الحوسبة
الاستفادة من المحاكاة لإعادة تصنيع الرقائق إلى الولايات المتحدة
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
على الرغم من أن الرقائق الدقيقة كانت دائمًا مهمة للعالم الحديث، إلا أنه لم يدرك الحكومات والصناعات أهميتها الحاسمة للاقتصاد العالمي إلا بعد صدمة سلاسل الإمداد في عام 2022. كان النقص شديدًا لدرجة أن الصناعات لم يكن لديها خيار سوى إيقاف خطوط التجميع الضخمة الخاصة بها.
إذن، لماذا تُعد الرقائق الدقيقة مهمة جدًا للاقتصاد العالمي؟ ببساطة، تُعد الرقائق الدقيقة العمود الفقري لصناعة التكنولوجيا الحديثة، وهي أساسية لكل شيء من الحواسيب الشخصية والهواتف الذكية والأجهزة المنزلية والسيارات والأجهزة الطبية، وحتى في بعض الحيوانات الأليفة لتحديد الهوية.
ولكن على الرغم من هذه الأهمية الحاسمة، لا تستطيع سوى عدد قليل من الدول تصنيع رقائق دقيقة وظيفية، حيث يدفع هذا الجهد حدود الهندسة الدقيقة والابتكار التكنولوجي. فبالإضافة إلى أن تصنيع الرقائق الدقيقة هو صناعة تتطلب رأس مال كبير، فإنه يتطلب أيضًا عمالًا يمتلكون مجموعة مهارات متخصصة للغاية، تشمل على سبيل المثال لا الحصر الفيزياء وعلوم المواد والهندسة الكهربائية.
علاوة على ذلك، تتطلب المنشآت التي تُصنع فيها هذه الرقائق الدقيقة، والمعروفة باسم المصانع (fabs)، ظروفًا بيئية صارمة لعملية الإنتاج. وهذا يشمل الحفاظ على درجات حرارة ورطوبة محددة وتقليل التلوث إلى أقصى حد ممكن.
حتى إذا تم تحقيق هذه الظروف المثالية، فإن عملية التصنيع تتضمن عدة خطوات، ويجب تنفيذ كل خطوة بدقة تامة. أي خطأ يمكن أن يجعل الرقائق الدقيقة غير صالحة للاستخدام.
علاوة على ذلك، تتطلب التطورات التكنولوجية المستمرة رقائق أصغر وأكثر كفاءة، مما يضيف ضغطًا إضافيًا على المصانع. وبحلول الوقت الذي يتقن فيه المصنعون إنتاج جيل معين من الرقائق الدقيقة، قد يصبح هذا الجيل قديمًا بالفعل بسبب نقص الطلب.
تشكل هذه الحواجز الضخمة تصنيع الرقائق الدقيقة على نطاق واسع تحديًا هائلًا لمعظم الدول، حتى بالنسبة لتلك التي تمتلك أكبر الموارد المالية.
حتى الولايات المتحدة، القوة التقنية العالمية والرائدة في تصميم أشباه الموصلات، ليست في الصدارة عندما يتعلق الأمر بتصنيع الرقائق الدقيقة، حيث تحتل تايوان هذا الموقع المرغوب. وهذا نتيجة لاستثمار تايوان الطويل على مدى عقود في تصنيع أشباه الموصلات ووجود شركات مثل Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) (TSM ).
تُظهر هذه التعقيدات مدى صعوبة تحقيق الاعتماد الذاتي في مجال الرقائق الدقيقة. ومع ذلك، وفقًا لمقال نُشر مؤخرًا على موقع مختبر فيزياء البلازما بجامعة برينستون التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، يعمل العلماء هناك على تطوير برامج حاسوبية ستحسن بشكل كبير محاكاة عمليات البلازما المستخدمة في تصنيع الرقائق الدقيقة.
يمكن لهذه الخوارزميات الجديدة أن تتفوق على تقنيات المحاكاة التقليدية من حيث الدقة والكفاءة، مما يسرّع عملية إنتاج الرقائق الدقيقة، وبالتالي يساعد في إعادة تصنيع الرقائق إلى الولايات المتحدة.
نهج مزدوج
أجرى مختبر فيزياء البلازما ببرينستون بحثين في آنٍ واحد، واختلفت مجالات تركيزهما من حيث الأهداف.
- ركز البحث الأول على تحسين دقة هذه المحاكاة.
- كان هدف البحث الثاني هو تسريع أطر زمن المحاكاة لمفاعلات البلازما المستخدمة في تصنيع الرقائق الدقيقة.
