العشرين سنة القادمة من الرقائق الدقيقة

يتخطى مصممو الدوائر المتكاملة كل الحدود بهدف جعلها أصغر حجمًا وأسرع وأرخص

من قبل محرري مجلة ساينتفيك أمريكان

في عام 1975، صاغ رائد الإلكترونيات جوردون مور توقعه الشهير، والذي بموجبه سيتضاعف تعقيد رقائق الدوائر المتكاملة كل عامين. ستسمح التطورات في التصنيع للترانزستورات الموجودة على الشريحة بالانكماش أكثر فأكثر، بحيث يتعين على الإشارات الكهربائية أن تنتقل مسافات أصغر لمعالجة المعلومات. ومعنى "قانون مور" هذا، كما سمي فيما بعد، فيما يتعلق بصناعة الإلكترونيات والمستهلكين، هو أن الأجهزة المحوسبة ستصبح بشكل مطرد أصغر وأسرع وأرخص. وبفضل الابتكار المستمر في تصميم وتصنيع أشباه الموصلات، اتبعت الرقائق لمدة 35 عامًا مسارًا قريبًا جدًا من توقعات مور.

ومع ذلك، عرف المهندسون أنهم سيواجهون عقبة في مرحلة ما. سوف يصل سمك الترانزستورات إلى عشرات الذرات فقط، وعلى هذا المقياس تضع القوانين الأساسية للفيزياء حدودًا. حتى قبل الوصول إلى هذا الحاجز، كان من المحتمل أن تنشأ مشكلتان عمليتان: تكلفة وضع الترانزستورات صغيرة جدًا وكثيفة مع الحفاظ على إنتاجية عالية - عدد الرقائق القابلة للاستخدام مقابل عدد الرقائق المعيبة - يمكن أن تكون مرتفعة للغاية، والحرارة المتولدة نتيجة لذلك يمكن أن يكون تشغيل وإيقاف تشابك الترانزستور مرتفعًا جدًا حتى يؤدي إلى إتلاف المكونات نفسها.

وفي الواقع، واجه المهندسون هذه العقبات في السنوات الأخيرة. السبب الرئيسي وراء تسويق أجهزة الكمبيوتر الشخصية الآن وسط ضجة كبيرة على أنها تحتوي على شرائح "ثنائية النواة"، أي معالجين صغيرين في مكان واحد، هو أن ضغط العدد اللازم من الترانزستورات في شريحة واحدة وتبريدها أصبح مشكلة كبيرة . وبدلاً من ذلك، يختار مصممو الكمبيوتر وضع شريحتين أو أكثر جنبًا إلى جنب، وبرمجتهم لمعالجة المعلومات في وقت واحد.

يبدو أن يوم قانون مور قد أتى، وأن المساحة المتاحة للترانزستورات الموجودة على الشريحة بدأت تنفد. إذا كان الأمر كذلك، فكيف سيستمر المهندسون في إنشاء شرائح أكثر قوة؟ اثنان من الاحتمالات هما الانتقال إلى بنيات بديلة، وصقل المواد النانوية بحيث يمكن تجميعها ذرة بعد ذرة. الخيار الثالث هو خلق طرق جديدة لمعالجة المعلومات، بما في ذلك الحوسبة الكمومية والبيولوجية. في الصفحات التالية، سنلقي نظرة على مجموعة مختارة من التطورات، ومعظمها الآن في مرحلة النموذج الأولي وقد تستمر في الاتجاه "الأصغر والأسرع والأرخص" لمنتجات الحوسبة، والذي خدمنا بإخلاص حتى الآن، في العقدين المقبلين.

الحجم: عبور الخط

يبلغ عرض أصغر الترانزستورات التجارية المنتجة اليوم 32 نانومترًا فقط - أي حوالي 96 ذرة سيليكون. تدرك الصناعة أنه سيكون من الصعب جدًا إنشاء أجزاء أصغر من 22 نانومترًا داخل شريحة باستخدام تقنيات الطباعة الحجرية التقليدية، والتي تم تحسينها على مدار عقود.

