सिमुलेशन का उपयोग करके चिप निर्माण को संयुक्त राज्य में वापस लाना

हालांकि माइक्रोचिप्स हमेशा से आधुनिक दुनिया के लिए महत्वपूर्ण रहे हैं, 2022 की आपूर्ति श्रृंखला संकट तक सरकारों और उद्योगों ने वैश्विक अर्थव्यवस्था में उनकी अत्यंत महत्वपूर्ण भूमिका को नहीं समझा। कमी इतनी गंभीर थी कि उद्योगों को अपनी विशाल असेंबली लाइनों को रोकने के अलावा कोई विकल्प नहीं बचा।

तो, माइक्रोचिप्स वैश्विक अर्थव्यवस्था के लिए इतने महत्वपूर्ण क्यों हैं? सरल शब्दों में, माइक्रोचिप्स आधुनिक प्रौद्योगिकी उद्योग की रीढ़ हैं, जो व्यक्तिगत कंप्यूटर, स्मार्टफ़ोन, रसोई उपकरण, कार, चिकित्सा उपकरण, और यहाँ तक कि कुछ पालतू जानवरों में पहचान के लिए भी आवश्यक हैं।

लेकिन इस महत्वपूर्ण महत्व के बावजूद, केवल कुछ ही देशों में वास्तविक कार्यात्मक माइक्रोचिप्स का उत्पादन संभव है, क्योंकि यह कार्य सटीक इंजीनियरिंग और तकनीकी नवाचार की सीमाओं को धकेलता है। अंततः, माइक्रोचिप निर्माण न केवल पूँजी-गहन उद्योग है, बल्कि इसके लिए अत्यधिक विशिष्ट कौशल वाले कार्यकर्ताओं की आवश्यकता होती है, जिसमें भौतिकी, सामग्री विज्ञान और विद्युत अभियांत्रिकी आदि शामिल हैं।

इसके अलावा, जहाँ ये माइक्रोचिप्स निर्मित होते हैं, जिन्हें फ़ैब्स कहा जाता है, उन्हें उत्पादन प्रक्रिया के लिए कड़े पर्यावरणीय परिस्थितियों की आवश्यकता होती है। इसमें विशिष्ट तापमान और आर्द्रता स्तर बनाए रखना और संभावित रूप से संदूषण को न्यूनतम करना शामिल है।

भले ही ऐसी पूर्ण स्थितियां प्राप्त हो जाएँ, निर्माण प्रक्रिया में कई चरण शामिल होते हैं, और प्रत्येक चरण को पूर्णता के साथ निष्पादित करना आवश्यक है। कोई भी त्रुटि माइक्रोचिप्स को बेकार बना सकती है।

इसके अलावा, निरंतर तकनीकी प्रगति छोटे और अधिक कुशल चिप्स की मांग करती है, जिससे फ़ैब्स पर अतिरिक्त दबाव पड़ता है। और जब वे किसी विशेष पीढ़ी की माइक्रोचिप्स का उत्पादन पूरी तरह से मास्टर कर लेते हैं, तो मांग की कमी के कारण वे पहले ही अप्रचलित हो सकती हैं।

ऐसे विशाल बाधाएँ बड़े पैमाने पर माइक्रोचिप्स का उत्पादन अधिकांश देशों के लिए, यहाँ तक कि सबसे धनी देशों के लिए भी, एक कठिन चुनौती बनाती हैं।

यहाँ तक कि संयुक्त राज्य, जो वैश्विक तकनीकी महाशक्ति और अर्धचालक डिज़ाइन में अग्रणी है, माइक्रोचिप निर्माण में शीर्ष स्थान पर नहीं है, क्योंकि यह प्रतिष्ठित स्थान ताइवान के पास है। यह ताइवान के दशकों लंबे अर्धचालक निर्माण निवेश और Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) (TSM ) जैसी कंपनियों की उपस्थिति का परिणाम है।

इन जटिलताओं से स्पष्ट होता है कि माइक्रोचिप्स के संदर्भ में आत्मनिर्भरता हासिल करना कितना चुनौतीपूर्ण है। हालांकि, हाल ही में प्रकाशित लेख के अनुसार संयुक्त राज्य ऊर्जा विभाग के प्रिंसटन प्लाज़्मा फिज़िक्स लैबोरेटरी की वेबसाइट पर, उनके वैज्ञानिक ऐसे कंप्यूटर प्रोग्राम विकसित कर रहे हैं जो माइक्रोचिप निर्माण में उपयोग किए जाने वाले प्लाज़्मा प्रक्रियाओं के सिमुलेशन को काफी सुधारेंगे।

