بالإضافة إلى ذلك، وفقًا لبيانات الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU)، يمكن لـ EDFA تضخيم عدة إشارات ضوئية بأطوال موجية مختلفة في وقت واحد، دون الحاجة إلى تحويل الضوء إلى إشارة كهربائية لكل قناة على حدة.

لذلك، في الشبكات الأرضية الرئيسية وكابلات الألياف البصرية البحرية وربط مراكز البيانات عبر المناطق، أصبح EDFA جهازًا أساسيًا ناضجًا جدًا.

بمعنى آخر، فإن العلاقة المنطقية بين الإربيوم ودورة توسيع مراكز البيانات الخاصة بالذكاء الاصطناعي هذه تكمن في أن زيادة عدد مراكز البيانات وتباعد توزيع قوة الحوسبة يؤدي إلى زيادة الحاجة إلى بناء وترقية شبكات الضوء الطويلة المدى، مما يرفع الطلب على EDFA.

ومع ذلك، يجب ملاحظة أن الإربيوم يستفيد بشكل رئيسي من الاتصالات الضوئية متوسطة وطويلة المدى، وليس من الاتصالات القصيرة داخل الخزائن التي تبلغ بضعة عشرات أو مئات الأمتار.

إضافةً إلى ذلك، لا يُعد EDFA غير قابل للتعويض تمامًا.

وفقًا لبيانات ITU، يمكن لمحولات رامان، ومحولات الضوء شبه الموصلية (SOA)، وحتى أجهزة إعادة التوليد O/E/O التي تتطلب تحويلًا ضوئيًا-كهربيًا، أن تؤدي وظائف تضخيم أو تمديد الروابط بأشكال مختلفة بالإضافة إلى EDFA.

في شبكات الألياف البصرية الطويلة الفعلية، توجد أيضًا حلول تضخيم هجينة تجمع بين رامان وEDFA.

لكن بعد عقود من التصنيع، أصبح EDFA أكثر مسارات التقنية نضجًا.

رمز العنصر يتربيوم هو Y، ورقم ذريه 39.

على الرغم من أنه لا ينتمي إلى عناصر اللانثانيد، إلا أنه نظرًا لتشابه خصائصه الكيميائية مع المعادن النادرة الثقيلة، وكونه غالبًا ما يوجد معها في نفس المكامن، فإنه يُصنف عادةً ضمن نظام المعادن النادرة في الصناعة.

العلاقة بين اليتريوم ومركز البيانات هي أساسًا نظام الطاقة الذي يزود مركز البيانات بالكهرباء.

لا داعي للإطالة، الجميع يعلم كم تستهلك مراكز البيانات من الكهرباء.

يتوقع مختبر لورنس بيركلي الوطني الأمريكي أن تصل استهلاك مراكز البيانات إلى حوالي 11.8% من الكهرباء في الولايات المتحدة بحلول عام 2030.

كما ترى إدارة معلومات الطاقة الأمريكية أنه مع النمو السريع في استهلاك الطاقة من مراكز البيانات، فسيتحمل توليد الغاز الطبيعي جزءًا كبيرًا من الطلب الإضافي على الكهرباء.

في تقريرها السنوي لعام 2025، ذكرت جي فيرنوفا، العملاقة في مجال التوربينات الغازية، مباشرةً أن مراكز البيانات تُعد من العوامل المحركة الرئيسية لنمو الطلب على التوربينات الغازية.

وبالتالي، بدأ توسيع إنتاج مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي في الانتشار تصاعديًا نحو الأعلى:

بعد نقص وحدات معالجة الرسوميات، يليه نقص المحولات، ثم عدم كفاية سعة الشبكة الكهربائية، وعندما لا تواكب الشبكة الكهربائية سرعة بناء مراكز البيانات، تبدأ الشركات في البحث مباشرة عن الكهرباء من جانب توليد الطاقة.

لقد عادت محركات الغاز إلى الانتشار مرة أخرى.

