فوسفات النيبيوم قد يجعل مراكز البيانات أكثر كفاءة من خلال معالجة ضعف المواد

محتاج موصل جديد للرقائق النانوية

عند إنتاج رقائق الحاسوب المتقدمة، كان التركيز التكنولوجي الرئيسي على تقليل حجم الترانزستورات وإنشاء أشكال أكثر تطورًا من مواد أشباه الموصلات. كان هذا هو القوة الدافعة وراء نجاح شركات مثل TSMC (TSM ), التي تصل الآن إلى عقد الرقائق بحجم 3 أو حتى 2 نانومتر.

ومع ذلك، عند هذا المستوى، تظهر بعض المشكلات الجديدة التي لا تتعلق بأشباه الموصلات. أحدها هو أن المواد الموصلة التقليدية مثل النحاس لا توصل الكهرباء بشكل جيد عندما يصبح سلك المعدن رفيعًا جدًا.

يمكن أن يتسبب ذلك في حدوث نقاط اختناق للتيار داخل الرقائق، مما يقلل من قدرة الحوسبة والكفاءة العامة، بالإضافة إلى التسبب في ارتفاع الحرارة.

لذلك، من المهم أن نعلم أن الباحثين في جامعة ستانفورد، جامعة أجو، سوون (كوريا الجنوبية)، ومركز أبحاث IBM واتسون قد طوروا مادة فائقة الرقة توصل الكهرباء بشكل أفضل من النحاس في هذه الظروف.

نشروا اكتشافهم في مجلة علمية مرموقة وهي Science، بعنوان “التوصيل السطحي وتقليل المقاومة الكهربائية في شبه المعدن غير المتبلور NbP الفائق الرقة¹“.

استبدال النحاس في الحوسبة

نظرًا لسعره المنخفض نسبيًا وموصليته الكهربائية الممتازة، كان النحاس هو المعدن الرئيسي للاتصال الكهربائي وهو أيضًا معدن أساسي في البطاريات، وشبكات الكهرباء، وغيرها.

ومع ذلك، بسبب ضعف موصلية النحاس على المقاييس النانوية أقل من 50 نانومتر، يبحث الباحثون عن بدائل منذ فترة. المشكلة هي أن الموصلات المعروفة التي تعمل على المستوى النانوي تتطلب هياكل بلورية دقيقة للغاية، والتي يجب تكوينها عند درجات حرارة مرتفعة جدًا.

هذا لا يمكن أن يعمل مع أشباه الموصلات والرقائق، حيث إن الحرارة العالية ستدمر مكونات السيليكون الهشة.

لذلك، بدأت السباق للعثور على موصل فائق الرقة لا يعتمد على أفلام بلورية أحادية.

فوسفات النيبيوم

عمل الباحثون مع فوسفات النيبيوم، مادة معروفة بخصائصها الكهربائية الفريدة، مثل الإلكترونات فائقة السرعة ومقاومة مغناطيسية عالية جدًا. تُستخدم بالفعل في تطبيقات الليزر والقدرة العالية / التردد العالي.

يُطلق على فوسفات النيبيوم اسم شبه المعدن الطوبولوجي: وهذا يعني أن المادة بأكملها يمكنها نقل الكهرباء، لكن السطح أكثر توصيلًا من الوسط.

لتبسيط المفهوم قليلًا، يمكننا القول إن كلما كان طبقة فوسفات النيبيوم أرق، زادت نسبة السطح، مع عدم وجود “وسط” تقريبًا. وبالتالي، من المتوقع أن كلما كان الفوسفات أرق، زادت موصليته.

وهذا هو بالضبط ما لاحظه الباحثون.

“كان يُعتقد أنه إذا أردنا الاستفادة من هذه الأسطح الطوبولوجية، نحتاج إلى أفلام بلورية أحادية جيدة يصعب جدًا ترسيبها. الآن لدينا فئة أخرى من المواد – هذه شبه المعادن الطوبولوجية – التي قد تعمل كوسيلة لتقليل استهلاك الطاقة في الإلكترونيات.”

