با پایان عمر سیلیکون، گام بعدی برای تراشه ها چه خواهد بود؟

ظهور تراشه نیمه هادی سیلیکونی دنیای الکترونیک و کامپیوتری شدن زندگی را متحول کرد و آغاز اوایل قرن بیست و یکم را رقم زد. مدارهای مجتمع یا مدارهای مجتمع اساس کل دنیای دیجیتال اطراف ما را تشکیل می دهند و سیستم های ما را کنترل می کنند و به ما امکان می دهند در یک چشم به هم زدن به اطلاعات دسترسی پیدا کرده و به اشتراک بگذاریم.

توسعه ترانزیستورهای سیلیکونی از اولین نمونه اولیه در سال 1947 بسیار سریع بود و در این سال ها تعداد کل ترانزیستورهای یک تراشه اولیه با مدار مجتمع از چند هزار به بیش از دو میلیارد افزایش یافت. طبق قانون مور که پس از 50 سال هنوز معتبر است، چگالی ترانزیستورها در هر دو سال دو برابر خواهد شد.

قانون مور

با این حال، این اجزا با یک چالش بزرگ روبرو هستند: آخرین مدار مجتمع تولید شده دارای معماری 5 نانومتری است که بین یک سلول خونی (7500 نانومتر) و یک رشته دیفتری (2.5 نانومتر) قرار دارد. همچنین اندازه تک اتم های سیلیکون (حدود 0.2 نانومتر) در مدارهای مجتمع با عرض یک اتم، محدودیت فیزیکی سختی ایجاد می کند و از طرفی ثبات رفتار و عملکرد آن را از بین می برد و کنترل آن را دشوار می کند. . پس راه حل چیست؟ آیا کاهش اندازه تراشه های سیلیکونی تنها راه بهبود عملکرد آنهاست؟

لازم به ذکر است که عدم توانایی در کاهش سایز آی سی باعث وقفه در رشد اجزای سیلیکونی می شود. برای مقابله با این چالش، بازنگری در نحوه تولید دستگاه ها یا حتی ارائه جایگزین هایی برای سیلیکون اجتناب ناپذیر است. در این مقاله راه‌های دیگری برای بهبود عملکرد چیپ‌های سیلیکونی علاوه بر کاهش اندازه آن‌ها را بررسی می‌کنیم، مراقب زومیت باشید.

مشکلات استفاده از سیلیکون در تراشه؛ سرعت، گرما و نور

مقاله مرتبط:

برای درک چالش پیش رو، ابتدا باید بفهمیم که چرا سیلیکون به بهترین ماده اولیه برای قطعات الکترونیکی تبدیل شده است. علاوه بر مزایایی مانند دسترسی غنی به این ماده و استخراج آسان و خواص فیزیکی خوب آن، وجود اکسید طبیعی پایدار آن را به عایق خوبی تبدیل کرده و تمامی خواص لازم برای استفاده در تراشه را دارا می باشد. البته این مقاله ایراداتی دارد.

به عنوان مثال، یکی از مزایای اصلی افزایش ترکیب ترانزیستورهای بیشتر روی یک تراشه این است که می تواند پردازش داده ها را در یک مدار مجتمع سرعت بخشد. با این حال، این افزایش سرعت در درجه اول مربوط به درجه ای است که الکترون ها می توانند در داخل یک ماده نیمه هادی به نام تحرک الکترون حرکت کنند و حرکت کنند. اگرچه الکترون های سیلیکون کاملاً متحرک هستند. اما آنها نسبت به سایر مواد نیمه هادی مانند آرسنید گالیم، آرسنید ایندیم و آنتیمونید ایندیم بسیار کمتر تحرک دارند. بنابراین اولین مشکل استفاده از سیلیکون تحریک پذیری کم الکترون ها است.

  با نمای خیابان Google Maps در زمان سفر کنید

عملکرد نیمه هادی

با این حال، تمام خواص مفید رسانایی نیمه هادی ها به تحرک الکترون ها محدود نمی شود و حرکت به اصطلاح حفره های الکترونی نیز بر رسانایی و سرعت انتقال اطلاعات تأثیر می گذارد. در واقع حفره الکترونی حفره های باقیمانده در شبکه الکترون ها است که با حرکت الکترون ها در اطراف هسته نیز حرکت می کنند و رسانایی را افزایش می دهند.