الحاجة إلى السرعة والدقة في محاكاة البلازما
تُنتج الأنماط المعقدة التي تُنقش على رقاقة السيليكون لإنشاء الرقائق الدقيقة في الغالب باستخدام مفاعلات البلازما. تعتمد العملية على سلوك البلازما، وهو غاز مشحون كهربائيًا يحتاج إلى التحكم فيه بعناية لتحقيق النتيجة المرجوة.
تقليديًا، كان تحفيز عملية البلازما لتوقع النتائج وتحسين طرق الإنتاج مهمة شاقة وتستغرق وقتًا طويلاً. هنا يأتي دور البحث الأول لمختبر فيزياء البلازما ببرينستون. يهدف إلى تغيير هذا الوضع من خلال إنشاء خوارزميات حاسوبية يمكنها تقليل الوقت المطلوب لهذه المحاكاة بشكل كبير.
وقد نجحوا في ذلك، حيث قلل فريقهم من إطار زمن المحاكاة من أسابيع إلى أيام وربما ساعات دون التضحية بالتفاصيل الهامة. وبالنسبة لكيفية تحقيق العلماء في مختبر فيزياء البلازما ذلك، فقد رجعوا إلى التاريخ وصقلوا الخوارزميات القديمة، خاصة تلك التي أُنشئت في الثمانينات، للوصول إلى النتائج المرجوة.
معالجة دقة المحاكاة
في خط البحث الثاني، عالج فريق الباحثين في مختبر فيزياء البلازما مشكلة دقة المحاكاة. نظرًا لتعقيد سلوك البلازما، فإن ضمان أن تكون المحاكاة مطابقة بدقة للتفاعلات الواقعية أمر حاسم لطرق إنتاج الرقائق الدقيقة الفعّالة. ومع ذلك، فإن الحاجة إلى جهد حوسبة كبير لمحاكاة سلوك عدد لا يحصى من جسيمات البلازما بدقة كانت تاريخيًا تحديًا كبيرًا.
لمواجهة هذه المشكلة، بسط فريق البحث في مختبر فيزياء البلازما تمثيل جسيمات البلازما في المحاكاة. بدلاً من محاولة حساب كل جسيم على حدة، طوروا طريقة لتجميعها في كيانات أكبر وأكثر قابلية للإدارة. يقلل هذا النهج بشكل كبير من العبء الحوسبي، مما يؤدي إلى محاكاة أسرع وأكثر سهولة.
ومع ذلك، كان هذا التبسيط في البداية قد يعرّض الديناميكيات الحقيقية لسلوك البلازما للتشويه، مما قد يؤدي إلى تنبؤات أقل دقة. لتجاوز هذه العقبة، عدّل الباحثون معلمات المحاكاة، مما جعل مجموعات الجسيمات أكبر وأقل كثافة. يضمن هذا التعديل بقاء تنبؤات المحاكاة سليمة لأن تفاعلات الجسيمات ستقارب أكثر تلك الموجودة في البلازما الفعلية.
هذا التوازن الدقيق بين الدقة والتبسيط يحمل إمكانات كبيرة لتحسين عمليات تصنيع الرقائق الدقيقة.
محفز للتغيير
تحمل أبحاث مختبر فيزياء البلازما ببرينستون أهمية تتجاوز المجال التقني، حيث لها تداعيات على الديناميكيات الاستراتيجية لسوق أشباه الموصلات العالمي، خاصةً بالنسبة للولايات المتحدة. فهذه الاكتشافات تحمل القدرة على إعادة تعريف مشهد تصنيع الرقائق الدقيقة في جميع أنحاء الولايات المتحدة من خلال توفير أدوات يمكنها تقليل الوقت والتكاليف المرتبطة بإنتاج الرقائق الدقيقة. القدرة على التكيف السريع وتحسين عمليات الإنتاج أمر حاسم في صناعة غالبًا ما يعتمد قيادتها السوقية على وتيرة الابتكار.
علاوة على ذلك، يمكن لتوافر أدوات المحاكاة المتقدمة أن يخلق ساحة متكافئة من خلال تمكين الشركات الناشئة والصغيرة في الولايات المتحدة من المنافسة بفعالية أكبر ضد عمالقة السوق العالمية الراسخة. قد يثير ذلك موجة من الابتكار داخل قطاع أشباه الموصلات الأمريكي مع دخول المزيد من الشركات إلى السوق وتقديم أفكار ومنهجيات جديدة لتصميم وإنتاج الرقائق الدقيقة.
