تقدم أشباه الموصلات – هل يمكن لأشعة “الدونات” وكتل “الليجو” أن تُحدث ثورة في أساليب الصناعة؟

مكوّن أساسي في الأجهزة الإلكترونية، لقد نسجت أشباه الموصلات نفسها في نسيج حياتنا اليومية. هذه العناصر الصغيرة ولكن القوية هي حجر الأساس للتكنولوجيا الحديثة، تدفع الابتكارات في الحوسبة، الاتصالات، الطاقة النظيفة، الرعاية الصحية، النقل، الأنظمة العسكرية، والعديد من التطبيقات الحيوية الأخرى. 

في شهادة بارزة على تأثيرهم الواسع، من المتوقع أن ينمو حجم سوق أشباه الموصلات العالمي إلى $1.38 trillion by 2029، بزيادة عن 573.44 مليار دولار في عام 2022.

نظرة على تقدم أشباه الموصلات

أشباه الموصلات هي مواد توصل الكهرباء أكثر من العازل ولكن أقل من الموصل النقي. يمكن أن تكون هذه المواد عناصر نقية أو مركبات، وتخضع لتغيّر كبير في التوصيل عندما تُضاف إليها كميات صغيرة من الشوائب.

بفضل أشباه الموصلات، أصبح لدينا إمكانية الوصول إلى الراديوهات، التلفزيونات، الهواتف الذكية، الحواسيب، ألعاب الفيديو، ومعدات التشخيص الطبي المتقدمة. لقد مكنت التطورات في تكنولوجيا أشباه الموصلات على مدى العقود الماضية هذه الأجهزة الإلكترونية من أن تصبح أصغر، أسرع، أرخص، وأكثر موثوقية.

المعروفة أيضًا باسم الدوائر المتكاملة (ICs) أو الشرائح الدقيقة، أحدثت أشباه الموصلات ثورة في طريقة عيشنا، مؤثرةً على كيفية عملنا، تواصلنا، سفرنا، علاج الأمراض، ترفيهنا، واستغلالنا للطاقة.

ككتل بناء أساسية للتكنولوجيا الحديثة، تواصل أشباه الموصلات دفع أهم الابتكارات في العالم، وتحمل إمكانات هائلة.

بعض أكثر الابتكارات إثارة في صناعة أشباه الموصلات تشمل الحوسبة الكمومية، التي تتطلب أنواعًا جديدة من أشباه الموصلات التي تعمل في درجات حرارة منخفضة؛ الحوسبة العصبية، التي تهدف إلى تطوير شرائح حاسوبية تحاكي بنية ووظيفة الدماغ البشري للآلات الذكية؛ الفوتونيات السيليكونية، التي تستخدم الضوء لنقل البيانات بين شرائح الحاسوب؛ والتعبئة المتقدمة، الضرورية لتطوير أجهزة إلكترونية عالية الأداء.

ستلعب هذه الحلول المتقدمة لأشباه الموصلات دورًا رئيسيًا في الذكاء الاصطناعي (AI)، الذي يزداد أهميةً في مختلف الصناعات. يمكن لأشباه الموصلات مساعدة تطبيقات الذكاء الاصطناعي على أداء مهام معقدة بكفاءة أعلى. كما أن لأشباه الموصلات إمكانات هائلة في المركبات الذاتية، أنظمة معالجة الصور الذكية، وأنظمة الطاقة المتجددة.

تصنيع أشباه الموصلات

في صناعة أشباه الموصلات، يتركز الجهد على إنشاء منتجات أصغر، أسرع، وأرخص، وهو هدف يرتبط مباشرةً بالمبدأ القائل بأن الصغر يعني إمكانية وضع طاقة أكبر على نفس الشريحة. هذا الصغر ضروري لأن عدد الترانزستورات المتواجد على الشريحة يحدد سرعتها.

هنا يأتي قانون مور، الذي ينص على أن “عدد الترانزستورات في دائرة متكاملة كثيفة يتضاعف تقريبًا كل سنتين”. هذا يبرز الضغط على صانعي الشرائح للابتكار باستمرار وتوفير أشباه موصلات أكثر كفاءة وأرخص، مع ضمان مراقبة الجودة وتوافر المنتج بسرعة للبيع.