آی سی های امروزی از فناوری CMOS یا یک نیمه هادی اکسید-فلز اضافی استفاده می کنند و از یک جفت ترانزیستور استفاده می کنند که یکی از آنها از الکترون ها برای حرکت و دیگری حفره های الکترونیکی استفاده می کند. اما رانش حفره‌های الکترونیکی در سیلیکون به حدی ضعیف است که مانع بهره‌وری بالاتر می‌شود و تولیدکنندگان را مجبور می‌کند تا چندین سال از ژرمانیوم همراه با سیلیکون برای تسریع انحراف استفاده کنند.

مشکل دیگر سیلیکون کاهش عجیب بهره وری آن در دماهای بالا است. آی سی های مدرن با وجود میلیاردها ترانزیستور، گرمای قابل توجهی تولید می کنند که بیشتر به دلیل فن ها و هیت سینک ها (مانند پردازنده های رومیزی مجهز به فن) است. در مقابل، نیمه هادی هایی مانند نیترید گالیم (GaN) و کاربید سیلیکون یا کاربید سیلیکون (SiC) در دماهای بالا بهتر عمل می کنند و می توانند سریعتر کار کنند. بنابراین در مواردی مانند آمپلی فایرهای الکترونیکی با قدرت بالا، برای کاهش عملکرد آنها با سیلیکون جایگزین می شوند.

آخرین مشکل اصلی سیلیکون، انتقال نور ضعیف آن است. امروزه، در حالی که لیزرها، الکترودها و سایر دستگاه های فوتونیکی چندان پیچیده نیستند. اما از ترکیبات نیمه هادی جایگزین سیلیکون استفاده می کنند. در نتیجه، این امر منجر به دو صنعت متفاوت شد: استفاده از سیلیکون در ساختارهای الکترونیکی و استفاده از ترکیبات نیمه رسانا در ساختارهای فوتونیک. این وضعیت سالها ادامه داشت. اما در سال های اخیر فشار زیادی بر روی تراشه برای ترکیب الکترونیک و فوتونیک وارد شده است و این به یک مشکل بزرگ برای سازندگان تبدیل شده است.

  درآمد هواوی 19.8 میلیارد دلار در سه ماهه اول 2022 است

به جای تغییر اندازه، سیلیکون را جایگزین کنید

سازندگان به جای کاهش اندازه نانومتری معماری تراشه طبق قانون مور، راه های مختلفی را برای بهبود عملکرد تراشه های سیلیکونی امتحان کردند و در نهایت تصمیم گرفتند روش استفاده از سیلیکون را تغییر دهند. در این راستا مواد مختلفی که برای بهبود بهره وری نیاز به ترکیب با سیلیکون دارند مورد آزمایش قرار گرفتند و در نهایت سه مورد انتخاب شدند.

اولین ماده برای از بین بردن ضعف سیلیکون در رانش سوراخ های الکترونیکی است. برای بهبود این مشکل قبلاً مقدار کمی ژرمانیوم به چیپس ها اضافه شده است. اما افزایش مقدار یا حتی استفاده از ترانزیستورهای تمام ژرمانیومی می تواند وضعیت را بهبود بخشد. آلمان اولین ماده ای بود که در نیمه هادی ها استفاده شد. بنابراین، استفاده مجدد از آن بازگشتی به آینده است. با این حال، بازسازی صنعت عظیم نیمه هادی آلمان و حذف سیلیکون برای تولیدکنندگان بسیار دشوار و پرهزینه خواهد بود.