تعزيز الأمن الوطني والمرونة الاقتصادية
أدت الاضطرابات العالمية الحالية والتوترات الجيوسياسية إلى جعل سلاسل الإمداد عرضة للضعف. إن الاعتماد على دول أخرى للحصول على مكونات أساسية مثل الرقائق الدقيقة يشكل خطرًا وطنيًا. أدركت الولايات المتحدة حجم هذا الخطر خلال صدمة إمداد أشباه الموصلات في عام 2022، مستنتجة أن أي اضطراب في إمداد الرقائق الدقيقة قد يؤثر بشدة على هيمنة صناعة التكنولوجيا الأمريكية عالميًا.
يتماشى دراسة مختبر فيزياء البلازما ببرينستون مع مبادرات حكومية أوسع، مثل the CHIPS Act، الذي يهدف إلى استعادة الهيمنة الأمريكية في صناعة أشباه الموصلات. تم إقراره في 9 أغسطس 2022 كقانون CHIPS والعلوم، ويخصص ما يقرب من 280 مليار دولار لتمويل تعزيز تصنيع أشباه الموصلات محليًا وتقليل الاعتماد على المصادر الأجنبية. يدعم التمويل البحث والتطوير، وحوافز التصنيع المحلي، وإجراءات تعزيز سلاسل الإمداد.
إن التحول نحو تأمين وإحياء قدراتنا في مجال أشباه الموصلات لا يقتصر على الحفاظ على المرونة الاقتصادية والأمن الوطني فحسب؛ بل هو أيضًا خطوة حاسمة في تمهيد الطريق للثورة التالية في التصنيع والتكنولوجيا—الصناعة 4.0.
بناء الركيزة الأساسية للصناعة 4.0
تعتبر شركة IBM الصناعة 4.0 شيئًا ستلعب فيه التصنيع الذكي دورًا محوريًا. بعبارة أخرى، تهدف الصناعة 4.0 إلى تحويل مجال التصنيع رقميًا، حيث تُتخذ القرارات في الوقت الفعلي، مما يعزز الإنتاجية لتحقيق الهدف النهائي المتمثل في جعل عملية الإنتاج والتوزيع مرنة ومرنة بأقصى قدر ممكن.
لكي تصبح الولايات المتحدة رائدة في الصناعة 4.0، ستكون الرقائق الدقيقة أكثر من مجرد ضرورة. أظهرت دراسة من جولدمان ساكس بالفعل أن نقص الرقائق الدقيقة قد يؤثر على ما يصل إلى 169 صناعة، بما في ذلك التكنولوجيا الطبية، والآلات الزراعية، والإلكترونيات الاستهلاكية، والطاقة والمؤسسات. على سبيل المثال، في عام 2021، لم تستطع شركة رينو للسيارات، التي تحظى بتقدير عالمي، إنتاج ما يصل إلى 500,000 cars بسبب نقص الرقائق الدقيقة.
تُبرز هذه الضعف الطبيعة الحرجة للمسألة، حيث إن الاعتماد المتزايد على تايوان، كما ذُكر سابقًا، قد يعني حدوث اضطراب مفاجئ في سلسلة الإمداد، كما حدث خلال جائحة كوفيد-19، مما قد يؤدي إلى انهيار كامل للنظام.
انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل عشرة أسهم لإنترنت الأشياء (IoT) لمستقبل متصل.
مستقبل الولايات المتحدة في إنتاج الرقائق الدقيقة
أدركت الولايات المتحدة جيدًا مدى أهمية الرقائق الدقيقة لمستقبل اقتصادي مرن ومكتفٍ ذاتيًا. وقد أدى هذا الإدراك إلى تشجيع البلاد على إنشاء أنظمة تنتج رقائق دقيقة من الدرجة الأولى.
على سبيل المثال، تعاون جامعة جورج واشنطن وأربعة شركاء أكاديميين آخرين تعاونت مع المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا التابع لوزارة التجارة الأمريكية، وجوجل، وشركة تصنيع أشباه الموصلات سكاي ووتر تكنولوجي لتطوير ‘إمداد محلي ميسور التكلفة من هذه الرقائق الدقيقة’ للباحثين والشركات الناشئة.
يهدف هذا التعاون إلى إنتاج رقاقة سيليكون ستستضيف مئات الرقائق الدقيقة لتوزيعها بين المجتمع. سيحصل الباحثون على منصة رقاقة مسبقة التسوية، والتي تُعد ‘ملائمة للتكامل ولإجراء مقارنات أداء لأجهزتهم الجديدة مقابل الأجهزة الأخرى من المجتمع.’