يُعرف أحد الخيارات، الذي يتضمن أقسام دائرة ذات حجم مماثل ولكنه يوفر قوة حاسوبية أكبر، باسم "تصميم العارضة". بدلاً من إنتاج جميع الترانزستورات على مستوى واحد (على غرار السيارات العالقة في حركة المرور على ممرات طريق السيليكون السريع)، يتضمن نهج خطوط العرض مجموعة من الأسلاك النانوية المتوازية على مستوى واحد، والتي تمر عبر مجموعة ثانية من الأسلاك المتعامدة معها (مثل طريقين بزوايا قائمة). يتم وضع طبقة عازلة بسمك جزيء واحد بين المجموعتين. يمكن أن تعمل الوصلات العديدة بين الأسلاك كمفاتيح تسمى "الذاكرات" وتمثل 0 أو 1 (بتات أو أرقام ثنائية) بنفس طريقة الترانزستورات. ولكن يمكن للميمريستورات أيضًا تخزين المعلومات. يتيح الجمع بين هذه الإمكانات إجراء مجموعة متنوعة من العمليات الحسابية. في الأساس، يمكن للميرستور الواحد أن يقوم بعمل 10 أو 15 ترانزستورًا.

قامت مختبرات Hewlett-Packard (HP) بوضع نماذج أولية لتصميمات خطوط العرض باستخدام أسلاك من التيتانيوم والبلاتين بعرض 30 نانومتر باستخدام مواد وعمليات مشابهة لتلك التي تم تحسينها بالفعل في صناعة أشباه الموصلات. يعتقد باحثو الشركة أنه سيكون من الممكن تقليل الأسلاك إلى 8 نانومتر. وتقوم العديد من المجموعات البحثية الأخرى بإنشاء خطوط عرض من السيليكون والتيتانيوم وكبريتيد الفضة.

الحرارة: الثلاجات أو الرياح

عندما يعمل مليار ترانزستور على شريحة واحدة، يصبح التخلص من الحرارة المتولدة نتيجة تشغيلها وإيقافها تحديًا حقيقيًا. توجد في أجهزة الكمبيوتر الشخصية مساحة للمروحة، ولكن حتى هذه المروحة لا يمكنها تبريد الرقائق بشكل كامل: فهي قادرة على التعامل مع طاقة تبلغ حوالي 100 واط تنبعث كحرارة من كل شريحة. ولهذا السبب يقوم المصممون بتطوير طرق جديدة للتبريد. يتميز جهاز MacBook Air المحمول بهيكل أنيق مصنوع من الألومنيوم الموصل للحرارة، والذي يعمل كمشتت للحرارة. في جهاز كمبيوتر Apple Power Mac G5، يتدفق السائل عبر قنوات مجهرية محفورة في الجانب السفلي من شريحة المعالج.

ومع ذلك، فإن الجمع بين الإلكترونيات والسوائل أمر صعب، وفي الأجهزة الأصغر حجمًا والأكثر قابلية للحمل مثل الهواتف الذكية، لا يوجد ببساطة مكان للسباكة - أو المراوح. قامت مجموعة بحث تابعة لشركة إنتل بإنشاء شبكة فائقة من صفائح رقيقة من مادة البزموت التيلوريان ودمجها في طلاء الشريحة. تعمل هذه المادة الكهروحرارية على تحويل الاختلافات في درجات الحرارة إلى كهرباء وبالتالي تبريد الشريحة نفسها.

تنتج شركة Ventiva الناشئة، بناءً على بحث تم إجراؤه في جامعة بوردو، "مروحة" صغيرة بدون أجزاء متحركة تعتمد على جهاز الحالة الصلبة. يقوم الجهاز بإنشاء نسيم باستخدام تأثير يعرف باسم الرياح الأيونية - وهي ظاهرة تستخدم أيضًا في أجهزة تنقية الهواء المنزلية الصامتة. تمر الأسلاك الكهربائية بالتيارات عبر شبكة مقعرة قليلاً وتنتج بلازما على مقياس ميكرون. تقوم الأيونات المتكونة في هذا الخليط الشبيه بالغاز بتحريك جزيئات الهواء من الأسلاك نحو لوحة قريبة وإنشاء نسيم. تنتج هذه المروحة تدفق هواء أكبر من المراوح الميكانيكية التقليدية، كما أنها أصغر بكثير. يصنع مخترعون آخرون مراوح باستخدام محركات ستيرلينغ، التي تولد الرياح دون استهلاك الكهرباء (على الرغم من أنها لا تزال ضخمة الحجم نسبيًا). يتم تشغيل هذه المراوح من خلال الاختلافات في درجات الحرارة بين المناطق الساخنة والباردة على الشريحة.