ماده دوم به موضوع اکسیدهای فلزی می پردازد. سیلیس سالهاست که در نیمه هادی ها استفاده می شود. اما با انقباض لایه سیلیس، آنقدر نازک می شود که خاصیت عایق بودن خود را از دست می دهد و ترانزیستورها را تقریبا غیر قابل اعتماد می کند. پس از مطالعات فراوان، از ماده کمیاب دی اکسید هافنیوم (HfO2) به عنوان یک عایق جایگزین استفاده شد. البته علیرغم تغییر به سمت استفاده از این ماده کمیاب، تحقیقات در مورد جایگزین هایی با خواص عایق بهتر همچنان ادامه دارد.

سپس، برای حل مشکل استفاده از سیلیکون، جالب ترین ممکن است استفاده از نیمه هادی های مرکب III-V، به ویژه نمونه هایی که حاوی ایندیم هستند، مانند آرسنید ایندیم و آنتی مونید ایندیم باشد. این نیمه هادی ها تحریک پذیری الکترون را 50 برابر بیشتر از سیلیکون ارائه می دهند و هنگامی که با ترانزیستورهای غنی شده با ژرمانیوم ترکیب شوند، می توانند سرعت را به طور چشمگیری افزایش دهند.

  آیا هدفون واقعیت مجازی اپل با تراشه قدرتمند Apple M1 عرضه خواهد شد؟

با این حال، همه چیز آنطور که به نظر می رسد آرام پیش نمی رود. سیلیکون، ژرمانیوم، اکسیدها و مواد III-V دارای ساختارهای کریستالی هستند که خواص آنها به یکپارچگی کریستال بستگی دارد. بنابراین به راحتی نمی توان آنها را با سیلیکون ترکیب کرد و می توان بهترین عملکرد را از آنها انتظار داشت. بنابراین، حل مشکل عدم تطابق شبکه کریستالی به چالش اصلی این فناوری تبدیل شده است. راه های مختلفی برای حل این مشکل بررسی شده است که در نهایت منجر به استفاده بهتر از سیلیکون شد.

انواع سیلیکون

با وجود تمام محدودیت های سیلیکون؛ سیلیکون الکترونیک ثابت کرده است که سازگار، قابل اعتماد و مقرون به صرفه در بازار دستگاه های بازار انبوه است. بنابراین، بر خلاف ایده “پایان عصر سیلیکون” یا وعده های غیر واقعی مواد جایگزین، سیلیکون ثابت کرده است که بهترین انتخاب است و به شدت توسط صنعت نیمه هادی جهانی حمایت می شود و حداقل برای بقیه زندگی ما

مقاله مرتبط:

در عوض، پیشرفت در الکترونیک منجر به بهبود عملکرد سیلیکون از طریق ادغام با مواد دیگر خواهد شد. شرکت‌هایی مانند آی‌بی‌ام و اینتل و آزمایشگاه‌های دانشگاهی در سرتاسر جهان زمان و تلاش خود را برای مقابله با این چالش صرف کرده‌اند و تحقیقات نوید یک رویکرد ترکیبی را می‌دهد که در آن ترکیب مواد III-V، سیلیکون و ژرمانیوم را می‌توان در چند دقیقه به دست آورد. سال بازاریابی را فتح کنید.

نیمه هادی های کامپوزیتی قبلاً قدرت خود را در زمینه های مهمی مانند لیزرها، لامپ ها و نمایشگرهای LED و پنل های خورشیدی نشان داده اند که سیلیکون در آنها حرفی برای گفتن ندارد. با این حال، در آینده به ترکیب‌های پیچیده‌تری نیاز خواهیم داشت، زیرا دستگاه‌های الکترونیکی کوچک‌تر می‌شوند و در هر زمان انرژی کمتری مصرف می‌کنند. علاوه بر این، دستگاه های الکترونیکی پرقدرت به دلیل خواصی که بیش از ظرفیت سیلیکون دارند، نیاز به ترکیبات مدرن را تشدید می کنند.

آینده دنیای الکترونیک بسیار روشن است. اگرچه بیشتر آن همچنان به دلیل سیلیکون است. اما این بار سیلیکون در ترکیب با مواد دیگر انواع مختلفی برای ارائه خواص بهتر خواهد داشت.

نظر شما در مورد آینده چیپس چیست؟

دیدگاهتان را بنویسید