تأتي الغالبية العظمى من طلب صناعة أشباه الموصلات من الهواتف الذكية والمعدات الصناعية، لكن ظهور الذكاء الاصطناعي، إنترنت الأشياء، والمركبات الذاتية غير نظرة الصناعة.

الآن، أدى الطلب المتزايد إلى ضرورة تركيز شركات أشباه الموصلات مزيدًا من الجهود على البحث والتطوير، وزيادة الوظائف، وتحسين أوقات الإنتاج. هذه المتطلبات أدت بدورها إلى تحديات كبيرة للصناعة، أبرزها كيفية توفير شرائح أصغر وأكثر قوة بتكلفة معقولة.

كما أن الابتكارات زادت من تعقيد عمليات التصنيع في صناعة أشباه الموصلات. هذا التصعيد في التعقيد يستدعي بطبيعة الحال الحاجة إلى سلاسل إمداد أكثر كفاءة، وهو ما تزداد أهميته مع الطلب المتصاعد من شركات الذكاء الاصطناعي. وهذا يتطلب ليس فقط مجموعة متنوعة من القدرات الأداء، بل أيضًا أوقات تسليم أقصر.

تشمل عملية تصنيع شرائح أشباه الموصلات تنقية الرقاقة، بناء طبقات متعددة لإنشاء دوائر متكاملة، ثم تجميع وتعبئة مكونات متعددة في المنتج النهائي.

لذلك، يواجه مصنعو أشباه الموصلات تحدي التعامل مع المواد، وإعادة التدوير، وتحسين العمليات، وهي جوانب حرجة في عملياتهم. لكن نطاق تحدياتهم لا يقتصر على ذلك فقط؛ فالعوامل الجيوسياسية تؤثر بشكل كبير على توفر الموارد والتجارة، كما تجسدها الحالة بين الولايات المتحدة والصين.

لفترة من الوقت، كانت مشكلات سلاسل الإمداد من بين القضايا الرئيسية في الصناعة. تتفاقم هذه الحالة بسبب عوامل مثل التوترات الجيوسياسية والنزاعات التجارية، مع أحداث “البجعة السوداء” مثل الجائحة التي زادت من مشكلة توفر الرقائق.

بالإضافة إلى هذه التحديات، يتعين على الصناعة أيضًا التعامل مع الفجوة المتزايدة بين الطلب على المتخصصين المؤهلين وتوافر الأشخاص المؤهلين. بالنظر إلى المنافسة الشديدة والوتيرة السريعة للتقدم في القطاع، فإن وجود نقص في المواهب وفجوة مهارات ليست مفاجئة.

على الرغم من كل هذه التحديات، تستمر الصناعة في الازدهار. تحدث اختراقات لديها القدرة على تحويل المستقبل باستمرار، مما يبرز صمود القطاع وروحه الابتكارية.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم معدات أشباه الموصلات لدعم التصنيع.

‘دونات’ تسمح برؤية أجسام صغيرة جدًا

هذا الشهر، أخذت دراسة جديدة صورًا مفصلة لأجسام دقيقة باستخدام أشعة ضوئية على شكل دونات، وهو ما لم يكن ممكنًا مع المجاهر التقليدية. أجرت الدراسة باحثون من جامعة كولورادو بولدر ومن المتوقع أن تساعد العلماء على تحسين التفاصيل الأساسية لمجموعة من “الإلكترونيات النانوية”، بما في ذلك أشباه الموصلات المصغرة الموجودة في شرائح الحواسيب.

هذا هو أحدث تقدم في مجال البتشيغرافيا، وهي تقنية تصوير حوسبية للتصوير المجهري. أدوات البتشيغرافيا، على عكس المجاهر التقليدية، لا تُظهر الأشياء الصغيرة مباشرة؛ بل تُسقط الليزر على الهدف ثم تقيس كيفية تشتت الضوء.

وفقًا للمؤلفة الأولى للدراسة، مارجريت مورنان، حتى وقت قريب، كان هذا النهج، رغم نجاحه، “يفشل تمامًا مع العينات ذات التكرار العالي، أو الأجسام ذات نمط متكرر بانتظام” لأنه يشمل الإلكترونيات النانوية.