ببساطة، تعمل محركات الغاز على حرق الغاز الطبيعي لإنتاج غازات ساخنة تدفع التوربين للدوران، مما يحرك المولد لإنتاج الكهرباء.

ولزيادة كفاءة التوربينات الغازية، هناك طريقة بسيطة جدًا: حرقها بدرجة حرارة أعلى.

من الناحية الديناميكا الحرارية، كلما ارتفعت درجة حرارة الغاز، زادت فرصة كفاءة المحرك في الاستمرار في الارتفاع. لكن المشكلة هي أنه عندما ترتفع درجة الحرارة، لا تستطيع شفرات التوربين التحمل.

لذلك، لجعل شفرات التوربين أكثر مقاومة للحرارة، يأتي أحد أبطالنا اليوم، الإيتريوم.

حاليًا، تُستخدم أكسيد الإتريوم المستقر بأكسيد الزركونيوم (YSZ) بشكل رئيسي كطلاء عازل حراري.

يتم مبدأه بإضافة حوالي 6%–8% من أكسيد الإيتريوم إلى أكسيد الزركونيوم.

على الرغم من أن أكسيد الزركونيوم النقي يمتلك معدل توصيل حراري منخفض ومناسب جدًا للعزل الحراري، إلا أنه يخضع لتحولات في البنية البلورية مع التغيرات المتكررة في درجة الحرارة، مصحوبة بتغيرات في الحجم، مما يؤدي بسهولة إلى تشقق الطلاء أو تقشره بعد دورات متكررة.

بعد إضافة أكسيد الإيتريوم، يدخل Y³⁺ إلى شبكة أكسيد الزركونيوم ويشكل فراغات أكسجين كافية، مما يُثبّت البنية البلورية عالية الحرارة لأكسيد الزركونيوم ويجعله يحافظ على استقرار أفضل أثناء دورات التبريد والتسخين المتكررة.

يُنتج YSZ النهائي قادرًا على العزل الحراري وتحمل درجات الحرارة العالية على المدى الطويل والدورات الحرارية المتكررة، مما يعادل ارتداء شفرات التوربين الغازي درعًا خزفيًا عازلًا للحرارة.

هذا الطبقات يمكن أن تقلل درجة الحرارة الفعلية التي تتحملها شفرات المعدن أسفلها، وتقلل استهلاك الهواء التبريد، مما يسمح لمحركات الغاز بالعمل عند درجات حرارة أعلى.

في تجارب مقارنة مبكرة، قارنت ناسا بين أكسيد الإتريوم وأكسيد المغنيسيوم وأكسيد الكالسيوم لاستقرار أكسيد الزركونيوم، وخلصت في النهاية إلى أن أكسيد الإتريوم المستقر لأكسيد الزركونيوم هو الخيار الأمثل من بين الثلاثة من حيث المتانة الشاملة وتكاليف التصنيع.

إذًا، لتلخيص ذلك، منطق مركز البيانات الذي تناوله يترتب على:

كلما قلّت الكهرباء في مراكز البيانات → زادت الحاجة إلى توليد كهرباء جديد → زادت طلبات التوربينات الغازية → زاد الطلب على الشفرات عالية الحرارة وطلاءات العزل الحراري → وينتقل هذا التأثير صعودًا إلى أكسيد الإتريوم.

Of course, this chain is longer than erbium.

كما أن ليس كل مركز بيانات يمتلك توربين غازي خاص به، فالطاقة الغازية هي مجرد أحد مصادر الطاقة الإضافية لمراكز البيانات.

في الوقت نفسه، يمكن تجربة أكسيد المغنيسيوم وأكسيد الكالسيوم ومواد عازلة حرارية جديدة أكثر تطورًا كبديل لـ YSZ.

لكن حاليًا، يظل أكسيد الإيتريوم يحتفظ بحاجز للاختبار والتحقق الهندسي على المدى القصير.

انظر أخيرًا إلى جانب العرض.

