بزرگترین مشکل امروز در صنعت الکترونیک این است که چگونه صنعت تراشه همچنان از قانون مور پیروی کند؟ قانون مور مشاهدات بنیانگذار و مدیر عامل سابق اینتل یعنی گوردون مور است که هر دو سال تعداد‌ترانزیستور‌ها در مدار‌های متراکم دو برابر می‌شود. مشاهدات اولیه در اواسط دهه ۱۹۶۰ انجام شد و در ابتدا هر سال تعداد‌ترانزیستور‌ها دو برابر می‌شد. این قانون از این جهت مهم است که هرچه تراکم‌ترانزیستور تراشه بیشتر باشد (یعنی فضای قابل استفاده برای‌ترانزیستور‌های موجود در میلی متر مربع)، تراشه قدرتمندتر و دارای مصرف انرژی کمتری است.
قانون مور می‌گوید چگالی ترانزیستورها در یک تراشه در چند وقت یک‌بار دوبرابر می‌شود
قانون مور قانونی است که توسط گوردون مور، بنیانگذار و مدیرعامل سابق اینتل، در اواسط دهه ۱۹۶۰ بیان شد و البته در اواسط دهه ۱۹۷۰ اصلاح شد. این قانون اساساً بیان می‌کند که تراکم ترانزیستورهای روی تراشه (تعداد ترانزیستورها در یک میلی‌متر مربع) باید هر چند وقت یک‌بار دو برابر شود. در چند سال گذشته، تولیدکنندگان تراشه توانستند هر دو سال به کمتر از ۱۰۰ درصد رشد یعنی همان مقدار دو برابر برسند، اگرچه همین‌قدر پیشرفت نیز مزایای بسیار زیادی داشته است. به‌عنوان مثال، گفته می‌شود که چگالی ترانزیستور ۵ نانومتری جدید ای ۱۴ بایونیک اپل حدود ۱۳۴ میلیون است و این در حالی است که تراشه ۷ نانومتری ای ۱۳ بایونیک حدود ۹۰ میلیون ترانزیستور دارد. این افزایش ۴۹ درصدی را در دو نسل تراشه‌های اپل نشان می‌دهد.
تیم تحقیق مواد جدیدی را کشف کرده اند که ممکن است قانون مور را زنده نگه دارد
بگذارید یک نمونه را مثال بزنیم. تراشه اپل‌ای ۱۳ بایونیک توسط شرکت تولیدکننده نیمه هادی تایوان (تی اس‌ام سی) در سال ۲۰۱۹ با استفاده از‌گره فرآیند ۷ نانومتری ریخته‌گری تولید شد. تراکم‌ترانزیستور‌ای ۱۳ بایونیک نزدیک به ۹۰ میلیون در هر میلی متر مربع است و سری آیفون ۱۱ را با ۸٫۵ میلیارد‌ترانزیستور تأمین می‌کند. تی اس‌ام سی از‌گره فرایند ۵ نانومتری خود برای تولید‌ای ۱۴ بایونیک در سال ۲۰۲۰ استفاده کرد. این تراشه ۱۳۴ میلیون‌ترانزیستور را در یک میلی متر مربع در خود دارد و ۱۱٫۸ میلیارد‌ترانزیستور را برای استفاده فراهم می‌کند. پیش بینی می‌شود که سال آینده، تی اس‌ام سی تولید مدار‌های یکپارچه ۳ نانومتری را شروع کند و هر دو شرکت تی اس‌ام سی و سامسونگ نقشه راهی برای کاهش خط تولید به ۲ نانومتر ایجاد کرده اند.
کارخانه‌های تی اس ام سی و سامسونگ هنوز از قانون مور پیروی می‌کنند. شرکت تی اس ام سی برای تولید تراشه‌های ۳ نانومتری خود در اواخر سال جاری آماده می‌شود و سپس تولید انبوه این تراشه‌ها را در نیمه دوم سال ۲۰۲۲ آغاز کند. انتظار می‌رود در مقایسه با تراشه‌های ۵ نانومتری، تراشه‌های ۳ نانومتری تی اس ام سی عملکرد کلی تراشه را ۱۰ تا ۱۵ درصد افزایش دهند یا مصرف انرژی را ۲۵ تا ۳۵ درصد کاهش دهند.