Akash Ramdas – طالب دكتوراه في ستانفورد

هذا مجال جديد جدًا، حيث بدأ الفيزيائيون تجربة شبه المعادن الطوبولوجية فقط منذ عام 2015. ولم يُنتج فيلم رفيع أقل من 5 نانومتر من قبل.

درجة حرارة أقل لتطبيقات الحوسبة

درجة الحرارة المنخفضة تعني أن فوسفات النيبيوم غير منظم إلى حد ما، حيث توجد فقط نانوكريستالات في مصفوفة غير متبلورة.

المصدر: Stanford Report

عند التحليل المتعمق، يبدو أن الموصلية العالية تُعزى إلى قنوات موصلة على سطح الفيلم الفائق الرقة.

يمكن ترسيب الفيلم عند درجة حرارة 400°C فقط (752°F)، وهي درجة حرارة منخفضة بما يكفي لعدم إتلاف الترانزستورات السيليكونية القريبة في رقاقة الحاسوب. لذا فإن ذلك يجعلها مادة مثالية لربط المكونات الداخلية للرقاقة بمقاومة منخفضة وبالتالي إنتاج حرارة منخفض.

“إذا كان عليك صنع أسلاك بلورية مثالية، فهذا لن ينجح في النانوإلكترونيات.

ولكن إذا كان بإمكانك جعلها غير متبلورة أو غير مرتبة قليلًا وما زالت توفر لك الخصائص التي تحتاجها، فإن ذلك يفتح الباب أمام تطبيقات واقعية محتملة.”

Yuri Suzuki – أستاذ الفيزياء التطبيقية

موصلية عالية

عند مقارنة ذلك بأفلام فوسفات النيبيوم العادية، كان الفيلم الرقيق بسماكة 5 نانومتر أكثر موصلية بـ 6 مرات. وكان ذلك أيضًا أقل من المعادن التقليدية مثل النحاس.

عند سماكة 1.5 نانومتر، كانت المادة أكثر موصلية بمقدار الضعف مقارنة بالنحاس.

إذن، هذا هو بالفعل أول مثال على موصلات غير متبلورة، ذات درجة حرارة منخفضة، تتفوق على موصلية المعادن العادية على المستوى النانوي.

المصدر: Stanford Report

“الإلكترونيات ذات الكثافة العالية جدًا تحتاج إلى وصلات معدنية رقيقة جدًا، وإذا لم تكن تلك المعادن موصلة جيدًا، فإنها تفقد الكثير من الطاقة والقدرة.

المواد الأفضل يمكن أن تساعدنا على استهلاك طاقة أقل في الأسلاك الصغيرة ومزيد من الطاقة فعليًا في إجراء الحسابات.”

Eric Pop – أستاذ الهندسة الكهربائية

الخطوات التالية

الخطوة التالية مباشرة هي اختبار كيفية عمل سلك فوسفات النيبيوم في رقاقة حقيقية عند تطبيقه على النانوإلكترونيات، ليس فقط من حيث الموصلية ولكن أيضًا من حيث الموثوقية وكيفية دمجه في عملية التصنيع.

لهذا، سيحتاجون أولاً إلى بناء نانو سلك فوسفات النيبيوم على نطاق واسع.

عمل آخر سيكون التحقق مما إذا كان من الممكن أن تحمل هذه الفكرة مواد شبه معدنية أخرى قد تعمل بشكل أفضل من النيبيوم.

“لكي يتم اعتماد هذه الفئة من المواد في الإلكترونيات المستقبلية، نحتاج إلى أن تكون موصلات أفضل. لهذا السبب، نحن نستكشف شبه المعادن الطوبولوجية البديلة.”

Xiangjin Wu, طالب دكتوراه في ستانفورد

إزالة الحرارة الآن هي واحدة من العمليات المستهلكة للطاقة الرئيسية في مراكز البيانات هذه، بقدر استهلاك الحوسبة نفسها. وهذا صحيح بشكل خاص للرقائق بحجم 5-3 نانومتر، المطلوبة لتدريب الذكاء الاصطناعي وأعقد الحسابات.

لذا، على المدى الطويل، ستكون المواد الموصلة على المستوى النانوي أمرًا ضروريًا، حيث يصبح إنتاج الحرارة مشكلة متزايدة الحجم لمراكز البيانات التي تستخدم رقائق متقدمة.