الهندسة المعمارية: النوى المتعددة

يمكن للترانزستورات الأصغر حجمًا التبديل بسرعة أكبر بين حالتي إيقاف التشغيل والتشغيل، والتي تمثل 0 و1، مما يجعل الشريحة بأكملها أسرع. لكن معدل الساعة - عدد التعليمات التي تستطيع الشريحة معالجتها في الثانية الواحدة - استقر عند ما بين 3 و4 جيجا هرتز، عندما وصلت الرقائق إلى السقف الحراري. أدى السعي لتحقيق أداء أفضل في ظل قيود الحرارة والسرعة إلى قيام المصممين بوضع معالجين أو مركزين على نفس الشريحة. يعمل كل نواة بنفس سرعة المعالجات السابقة، ولكن نظرًا لأن النواتين تعملان بالتوازي، فإنهما قادران على معالجة المزيد من البيانات في نفس المقدار من الوقت، كما أنهما يستهلكان كهرباء أقل وبالتالي يتم توليد حرارة أقل. تتميز أحدث أجهزة الكمبيوتر الآن بمعالجات رباعية النواة، مثل معالجات Intel i7 أو AMD Phenom X4.

تشتمل أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم على آلاف النوى، ولكن في المنتجات الاستهلاكية، يتطلب الاستخدام الفعال حتى لعدد قليل من النوى تقنيات برمجة جديدة يمكنها تقسيم البيانات ومعالجة وتنسيق المهام. تمت صياغة أساسيات المعالجة المتوازية لأجهزة الكمبيوتر العملاقة في الثمانينيات والتسعينيات، وبالتالي فإن التحدي يكمن في إنشاء لغات وأدوات يمكن لمطوري البرامج استخدامها لكتابة تطبيقات للسوق الاستهلاكية. على سبيل المثال، قام قسم الأبحاث في Microsoft بإنشاء لغة البرمجة F#. ألهمت لغة مبكرة تسمى Erlang من قبل شركة Ericsson السويدية لغات جديدة، بما في ذلك Clojure وScala. وتشارك مؤسسات مثل جامعة إلينوي أيضًا في البرمجة المتوازية للمعالجات متعددة النواة.

إذا أمكن تحسين هذه الأساليب، فسوف تتمكن الأجهزة المكتبية والمحمولة من احتواء العشرات (أو أكثر) من المعالجات المتوازية، وكل منها سوف يحتوي على عدد أقل من الترانزستورات مقارنة برقائق اليوم، ولكنها ستعمل كمجموعة بشكل أسرع.

مواد أرق: الأنابيب النانوية والتجميع الذاتي

منذ عشر سنوات مضت، بدأ العديد من الخبراء في الثناء على تكنولوجيا النانو واعتبروها حلاً لجميع أنواع التحديات في الطب والطاقة وبالطبع في الدوائر المتكاملة أيضًا. ويزعم أتباعها أن صناعة أشباه الموصلات، التي تنتج الرقائق، هي التي جلبت مجال تكنولوجيا النانو إلى العالم من خلال إنشاء ترانزستورات أصغر فأصغر.