اگر نگران هستید که تراشه‌های آینده دارای جهش پردازشی کمتری نسبت به نسل قبل باشند، باید بدانید که طبق گزارش زد دی نت، دانشگاه ساسکس در انگلیس راهی برای ارائه فناوری‌های خاصی مانند ترانزیستور به نانو مواد کشف کرده است. نانو مواد موادی با اندازه واحد بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر هستند. ماده‌ای که در واقع توسط این دانشگاه استفاده شده، گرافن است که به‌صورت «یک لایه اتمی منفرد از اتم‌های کربن که در یک شبکه شش‌ضلعی مرتب شده‌اند» تعریف می‌شود. با جمع شدن لایه گرافن مانند کاغذهای اوریگامی، مواد حاصله دارای مشخصات خاصی مانند اجزای الکترونیکی استفاده‌شده روی تراشه‌ها می‌شود. این کشف جدید می‌تواند تولید ریزتراشه‌های کوچک با ویژگی‌های خاص را فراهم کند که می‌تواند باعث تولید تلفن‌های همراه سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر شود. اندازه ریزتراشه‌هایی که می‌توانند از نانو مواد ساخته شوند، بسیار کوچک است و باعث می‌شوند تا فضای بیشتری در داخل دستگاه باقی بماند تا تراشه‌های بیشتری در آن جای بگیرند.
به نظر می‌رسد که گرافن به دلیل توانایی هدایت الکتریسیته، ماده‌ای است که برای چنین پروژه‌ای انتخاب شده است. برخی از منابع تغذیه موبایل از باتری‌های کامپوزیتی گرافن برای کاهش زمان شارژ استفاده می‌کنند. با استفاده از گرافن می‌توان سرعت شارژ باتری‌های لیتیوم یون را تا پنج برابر افزایش داد. بنابراین، یک باتری لیتیوم یونی که نیاز به شارژ یک ساعته دارد، می‌تواند در مدت‌زمان ۱۲ دقیقه به‌طور کامل شارژ شود. مقاومت نانو مواد ۲۰۰ برابر بیشتر از فولاد و وزن آن‌ها ۶ برابر کمتر از فولاد است. سامسونگ حق ثبت اختراع تراشه‌های مبتنی بر گرافن را در کره جنوبی و ایالات متحده دارد.
از گرافن در نهایت ممکن است برای تولید مواد دیگری که در تلفن‌های هوشمند وجود دارد نیز استفاده شود که باعث کاهش وزن تلفن‌های استفاده‌کننده از این مواد می‌شود. چند سال پیش، یک شرکت تحقیقاتی کره جنوبی توانست از گرافن برای ساخت نمایشگرهای اولد استفاده کند. ماه گذشته شرکتی به نام اپیر اعلام کرد تلفن‌های همراه ۵ جی را با استفاده از باتری گرافن روانه بازار می‌کند. این اولین تلفن همراه ساخته‌شده با این ویژگی و سبک‌ترین گوشی هوشمند ۵G خواهد بود. انتظار می‌رود این گوشی ماه آینده و توسط فاکسکان تولید شود. انتظار می‌رود این شرکت در شش ماه اول ۱ میلیون دستگاه را به فروش برساند. این دستگاه از فناوری ضدآب جدید و ابتکاری استفاده خواهد کرد. شرکت اپیر به خاطر ساخت پاور بانک موبایل گرافن سوپر ۲۰ مشهور است که از فناوری اختصاصی شارژ سریع باتری این شرکت برای شارژ باتری در ۲۰ دقیقه استفاده می‌کند. این شرکت به‌زودی فناوری باتری گرافن خود را در تلفن‌های هوشمند استفاده خواهد کرد.
با کوچکتر شدن اندازه ترانزیستورها، صنعت تراشه به‌سختی توانسته از قانون مور پیروی کند
اما بعد از‌گره فرآیند ۲ نانومتر و بالاتر چه اتفاقی می‌افتد؟ بسیاری از تحلیلگران می‌گویند گرچه قانون مور همچنان تحقق یافته است و فن‌آوری‌های جدید زمینه تداوم آن را فراهم کرده اند، اما قانون مور در واقع در حال مردن است. در گزارشی که توسط مواد طبیعی (از طریق فیز دات او آر جی) منتشر شد، محققان اظهار داشتند که آن‌ها در حال کار بر روی نوع جدیدی از مواد هستند که می‌تواند تراشه را خنک نگه دارد حتی اگر اندازه کوچک شود. مدیریت گرمای تولید شده با قرار دادن مدار‌های بیشتر روی تراشه‌های کوچکتر یکی از مشکلات طراحان و تولیدکنندگان تراشه است. این یک مشکل اساسی است، زیرا نه تنها تعداد مدار‌ها بیشتر می‌شود، بلکه اندازه تراشه نیز کوچکتر شده و‌ترانزیستور‌ها نیز نزدیکتر می‌شوند. این امر باعث می‌شود که برای جلوگیری از آسیب دیدن مدار، گرما در سطح تراشه پخش شود.