من الممكن أيضًا أن تجد أفلام فوسفات النيبيوم الفائقة الرقة تطبيقات أخرى في التقنيات المتقدمة، خاصةً حيث تُستخدم هذه المادة بالفعل مثل معدات الليزر أو الاتصالات.

الاستثمار في المواد الموصلة المتقدمة

مع تصغير مكونات الرقائق المتقدمة وعناصر أشباه الموصلات، يتركز الصناعة نحو عدد قليل من الشركات المصنعة الكبيرة مثل TSMC (TSM ), Intel (INTC ) أو Nvidia (NVDA ) (تابع الروابط للحصول على تقارير مخصصة لكل من هذه الشركات).

يمكنك الاستثمار في الشركات المتعلقة بأشباه الموصلات عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، وكذلك العديد من البلدان الأخرى.

أو، إذا كنت تفضّل نهجًا أكثر تنوعًا، يمكنك الاستثمار في صناديق المؤشرات المتداولة المتعلقة بأشباه الموصلات مثل iShares Semiconductor ETF (SOXX)، VanEck Semiconductor ETF (SMH)، أو Global X Semiconductor ETF (SEMI).

يمكنك أيضًا معرفة المزيد عن سلسلة توريد معدات تصنيع أشباه الموصلات والشركات الرئيسية في “أفضل 10 أسهم لمعدات أشباه الموصلات لدعم التصنيع”.

شركة المواد المتقدمة للحوسبة

شركة International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) كانت القوة الرائدة وراء تجاريّة أول حاسوب رئيسي. كما كانت الشريك الصناعي الرئيسي مع باحثي ستانفورد في مشروع فوسفات النيبيوم.

تراجعت الشركة في حجم الإنتاج مقارنةً بعمالقة التقنية الآخرين مثل Apple (AAPL ) ، TSMC، وNVIDIA.

ومع ذلك، هي في طليعة تطوير مواد وتقنيات الحوسبة الجديدة.

تتقف IBM في طليعة التقدم في تكنولوجيا التوصيل، وتُعد شبه المعادن الطوبولوجية واحدة من تلك المجالات. لذا فهي ليست فقط رائدة في المواد الموصلة الفائقة الرقة الجديدة، بل أيضًا في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية.

تُعد هذه الموصلات الفائقة ضرورية لأجهزة الحوسبة الكمومية. مؤخرًا، طورت IBM “Condor”، معالج كمومي يضم 1,121 كيوبت موصل فائق قائم على تقنية بوابة التردد المتقاطع، إلى جانب “Heron”، معالج كمومي على حافة المجال.

المصدر: المصدر: IBM

تشارك IBM في معظم الابتكارات المتقدمة الأخرى في مجال الحوسبة وصناعة أشباه الموصلات. تشمل هذه المواد العضوية الموصلة، الحوسبة النيورومورفية، فوتونيكس، إلخ.

إلى حد ما، أصبحت IBM “شركة براءات اختراع” ذات خبرة في تطوير طرق حوسبة جديدة وترخيصها للصناعة.

حتى الآن، يبدو أن IBM عازمة جدًا على حيازة أكبر عدد ممكن من براءات الاختراع الرئيسية في جميع طرق الحوسبة غير القائمة على السيليكون، مكررةً نجاحها السابق عندما ساهمت بشكل كبير في تطوير صناعة أشباه الموصلات لتصبح العملاق الذي هي عليه اليوم.

فوسفات النيبيوم وغيرها من التقنيات المتعلقة بشبه المعادن الطوبولوجية ستتناسب تمامًا مع تلك الاستراتيجية، حيث تطور IBM التقنية لاستبدال النحاس في هذه الحالات، ثم ترخيصها لمصانع الرقائق الكبيرة لخطوات التصنيع.

مرجع الدراسة:

^{1. Khan, A. I., et al. (2025). التوصيل السطحي وتقليل المقاومة الكهربائية في شبه المعدن غير المتبلور NbP الفائق الرقة. Science, 387(62–67). https://doi.org/10.1126/science.adq7096}