ومع ذلك، فقد نشأت توقعات أعلى من هذا المجال، وهي أن المهندسين سيكونون قادرين على تصميم الجزيئات كما يرغبون باستخدام أساليب تكنولوجيا النانو. على سبيل المثال، يمكن أن تكون الترانزستورات المصنوعة من أنابيب الكربون النانوية أصغر بكثير من تلك المستخدمة اليوم. وفي الواقع، نجح المهندسون في شركة IBM في إنشاء دائرة CMOS قياسية، حيث تتكون الركيزة الموصلة لها من أنابيب الكربون النانوية بدلاً من السيليكون. يقوم يورغ إيفنزلر من نفس الفريق، الذي يعمل الآن في جامعة بوردو، بتصميم ترانزستورات جديدة أصغر بكثير من أجهزة CMOS التي يمكنها الاستفادة من قاعدة الأنابيب النانوية الصغيرة.

قد يكون ترتيب الجزيئات وحتى الذرات مشكلة، خاصة في ظل الحاجة إلى ترتيب كميات كبيرة منها أثناء إنتاج الرقائق. قد يكون أحد الحلول هو جزيئات ذاتية التجميع: قم بخلطها معًا، وتعريضها للحرارة أو الضوء أو قوة الطرد المركزي، وسوف تتجمع ذاتيًا في نمط يمكن التنبؤ به.

أظهرت شركة IBM إنشاء دوائر ذاكرة من البوليمرات المرتبطة بروابط كيميائية. عندما يتم نسج الجزيئات على سطح السيليكون وتسخينها، فإنها تتمدد وتشكل بنية تشبه قرص العسل مع فوهات يبلغ حجمها 20 نانومتر فقط. يمكن بعد ذلك حرق هذا النمط على السيليكون وإنشاء شريحة ذاكرة بنفس الحجم.

الترانزستورات الأسرع: الجرافين الرقيق

الفكرة وراء التصغير المستمر للترانزستورات هي تقليل المسافة التي يجب أن تنتقلها الإشارات الكهربائية داخل الشريحة، وبالتالي تسريع معالجة المعلومات. ومع ذلك، هناك مادة معينة - الجرافين - قادرة على العمل بشكل أسرع بفضل بنيتها الطبيعية.

تستخدم معظم الرقائق المنطقية التي تعالج المعلومات ترانزستورات ذات تأثير ميداني مدمجة في تقنية CMOS. يمكن اعتبار الترانزستور عبارة عن كعكة ذات طبقة مستطيلة ضيقة، مع طبقة من الألومنيوم (أو مؤخرًا، متعدد السيليكون) في الأعلى، وطبقة أكسيد عازلة في المنتصف، وطبقة من السيليكون شبه الموصل في الأسفل. تم بناء الجرافين، وهو هيكل من الكربون تمكنوا من عزله مؤخرًا، على شكل ورقة مسطحة من الأشكال السداسية التي تشبه قرص العسل، ولكن سمكها ذرة واحدة فقط. عادة، يتم تكديس صفائح الجرافين فوق بعضها البعض لتشكيل معدن الجرافيت، وهو الشكل المألوف للكربون المستخدم في الكتابة بقلم الرصاص. في شكله البلوري النقي، يقوم الجرافين بتوصيل الإلكترونات بشكل أسرع من أي مادة أخرى في درجة حرارة الغرفة، وأسرع بكثير من الترانزستورات ذات التأثير الميداني. كما أن حاملات الشحنة تفقد طاقة قليلة جدًا نتيجة التشتت أو الاصطدام بالذرات الموجودة في الشبكة، وبالتالي يتم توليد حرارة متبقية أقل. ولم يتمكن العلماء من عزل الجرافين إلا في عام 2004، وبالتالي فإن العمل لا يزال في بداياته، لكن الباحثين مقتنعون بأنهم سيكونون قادرين على إنشاء ترانزستورات من الجرافين بعرض 10 نانومتر وارتفاع ذرة واحدة فقط. قد يكون من الممكن حفر عدد كبير من الدوائر على ورقة واحدة صغيرة من الجرافين.

الحوسبة البصرية: سريعة كالضوء

ونظرًا لأن البدائل الثورية لرقائق السيليكون لا تزال في مراحلها المبكرة، فإن الدوائر المناسبة للاستخدام التجاري قد تتأخر عقدًا آخر. ومع ذلك، فمن المحتمل أن يكون قانون مور قد استنفد نفسه بحلول ذلك الوقت، لذلك يجري العمل على أشكال أخرى من الحوسبة على قدم وساق.

