صراع الترانزستورات – (2)
الله بالخير
من المفاهيم التي أصبحت اكثر تعقيدا في صناعة الترانزستور هي دقة التصنيع Process Node , حيث في المنشور السابق قلنا انها تمثل المسافة بين الترانزستورات على الرقاقة , بجزء معين يعتبر هذا التعريف صحيح , ورغم ذلك ان هذا المفهوم اصبح تسويقي (جيل الترانزستور ) ومعقد اكثر , لكن مع بدايات صناعة الترانزستور كان يقصد به المسافة بين العناصر الفعالة داخل الترانزستور , لحظة شنو تقصد بالعناصر الفعالة ؟
ولفهم عناصر الترانزستور وكيف يعمل , دعونا نأخذ مثال بسيط وهو لدينا سيارة ( تمثل الترانزستور) وفيها خزان الوقود ويحتوي على الطاقة ( يمثل المصدر Source في الترانزستور وفيه الالكترونات يعني تيار كهربائي ) , هذا الخزان يرسل الوقود الى المحرك ( الذي يمثل المصرف Drain الذي ترسل اليه الالكترونات ) ودور المحرك تحريك السيارة بينما في الترانزستور يكون دور المصرف اشبه بالاخراج في اغلب أنواع الترانزستورات (هذه الأنواع تحتاج الى عدة منشورات لشرحها ) مثل (MOSFET ) او يكون المجمع Collector هو الإخراج مثل ترانزستور BJT . اما دواسة الوقود فهي تمثل البوابة التي تتحكم بكمية الوقود التي ترسل من الخزان الى المحرك , اما في الترانزستور فهي تمثل البوابة Gate التي تتحكم بكمية التيار الذي يمر من المصدر الى المصرف او المجمع , اما العنصر الرابع فهو الانبوب الذي يربط خزان الوقود مع المحرك الذي ينتقل خلاله الوقود(الالكترونات) , في عالم الترانزستور نسميه بالقناة Channel والعنصر الأخير هو الحاجز (العازل ).
طيب في المثال أعلاه تخيل لو قللنا المسافة بين الخزان والمحرك فأن عملية انتقال الوقود بين الخزان والمحرك ستكون اقصر و اسرع عند الضغط على دواسة الوقود وبالتالي يصبح حجم السيارة اصغر (نوعا ما ) , نفس الشي كلما صغرنا المسافة بين عناصر الترانزستور ( خصوصا طول القناة ) سيصبح اصغر واكثر كفاءة , هذه العملية نسميها بدقة التصنيع .
وعندما يصبح الترانزستور اصغر بالتالي فأنه سوف يحتاج الى طاقة اقل وأيضا نكون قادرين على زيادة عدد الترانزستورات على الرقاقة وهذا يعني زيادة بكثافة الترانزستورات على الرقاقة (Transistor Density ) – ويمكن ان نقول عنها هي عدد الترانزستورات التي نستطيع وضعها على مليمتر مربع !!!
تتخيل كم ترانزستور على هذه المساحة الصغيرة جدا نستطيع ان نضع ؟؟!!!
قبل ان نجيب , دعنا نسأل الى اي دقة تصنيع وصلوا ؟ سنة 2020 وصلوا الى 5 نانومتر , واستطاعت عملاق صناعة الرقائق TSMC التايوانية من انتاج رقائق تحوي ترانزستورات بهذه الدقة وأيضا هواوي وسامسونغ , وبعدها بفترة قليلة استطاعت Apple و TSMC في الوصول الى دقة تصنيع 3 نانومتر وأيضا شاومي , ثم بعد ذلك استطاعت IBM من تطوير رقاقة بدق تصنيع وصلت الى 2نانومتر !
نعود الى سؤالنا لو كانت دقة التصنيع 5 نانومتر كم ترانزستور ممكن ان نضع في المليمتر المربع الواحد ؟ 171 مليون ترانزستور !!!! طيب وماذا عن دقة التصنيع 3 نانومتر ؟ 250 مليون ترانزستور !!! تتخيل العدد ؟ يعني بحجم اظفرك نقدر نضع اكثر من مليار ترانزستور !
ماذا بعد ؟ عندما وصلوا الى 2 نانومتر توقفوا , لماذا ؟ لو تم تصنيع ترانزستور بدقة تصنيع 1 نانومتر من السليكون فهنا ستكون لديهم مشاكل مثل النفق الكمومي Quantum Tunnelling , يعني شنو ؟ الطبقة العازلة (الحاجز) داخل الترانزستور تصبح رقيقة جدا بحيث تستطيع جزء من الالكترونات العبور من خلالها حتى في حالة إطفاء الترانزستور وهذا يجعله غير قادر على الاغلاق . وبالتالي يصبح لدينا تسرب بالتيار ! وأيضا المشكلة الثانية ان السليكون لديه فجوة طاقة 1.1 الكترون فولت , وهذه الفجوة مناسبة تماما لجعل السليكون شبه موصل بالأحجام الاعتيادية , وعند 1 نانومتر تتقلص هذه الفجوة وبالتالي تحوله الى موصل وليس شبه موصل , والحل ؟
ان نترك السليكون ونستخدم مادة ثانية , وهذا ما نجحت فيه جامعة بيركلي الامريكية حيث استطاعت تصنيع ترانزستور بدقة تصنيع 1 نانومتر من مادة ثاني كبريتيد المولبيديوم MoS2 وهذا فقط في مجال البحث , لكن العيب هو صعوبة تطبيقة في المجال الصناعي كون البنية التحتية والتقنيات المستخدمة في صناعة الترانزستور متسخدمه مع السليكون وتحتاج المصانع الى تطويرها لتشمل تقنيات صناعية جديدة وهذه مجازفة مع مادة مشكوك بنجاحها , أيضا ممكن تكون فيه مشاكل مع الظروف الغير قياسية .
شركة انتل الامريكية صرحت انها سوف تكمل تصنيع ترانزستور بدقة 1 نانومتر سنة 2027 ! اغلب التوجهات البحثية اليوم نحو النانو تكنلوجي في صناعة الترانزستورات، وربما ينجحون وربما لا .
الصراع اليوم شديد في العالم في صناعة اصغر ترانزستور خصوصا بين الولايات المتحدة الامريكية والصين , صناعته يعني صناعة رقائق بكثافة ترانزسترية عالية جدا , وهذه الرقائق تدخل في صناعة كل شي اليوم ( خصوصا المجالات العسكرية ). .
والسلام