وفقًا لجينا آدم، أستاذة مساعدة في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب بمدرسة الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة جورج واشنطن، سيوفر الشراكة:
“البنية التحتية البحثية اللازمة لتحقيق التقدم في مجال تكنولوجيا النانو وأجهزة أشباه الموصلات، خاصةً مع تحول التركيز الاستراتيجي للولايات المتحدة نحو إعادة تصنيع الرقائق الدقيقة محليًا.”
لتعزيز إنتاج الرقائق الدقيقة محليًا، أعلنت الحكومة الأمريكية عن خططها لاستثمار ما يقرب من US$162 million في شركة Microchip Technology (MCHP ) التي تتخذ من أريزونا مقرًا لها. سيكون التعاون بين الشركة والحكومة الأمريكية والشركة على شكل مذكرة تفاهم أولية غير ملزمة (PMT).
ستوفر الحكومة الأمريكية ملايين الدولارات في ‘حوافز فيدرالية’، والتي ستُوجه إلى مسارين: سيُصرف 90 مليون دولار أمريكي لتحديث وتوسيع منشأة التصنيع في كولورادو سبرينغز، وستُخصص الـ 72 مليون دولار المتبقية لتوسيع منشأة الشركة في غريشام، أوريغون.
تم تقديم تمويل مماثل بقيمة US$35 million في وقت سابق لشركة BAE Systems (BSP.DE ) Electronic Systems، وهي وحدة أعمال تابعة لشركة BAE Systems, Inc. وكان الهدف دعم تحديث مركز الإلكترونيات الدقيقة الخاص بالشركة.
باختصار، أصبحت الولايات المتحدة نشطة بوضوح، سواء على مستوى السياسات أو التنفيذ، لتشجيع إنتاج الرقائق الدقيقة في البلاد. ولديها جميع الأسباب لتكون نشطة بهذه الحماسة والحدة. ليس من الضروري فقط الحفاظ على سلاسل إمداد الحواسيب والهواتف الذكية والسيارات دون اضطراب. كما رأينا بالفعل، يمكن لوجود الرقائق الدقيقة تعزيز آليات الأمن الوطني وهياكل الأمن السيبراني.
تأخذ النهج الشامل للسلطات الأمريكية في الاعتبار ضرورة تحفيز التصنيع، وتشجيع البحث والتطوير، وتدريب القوى العاملة، وتعزيز الأنشطة المتعلقة بأمن تكنولوجيا المعلومات والاتصالات الدولية وسلسلة إمداد أشباه الموصلات.
المليارات من الدولارات التي تستعد السلطات الأمريكية لاستثمارها في جعل إنتاج الرقائق الدقيقة مشروعًا محليًا مزدهرًا نجحت أيضًا في جذب اللاعبين العالميين.
على سبيل المثال، أكبر وأهم لاعب على الخريطة، شركة تايوان لصناعة أشباه الموصلات (TSMC)، التزمت بأكثر من 12 مليار دولار أمريكي لبناء مصنع لتصنيع أشباه الموصلات في أريزونا. لدى إنتل خطط لبناء مصنع لتصنيع أشباه الموصلات بقيمة 20 مليار دولار أمريكي في أوهايو. وتملك شركة ميكرون تكنولوجي، إنك، خططًا أكثر طموحًا، حيث تقترح استثمار ما يصل إلى 100 مليار دولار أمريكي على مدى العقدين القادمين لبناء مصنع أشباه موصلات ضخم في شمال نيويورك.
مع وجود جميع هذه المبادرات وخطط العمل، لا يوجد سبب يجعل الولايات المتحدة تتخلف في سباق إنتاج الرقائق الدقيقة. ومع ذلك، للتنافس مع دول شرق آسيا التي تشغل ما يقرب من ثلاثة أرباع تصنيع الرقائق الحديثة عالميًا، سيتعين على الولايات المتحدة بناء خط أنابيب قوي للموهوبين وسلسلة إمداد متينة. كما يجب أن تكون على دراية بالطلب لتظل محمية من مخاطر السعة الزائدة والإمداد الفائض. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يظل التركيز على إعطاء الأولوية لإنتاج الأنواع الصحيحة من الرقائق.
وفقًا لسكوت كينيدي، المستشار الأول في مركز الدراسات الاستراتيجية والدولية:
(GS )“تحتاج الولايات المتحدة إلى توسيع إنتاج الرقائق لنوع معين من الرقائق المرتبطة مباشرة بالأمن القومي الأمريكي.”
ما إذا كانت الولايات المتحدة ستتمكن من زيادة تصنيع الرقائق الدقيقة، وذلك بطريقة مثلى ومناسبة، هو أمر سيتعين علينا مراقبته.