لایه عایق مورد استفاده در تراشه، جریان را از مدار می‌گیرد. به این عایق دی الکتریک کم کی گفته می‌شود. سازمان فیزیکی کار‌های لازم برای جلوگیری از خوردگی و تداخل سیگنال را انجام داده و آن‌ها را قهرمانانی خاموش نام‌گذاری کرده است که استفاده از آن‌ها را در همه محصولات الکترونیکی ممکن می‌سازد. محققانی که در تحقیقات جدید مواد تحقیق می‌کنند، پاتریک‌ای هاپکینز، استاد گروه مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه ویرجینیا و ویل دیچتل، استاد گروه شیمی دانشگاه نورث وسترن هستند.
کارخانه‌های ریخته‌گری تی اس ام سی و سامسونگ تراشه‌های پیشرفته تولیدشده با استفاده از معماری ۵ نانومتری و ۷ نانومتری را ارائه می‌دهند. بر اساس تراکم ترانزیستورها (تعداد ترانزیستورها در یک میلی‌متر مربع)، هرچه رقم نوع معماری کمتر باشد، عملکرد و بازده انرژی تراشه بالاتر است. این صنعت در سال جاری ساخت تراشه‌های ۵ نانومتری را با ای ۱۴ بایونیک اپل آغاز کرد که اولین مدار مجتمع ۵ نانومتری است که در یک تلفن هوشمند استفاده شده است.
پیش‌بینی شده است که اپل به لطف معرفی تراشه‌های ای ۱۴ بایونیک، ای ۱۵ و ام ۱ و با اختصاص دادن ۵۳ درصد تولید تراشه‌های ۵ نانومتری به خود، به بزرگترین مشتری شرکت تی اس ام سی برای این نوع تراشه‌ها در سال جاری تبدیل خواهد شد. تراشه‌های دارای معماری ۵ نانومتری امسال ۵ درصد ظرفیت تولید ویفرهای ۱۲ اینچی را تشکیل می‌دهد، در حالی که این موضوع در سال گذشته کمتر از ۱ درصد بود. کانترپوینت معتقد است که کوالکام ۲۴ درصد از حجم تولید تراشه‌های ۵ نانومتری تی اس ام سی را به خود اختصاص داده است زیرا انتظار می‌رود اپل از مودم ۵ نانومتری اسنپدراگون ۵ جی ایکس ۶۰ کوالکام در آیفون ۱۳ استفاده کند. در سال ۲۰۲۱، تی اس ام سی و سامسونگ ۹۰ درصد تجهیزات ۵ نانومتری را تولید خواهند کرد. درآمد تجارت تولید تراشه‌های ۵ نانومتری در سال جاری ۱۰ میلیارد دلار است.
برخلاف ویفرهای ۵ نانومتری که ۸۰ درصد این نوع ویفرها در تلفن‌های هوشمند استفاده می‌شود، تراشه‌های دارای معماری ۷ نانومتری در زمینه‌های بیشتری مورد استفاده قرار می‌گیرند. این موضوع در حالی است که تلفن‌های هوشمند فقط ۳۵ درصد از این نوع تراشه‌ها را استفاده می‌کنند. کانترپوینت پیش‌بینی کرده است که تراشه‌های دارای معماری ۷ نانومتری ۱۱ درصد از ویفرهای ۱۲ اینچی امسال را تشکیل خواهند داد. تی اس ام سی و سامسونگ هر دو تراشه ۷ نانومتری تولید می‌کنند، از جمله آن‌هایی که با استفاده از فناوری ای یو وی ساخته شده‌اند. لیتوگرافی ماوراءبنفش شدید با استفاده از این پرتوها، الگوهای بسیار نازکی را روی ویفرها حک می‌کند تا به مهندسان در ایجاد مدار مورد نظر کمک کند. استفاده از فناوری ای یو وی به صنعت ریخته‌گری کمک کرده تا معماری تراشه‌های ساخت خود را به ۵ نانومتر در حال حاضر کاهش دهند و البته تولید انبوه تراشه‌های دارای معماری ۳ نانومتری از سال آینده آغاز خواهد شد.