بصراحة، على الرغم من أن بلادنا تمتلك معظم مناجم الإربيوم واليتريوم في العالم، فإن الفرق الحقيقي يكمن في قدرات الفصل والمعالجة اللاحقة.

بما أن العناصر النادرة تُخلط غالبًا معًا وتشترك في خصائص كيميائية متشابهة جدًا، فإن فصل الإربيوم واليتريوم بشكل منفصل وتحقيق نقاء صناعي عالٍ يتطلب عادةً عشرات وحتى مئات من خطوات الاستخلاص بالمذيبات، مما يتطلب متطلبات عالية فيما يتعلق بالخط الإنتاجي والتقنيات والخبرة.

وفقًا لبيانات مسح المسح الجيولوجي الأمريكي، فإن 93% من مركبات الإتريوم المستوردة من قبل الولايات المتحدة بين عامي 2020 و2023 جاءت مباشرة من الصين، مع اعتماد صافٍ على الاستيراد بنسبة 100%؛

وفقًا لـ IEEE، لا توجد تقريبًا أي شركات خارج الصين قادرة على إنتاج أكسيد الإربيوم بحجم تجاري.

لذلك، فإن الميزة الحقيقية لبلدنا لا تكمن فقط في مرحلة التعدين، بل أكثر في قدرتها الصناعية على تحويل خامات المعادن النادرة بشكل مستقر إلى مواد عالية النقاء مثل الإربيوم واليتريوم بعد الفصل والتنقية.

ومع نمو الطلب الخارجي، إذا لم تتمكن الطاقة المحلية للفصل والتنقية من مجاراة هذا النمو، فقد يتحول هذا الميزة في سلسلة التوريد التي تتركز في المرحلة المتوسطة إلى فائض سعري خارجي أكبر.

ومع ذلك، من الضروري معرفة مسبقًا أنه كمعادن صغيرة، فإن الإربيوم واليتريوم هما سوقان صغيران جدًا.

بناءً على سعر الأكسيد الحالي والإنتاج المعلَن، يُقدّر حجم سوق المواد الخام العلوية للإربيوم واليتريوم عالميًا بحوالي 100 إلى 200 مليون دولار أمريكي في السنة العادية.

من حيث الإنتاج، تتوقع هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية أن إنتاج اليتريوم العالمي لعام 2025، مع التحويل إلى أكسيد اليتريوم، سيكون حوالي 10,000 إلى 15,000 طن فقط؛ ولا توجد إحصاءات عالمية موثوقة منفصلة لإربيوم، لكن السوق الإجمالي لا يتجاوز مستوى الآلاف من الأطنان.

Autrement dit, ce n'est pas un marché de matières premières de plusieurs centaines ou milliards de dollars, mais un petit marché de métaux avec une petite capitalisation et une offre fortement concentrée.

لذلك، بمجرد استمرار مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي في دفع زيادة إنتاج شبكات الألياف البصرية الطويلة المدى ومحركات الغاز، حتى لو لم يكن الكم المطلوب الإضافي كبيرًا بشكل ملحوظ، فقد يؤدي إلى تغييرات حدية ملحوظة داخل هذا السوق الصغير.

Of course, erbium and yttrium are not irreplaceable; the actual incremental value AI will ultimately bring still needs to be observed.

رابط المرجع

[1]https://spectrum.ieee.org/rare-earth-shortage?itm_source=homepage&itm_medium=hero&itm_campaign=hero-2026-08-27&itm_content=hero2

[2]https://ntrs.nasa.gov/citations/19760025104?utm_source=chatgpt.com

[3]https://www.gevernova.com/investors/annual-report/ceo-letter?utm_source=chatgpt.com

[4]https://www.itu.int/dms_pub/itu-t/opb/hdb/t-hdb-out.10-2009-1-pdf-e.pdf?utm_source=chatgpt.com

هذا المقال من حساب WeChat "Quantum Bit"، المؤلف: متابع التكنولوجيا المتقدمة