في الحوسبة البصرية، لا تحمل الإلكترونات المعلومات، بل الفوتونات، وهي تفعل ذلك بشكل أسرع بكثير - بسرعة الضوء. لسوء الحظ، التحكم في الضوء أصعب بكثير من التحكم في الإلكترونات. كما ساعد التقدم المحرز في إنشاء المفاتيح الضوئية، من النوع الذي يتم وضعه على طول الكابلات الضوئية في خطوط الاتصال، في الحوسبة الضوئية. من المفارقات أن أحد التطورات الأكثر تقدمًا يهدف إلى إنشاء رابط بصري بين المعالجات التقليدية في الرقائق متعددة النواة. وبما أن النوى تعالج المعلومات في نفس الوقت، فلا بد من نقل كمية هائلة من البيانات فيما بينها، وقد تصبح الأسلاك الكهربائية الوسيطة عنق الزجاجة. الروابط الضوئية يمكن أن تحسن التدفق. يقوم الباحثون في مختبرات Hewlett-Packard باختبار النماذج التي قد تنقل المزيد من المعلومات بمقدار ضعفين.

وتعمل مجموعات أخرى على وصلات بصرية، والتي ستحل محل الأسلاك النحاسية الأبطأ التي تربط شريحة المعالج حاليًا بمكونات أخرى داخل الكمبيوتر، مثل شرائح الذاكرة ومحركات أقراص DVD. قام المهندسون في شركة إنتل وجامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا ببناء "أنابيب بيانات" بصرية من فوسفات الإنديوم والسيليكون باستخدام عمليات تصنيع أشباه الموصلات القياسية. ومع ذلك، فإن جميع رقائق الحوسبة الضوئية سوف تتطلب بعض الإنجازات الأساسية.

الحوسبة الجزيئية: المنطق العضوي

في الحوسبة الجزيئية، تمثل الجزيئات، وليس الترانزستورات، أجزاء من 0 و1. عندما يتعلق الأمر بجزيء بيولوجي، مثل الحمض النووي، تُعرف هذه الفئة باسم "الحوسبة البيولوجية" [انظر "الحوسبة البيولوجية: الرقائق الحية"]. من أجل الوضوح، عندما يتحدث المهندسون عن الحوسبة باستخدام جزيئات غير بيولوجية، فقد يطلقون عليها "المنطق الجزيئي" أو "الإلكترونيات الجزيئية".

يتكون الترانزستور الكلاسيكي من ثلاثة أجزاء منظمة مثل الحرف Y: المصدر والبوابة والصرف. يؤدي تطبيق جهد على البوابة (ضلع Y) إلى تدفق الإلكترونات بين المصدر والمصرف، مما يؤدي إلى إنشاء 1 أو 0. ومن الناحية النظرية، يمكن للجزيئات المتفرعة أن تتسبب في مرور الإشارة بطريقة مماثلة. قبل عشر سنوات، ابتكر باحثون في جامعتي ييل ورايس مفاتيح جزيئية تعتمد على البنزين باعتباره لبنة بناء.

يمكن أن تكون الجزيئات صغيرة جدًا، لذا فإن الدوائر المبنية منها يمكن أن تكون أصغر بكثير من دوائر السيليكون. ومع ذلك، فإن إحدى الصعوبات تكمن في إيجاد طريقة لإنتاج دوائر معقدة. ويأمل الباحثون أن يتم العثور على إحدى الإجابات في التنظيم الذاتي. في أكتوبر 2009، قام فريق من جامعة بنسلفانيا بتحويل بلورات الزنك وكبريتيد الكادميوم إلى دوائر شبكية فائقة من أشباه الموصلات المعدنية باستخدام التفاعلات الكيميائية فقط التي تشجع التجميع الذاتي.