مورنان، زميلة في JILA – معهد أبحاث مشترك بين جامعة كولورادو بولدر وNIST – شرحت التحديات التي يواجهها العلماء عند استخدام البتشيغرافيا لرؤية هياكل بعض أشباه الموصلات. هذه الهياكل، المصنوعة من ذرات مثل السيليكون مرتبة في شبكات صغيرة متجانسة للغاية، تُظهر صعوبات بسبب قلة التباين.

لذلك، في الدراسة الجديدة، أنشأ الباحثون أشعة فوق بنفسجية شديدة القصر بدلاً من استخدام الليزر العادي في مجاهرهم لصنع “دمى ظل”. ثم، باستخدام صفيحة طور حلزونية، لفوا شكلها إلى دونات، وعندما ارتدت هذه الأشعة على هياكل متكررة، كانت “دمى الظل” التي نتجت أكثر تعقيدًا من تلك التي ينتجها الليزر التقليدي. هذا سمح بجمع صور دقيقة لهياكل دقيقة وهشة.

هذه الهياكل تتراوح أحجامها بين 10 إلى 100 نانومتر، وفي المستقبل يتوقع الفريق التكبير لرؤية هياكل أصغر. الفكرة هي تحسين استراتيجية الدونات لتصبح أكثر دقة، مما سيسمح للفريق برؤية أجسام أكثر هشاشة، ربما حتى خلايا حية، يومًا ما.

حتى الآن، كانت أدوات التصوير التي تستخدم العدسات لا تستطيع رؤية أكثر من دقة تبلغ حوالي 200 نانومتر، مما لم يسمح للعلماء بالتقاط العديد من الفيروسات بدقة. لكن الآن، بفضل هذا البحث، تم دفع الحدود الأساسية للمجاهر، وسيتمكن العلماء من التقاط هذه الممرضات في الوقت الحقيقي في المستقبل. “بدلاً من استخدام عدسة لاسترجاع الصورة، نستخدم خوارزميات”، قالت.

علاوة على ذلك، لا تضر الأشعة الإلكترونيات الدقيقة في العملية، وبالتالي يمكن استخدامها “لفحص البوليمرات المستخدمة في تصنيع وطباعة أشباه الموصلات للكشف عن العيوب، دون إتلاف تلك الهياكل في العملية”، وفقًا لمورنان.

بشكل عام، تمتلك هذه الدراسة الجديدة إمكانات كبيرة لتأثير صناعة أشباه الموصلات من خلال تحسين فحص مكونات الإلكترونيات النانوية بمراقبة جودة أكثر دقة. قد يتيح ذلك للباحثين فحص هياكل أشباه الموصلات الحساسة دون الإضرار بسلامتها. مع المزيد من التقدم في تقنيات البتشيغرافيا، قد نرى طرق تصوير أكثر تنوعًا لأبحاث وتطوير أشباه الموصلات.

شرائح فوتونية ستُعيد تشكيل مشهد أشباه الموصلات

في دراسة جديدة أخرى، صمم الباحثون في مرفق العلوم النانوية بمعهد جامعة سيدني للنانوتكنولوجيا، بالتعاون مع علماء من الجامعة الوطنية الأسترالية، بنية أشباه موصلات جديدة دمجوا فيها الإلكترونيات مع الفوتونات لتوسيع عرض النطاق الترددي والتحكم في الفلاتر. هذا يعني أن المزيد من المعلومات يمكن أن تتدفق عبر الشريحة مع السماح بتحكم متقدم في الفلاتر.

“هذا العمل يمهد الطريق لجيل جديد من الفلاتر الفوتونية الراديوية عالية الدقة مع قابلية ضبط تردد واسعة النطاق، وهو مفيد بشكل خاص في حمولات الاتصالات الراديوية الجوية والفضائية، مما يفتح إمكانات لتحسين الاتصالات وقدرات الاستشعار.” 