امسال، بزرگترین مشتری اصلی معماری ۷ نانومتری تی اس ام سی شرکت ای ام دی خواهد بود. طبق گزارش کانترپوینت، شرکت ای ام دی ۲۷ درصد از ظرفیت تولید این نوع تراشه‌ها را به خود اختصاص خواهد داد. پس از آن شرکت انویدیا با ۲۱ درصد، مدیاتک با ۱۰ درصد، و اینتل با ۷ درصد در رتبه‌های دوم تا چهارم قرار دارند. این نوع معماری مشتریان خاص خود را دارد اما از نظر قدرت پردازشی معماری‌های مختلف، توانایی‌های آن از تراشه‌های پیشرو تی اس ام سی و سامسونگ کمتر است. این شرکت تحقیقاتی در ادامه گفت که تصمیم اینتل برای استفاده از شرکت‌های دیگری مثل تی اس ام سی برای ساخت تراشه‌های خود شرط لازم برای بقای طولانی‌مدت این تولیدکننده تراشه است. اپل امسال ۶ درصد از تولید تراشه‌های ۷ نانومتری تی اس ام سی را به خود اختصاص خواهد داد، زیرا برخی از تلفن‌های قدیمی این شرکت هنوز از تراشه‌های ۷ نانومتری استفاده می‌کنند.
محققان موفق به تولید ورقه‌های پلیمری با ضخامت تنها یک اتم برای ساخت تراشه شده‌اند
هاپکینز گفت:
دانشمندان همیشه بدنبال مواد دی الکتریک کم کی هستند که بتواند مشکلات انتقال حرارت داخلی و فضایی در مقیاس کوچک را حل کند. اگرچه ما راهی طولانی را طی کرده‌ایم، برای اینکه پیشرفت‌های جدیدی انجام دهیم، راه زیادی در پیش نخواهیم داشت. در این پروژه، ما از اصول و اصول مهندسی مکانیک، شیمی، علوم مواد، مهندسی برق و سایر زمینه‌ها برای حل یک مسئله بسیار دشوار استفاده می‌کنیم و نمی‌توانیم آن را به تنهایی حل کنیم.
نانو مواد موادی با اندازه واحد بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر هستند. ماده‌ای که در واقع توسط این دانشگاه استفاده شده، گرافن است که به‌صورت «یک لایه اتمی منفرد از اتم‌های کربن که در یک شبکه شش‌ضلعی مرتب شده‌اند» تعریف می‌شود. با جمع شدن لایه گرافن مانند کاغذهای اوریگامی، مواد حاصله دارای مشخصات خاصی مانند اجزای الکترونیکی استفاده‌شده روی تراشه‌ها می‌شود. این کشف جدید می‌تواند تولید ریزتراشه‌های کوچک با ویژگی‌های خاص را فراهم کند که می‌تواند باعث تولید تلفن‌های همراه سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر شود. اندازه ریزتراشه‌هایی که می‌توانند از نانو مواد ساخته شوند، بسیار کوچک است و باعث می‌شوند تا فضای بیشتری در داخل دستگاه باقی بماند تا تراشه‌های بیشتری در آن جای بگیرند.
دیکل توضیح داد که این تیم برای ایجاد تراشه‌های کوچکتر چه کاری انجام می‌دهد:
ورق پلیمری که به دست آوردیم فقط یک اتم ضخامت دارد (ما آن را دو بعدی مینامیم) و با تراز کردن آن با یک ساختار خاص تراز می‌شود. کنترل عملکرد آن به صورت لایه لایه است. فیلم پلیمری ۲ بعدی باعث می‌شود این پروژه به اتمام برسد. این ماده دارای قابلیت هدایت کم یا کم کی و قابلیت انتقال حرارت بالا است.
ما در لایه گرافن پیچ‌وخم ایجاد می‌کنیم. این کار کمی شبیه به تولید کاردستی نانو اوریگامی است. این فناوری «استراتینترونیک» از مواد نانو به‌جای استفاده از الکترونیک استفاده می‌کند که می‌توانند فضای بیشتری را برای تراشه‌ها در هر دستگاهی در اختیار سازندگان بگذارد. همه کارهایی که قصد داشته باشیم با کامپیوتر انجام دهیم، با کوچک شدن گرافن، با سرعت بیشتری انجام می‌شوند.
نقشه راه بین المللی نیمه هادی، ترکیبی از توابع ذکر شده توسط دیکل را ذکر می‌کند که برای ایجاد نسل بعدی مدار‌های مجتمع ضروری است. آستین ایوانز، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه دیکل، گفت:
در این پروژه، ما بر عملکرد حرارتی این دسته از مواد جدید تمرکز کردیم. این پروژه جالب است اما بسیار هیجان انگیز نیز است، ما فقط در حال کاوش در این مورد هستیم. ترکیبی بی‌نظیر از خواص مواد جدید پتانسیل فن‌آوری. به نظر می‌رسد افزایش عمر قانون مور یکی از آن‌ها باشد.
منبع: PhoneArena
نظرات