الحوسبة الكمومية: تراكب 0 و 1

ستكون مكونات الدائرة المكونة من ذرات مفردة، أو إلكترونات، أو حتى فوتونات، أصغر ما يمكن. في مثل هذه الأبعاد، يتم التحكم في التفاعلات بين المكونات بواسطة ميكانيكا الكم، وهي القوانين التي تفسر السلوك الذري. قد تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية كثيفة وسريعة بشكل لا يصدق، ولكن من الناحية العملية، فإن تصنيعها وإدارة التأثيرات الكمومية التي تخلقها يمثل تحديات هائلة.

تتمتع الذرات والإلكترونات بخصائص يمكن أن توجد في حالات مختلفة في نفس الوقت وتنتج البت الكمي أو الكيوبت. يتم حاليًا اختبار العديد من الأساليب البحثية للتعامل مع الكيوبتات. أحد الأساليب، المعروف باسم الإلكترونيات السبينية، يستخدم الإلكترونات التي تدور لحظاتها المغناطيسية في أحد الاتجاهين؛ فكر في كرة تدور في اتجاه أو آخر (وبالتالي تمثل 1 أو 0). ومع ذلك، يمكن أن تتعايش الحالتان أيضًا في إلكترون واحد، مما يؤدي إلى إنشاء حالة كمومية فريدة تُعرف باسم تراكب 0 و1. مع حالات التراكب، تزداد كمية المعلومات التي يستطيع صف من الإلكترونات تمثيلها بشكل كبير مقارنة بحالة كمومية. صف من ترانزستورات السيليكون، القادرة على قبول حالات البت العادية فقط. ابتكر العلماء في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، عدة بوابات منطقية مختلفة عن طريق معالجة الإلكترونات في فوهات محفورة في الماس.

وفي نهج آخر، يجري بحثه في جامعة ميريلاند والمعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، يطفو صف من الأيونات بين الصفائح المشحونة، ويعكس الليزر الاتجاه المغناطيسي لكل أيون (أي الكيوبتات الخاصة به). ومن الممكن أيضًا التعرف على أنواع الفوتونات المختلفة التي يصدرها كل أيون وفقًا للاتجاه الذي يختاره.

وبصرف النظر عن ميزة التراكب، فمن الممكن أيضًا "تشابك" المكونات الكمومية. ترتبط حالات المعلومات عبر العديد من الكيوبتات، وبالتالي توفر العديد من الطرق القوية لمعالجة المعلومات ونقلها من مكان إلى آخر.

الحوسبة البيولوجية: الرقائق الحية

تستبدل الحوسبة البيولوجية الترانزستورات بهياكل توجد عادة في الكائنات الحية. ومن المثير للاهتمام بشكل خاص جزيئات الحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA)، التي تخزن بالفعل "البرنامج" الذي يدير حياة خلايانا. هذه رؤية مغرية للغاية، حيث أن شريحة بحجم ظفر الإصبع الصغير قد تحتوي بالفعل على مليار ترانزستور، لكن المعالج من نفس الحجم قادر على احتواء مليارات من خيوط الحمض النووي. ستقوم هذه الخيوط بمعالجة أجزاء مختلفة من مهمة الحوسبة في وقت واحد وتنضم معًا لتمثيل الحل. إن الشريحة البيولوجية، بصرف النظر عن حقيقة أن عدد المكونات فيها أكبر بعدة مراتب، ستكون أيضًا قادرة على إجراء معالجة متوازية للغاية.

تقوم الدوائر البيولوجية الأولية بمعالجة المعلومات عن طريق إنشاء وكسر الروابط بين الخيوط. ويعمل الباحثون الآن على تطوير "برامج كمبيوتر وراثية" يمكنها العيش والتكاثر داخل الخلايا. ويتمثل التحدي في إيجاد طرق لبرمجة مجموعات من المكونات البيولوجية لتتصرف بالطرق المرغوبة. وقد ينتهي الأمر بمثل هذه الحواسيب في نهاية المطاف إلى مجرى الدم، وليس إلى سطح المكتب. ابتكر الباحثون في معهد وايزمان للعلوم في رحوفوت معالجًا بسيطًا من الحمض النووي، ويحاولون الآن جعل المكونات تعمل داخل الخلية الحية وتتواصل مع البيئة المحيطة بها.