– قال الدكتور موريتز ميركلين، الباحث الزميل الأول وأحد مؤلفي الدراسة

لبناء هذه الشريحة، استخدم الباحثون تقنية ناشئة في الفوتونيات السيليكونية، مما مكنهم من دمج أنظمة متنوعة على أشباه موصلات أقل من 5 مليمترات عرض، وهو ما يشبه تجميع قطع بناء الليجو. بهذه الطريقة، يمكن توفير نهج قابل للتوسع ووحدوي لتصميم الشرائح، مما يفتح إمكانات جديدة لإنشاء أجهزة أشباه موصلات معقدة وعالية الكفاءة.

“الاستخدام المشترك لمصانع أشباه الموصلات الخارجية لصنع رقاقة الشريحة الأساسية مع بنية تحتية محلية للبحث والتصنيع كان حيويًا في تطوير هذه الدائرة المتكاملة الفوتونية.” 

– الدكتور ألفارو كاساس بيدوي، مدير مشارك للتكامل الفوتوني في كلية الفيزياء

هذه الشريحة السيليكونية المدمجة الصغيرة توسع عرض النطاق الترددي الراديوي (RF) بشكل كبير ويمكنها التحكم بدقة في تدفق المعلومات عبر الوحدة. يمكنك رؤية تطبيقها في الرادار المتقدم، الشبكات اللاسلكية، الأقمار الصناعية، وإطلاق تقنيات الاتصالات 6G و7G. كما يعني ذلك أن الأجهزة يمكنها التكيف مع تطبيقات متنوعة، مما يجعلها قابلة للاستخدام في مجموعة واسعة من السيناريوهات.

وفقًا للباحثين، يمكن لهذه القدرة المعززة أن تساعد أيضًا في التصنيع السيادي المتقدم وإنشاء مصانع ذات قيمة مضافة عالية التقنية دون الاعتماد حصريًا على المصنعين الدوليين.

يصف هذا الاختراع، وفقًا للبروفسور بن إغلتون، نائب رئيس الجامعة للبحث، بأنه تقدم كبير في أبحاث الفوتونيات الميكروية والفوتونيات المتكاملة. تتمتع الشريحة بقدرة على تقديم عرض نطاق ترددي 15 جيجاهرتز من الترددات القابلة للضبط مع دقة طيفية مبهرة.

وأوضح كيف أن “الفوتونيات الميكروية تلعب دورًا حاسمًا في الاتصالات الحديثة وتطبيقات الرادار، حيث توفر المرونة لتصفية ترددات مختلفة بدقة، مما يقلل من التداخل الكهرومغناطيسي ويحسن جودة الإشارة.” علاوة على ذلك، من خلال دمج وظائف متقدمة في شرائح أشباه الموصلات (زجاج الكالكوجين مع السيليكون)، يعتقد إغلتون أن ذلك يمكن أن “يعيد تشكيل مشهد أشباه الموصلات المحلي”.

أبرز مصنعي أشباه الموصلات 

نظرًا لكل ما يحدث في صناعة أشباه الموصلات، دعونا الآن نلقي نظرة على بعض المصنّعين البارزين في هذا المجال:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

أكبر مصنع للعثور على أشباه الموصلات في العالم يشارك في تصنيع الدوائر المتكاملة نيابةً عن العملاء. برأسمال سوقي يبلغ 523.56 مليار دولار، تُتداول أسهم الشركة عند 100.75 دولار، بارتفاع 35.52% هذا العام. بلغت إيرادات TSMC (TTM) 68.86 مليار، وربح السهم (EPS) (TTM) 5.36، ومعدل السعر إلى الربح (P/E) (TTM) 18.84، بينما تقدم عائد توزيعات بنسبة 1.81%.

تسير TSMC حاليًا نحو الإنتاج الضخم لشرائح N2 (2 نانومتر)، والتي، وفقًا للشركة، “ستكون أكثر تقنيات أشباه الموصلات تقدمًا في الصناعة من حيث الكثافة وكفاءة الطاقة عند طرحها”. كما يعمل المصنع على توسيعه العالمي، الذي بدأ بمنشأة جديدة في أريزونا قبل بضع سنوات ويشمل الآن اليابان وألمانيا.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

هذه الشركة العالمية في مجال أشباه الموصلات لديها رأسمال سوقي يبلغ 217.13 مليار دولار، وتُتداول أسهمها عند 133.52 دولار، بارتفاع 107.52% هذا العام. بلغت إيرادات AMD (TTM) 22.11 مليار، وربح السهم (EPS) (TTM) 0.13، ولا تُقدم توزيعات.

مؤخرًا، كشفت Advanced Micro عن شرائح AI الجديدة من مجموعة MI300 المنتظرة طويلاً لتحدي معالجات AI الرائدة من Nvidia (NVDA ) ، التي تسيطر على حوالي 80% من سوق شرائح AI. صُممت هذه الشرائح الجديدة لأجهزة الحوسبة الفائقة ولتطبيقات الذكاء الاصطناعي التوليدي مثل ChatGPT وDall‑E. كما رفعت الشركة توقعاتها لسوق الشرائح AI القابل للعنونة إلى 400 مليار دولار خلال الأربع سنوات القادمة.

3. Applied Materials, Inc. 

الشركة، الرائدة في توفير معدات التصنيع والخدمات والبرمجيات لصناعة أشباه الموصلات، تمتلك رأسمال سوقي يبلغ 129.78 مليار دولار. تعكس أسهم أكبر مُصنّع لمعدات أشباه الموصلات في الولايات المتحدة حاليًا سعر 156.50 دولار، بارتفاع ملحوظ قدره 59.3% هذا العام. من الناحية المالية، أبلغت AMAT عن إيرادات (TTM) قدرها 26.51 مليار، وربح السهم (EPS) (TTM) 8.11، ومعدل السعر إلى الربح (P/E) (TTM) 19.12، مع تقديم عائد توزيعات بنسبة 0.83%.

مع ذلك، تواجه Applied Materials (AMAT ) مياهًا عميقة حاليًا حيث تخضع لتحقيق جنائي أمريكي بشأن إرسال معدات إلى صانع الرقائق الصيني الرائد SMIC، مما قد يكون قد تجاوز القيود على الصادرات. يأتي هذا في ظل حظر الحكومة الأمريكية ليس فقط على شحنات الرقائق المتقدمة بل أيضًا على المعدات إلى الصين. في خطوة تُظهر طموحاتها العالمية وتوسّعها الاستراتيجي، أعلنت الشركة في وقت سابق من هذا العام عن خطتها لاستثمار 400 مليون دولار على مدى أربع سنوات لإنشاء مركز هندسي تعاوني في الهند.

4. ASML Holding NV 

توفر شركة ASML الهولندية أنظمة الطباعة المتقدمة التي يستخدمها مصنعو الرقائق مثل TSMC، Samsung، وIntel (INTC ) لإضافة الدوائر إلى رقاقة السيليكون. لديها رأسمال سوقي يبلغ 286.32 مليار دولار بينما تُتداول أسهمها عند 714.42 دولار، بارتفاع 30% منذ بداية العام، مع إيرادات (TTM) مسجلة بـ 28.871 مليار، وربح السهم (EPS) (TTM) 20.42، ومعدل السعر إلى الربح (P/E) (TTM) 34.78. عائد التوزيعات المقدم هو 0.91%.

أعلنت الشركة مؤخرًا عن أرباح الربع الثالث التي تجاوزت 2 مليار دولار، مع قول الرئيس التنفيذي بيتر فيننك: “صناعة أشباه الموصلات تمر حاليًا بمرحلة أسفل الدورة، ويتوقع عملاؤنا أن تكون نقطة الانعطاف واضحة بحلول نهاية هذا العام.”

الخلاصة

أشباه الموصلات مكوّن حاسم في الأجهزة التي تُعد جزءًا لا يتجزأ من حياتنا. إنها في الواقع العمود الفقري للقطاع التكنولوجي المزدهر. ومع استمرار الطلب على أشباه الموصلات في الارتفاع، يؤدي ذلك إلى شرائح أصغر، أسرع، وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة. كل هذا التقدم والابتكار سيسمح بعد ذلك بتطوير أنواع جديدة من الأجهزة والتطبيقات التي كانت مستحيلة في السابق!