ये नई एल्गोरिदम सटीकता और दक्षता के मामले में पारंपरिक सिमुलेशन तकनीकों से बेहतर प्रदर्शन कर सकते हैं, जिससे माइक्रोचिप उत्पादन प्रक्रिया तेज़ होती है और अंततः चिप निर्माण को संयुक्त राज्य में वापस लाने में मदद मिलती है।

एक दोहरा दृष्टिकोण

प्रिंसटन प्लाज़्मा फिज़िक्स लैबोरेटरी ने एक साथ दो शोध चलाए, और उनके फोकस क्षेत्रों में उद्देश्यों के संदर्भ में अंतर था। 

• पहला शोध इन सिमुलेशन की सटीकता को सुधारने पर केंद्रित था।
• दूसरे शोध का लक्ष्य माइक्रोचिप निर्माण में उपयोग किए जाने वाले प्लाज़्मा रिएक्टरों के सिमुलेशन समय को तेज़ करना था।

प्लाज़्मा सिमुलेशन में गति और सटीकता की आवश्यकता

सिलिकॉन वेफ़र पर जटिल पैटर्न, जो माइक्रोचिप्स बनाने के लिए उत्कीर्णित होते हैं, मुख्यतः प्लाज़्मा रिएक्टरों द्वारा निर्मित होते हैं। यह प्रक्रिया प्लाज़्मा के व्यवहार पर निर्भर करती है, जो एक विद्युत-आवेशित गैस है और इच्छित परिणाम प्राप्त करने के लिए इसे सावधानीपूर्वक नियंत्रित करना आवश्यक है। 

परम्परागत रूप से, परिणामों की भविष्यवाणी करने और उत्पादन विधियों को सुधारने के लिए प्लाज़्मा प्रक्रिया को उत्तेजित करना एक श्रमसाध्य और समय-ग्रहण कार्य रहा है। यहाँ PPPL के पहले शोध का महत्व है। यह कंप्यूटर एल्गोरिदम बनाकर इस स्थिति को बदलने का लक्ष्य रखता है, जो इन सिमुलेशन के लिए आवश्यक समय को काफी कम कर सकते हैं। 

और उन्होंने इसमें सफलता प्राप्त की है, क्योंकि उनकी टीम ने सिमुलेशन समय को हफ्तों से संभावित रूप से दिनों या यहाँ तक कि घंटों में घटा दिया, बिना महत्वपूर्ण विवरण का त्याग किए। PPPL के वैज्ञानिकों ने यह कैसे किया, तो उन्होंने इतिहास को दोबारा देखा और पुराने एल्गोरिदम, विशेष रूप से 1980 के दशक में बनाए गए, को परिष्कृत किया, ताकि वांछित परिणाम प्राप्त हो सकें। 

सिमुलेशन सटीकता को संबोधित करना

अपने दूसरे शोध में, PPPL की शोध टीम ने सिमुलेशन सटीकता की समस्या को संबोधित किया। प्लाज़्मा व्यवहार की जटिलता को देखते हुए, यह सुनिश्चित करना आवश्यक है कि सिमुलेशन वास्तविक प्रतिक्रियाओं के निकट हों, ताकि माइक्रोचिप उत्पादन विधियों की दक्षता बढ़े। हालांकि, सटीक रूप से अनगिनत प्लाज़्मा कणों के व्यवहार को सिमुलेट करने के लिए एक महत्वपूर्ण कंप्यूटिंग प्रयास historically काफी चुनौतीपूर्ण रहा है।

इस समस्या से निपटने के लिए, PPPL की शोध टीम ने सिमुलेशन में प्लाज़्मा कणों के प्रतिनिधित्व को सरल बनाया। प्रत्येक कण को व्यक्तिगत रूप से ध्यान में रखने के बजाय, उन्होंने उन्हें बड़े, अधिक प्रबंधनीय इकाइयों में समूहित करने की विधि विकसित की। यह दृष्टिकोण कंप्यूटेशनल बोझ को काफी घटाता है, जिससे सिमुलेशन तेज़ और अधिक सुलभ बनते हैं। 

हालांकि, प्रारम्भ में यह सरलीकरण प्लाज़्मा व्यवहार की वास्तविक गतिशीलता को विकृत करने का जोखिम रखता था, जिससे कम सटीक भविष्यवाणियां हो सकती थीं। इस बाधा को पार करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सिमुलेशन के पैरामीटर को समायोजित किया, जिससे ये कण क्लस्टर बड़े और कम घने हो गए। यह संशोधन सुनिश्चित करता है कि सिमुलेशन की भविष्यवाणियां बनी रहें, क्योंकि कणों की अंतःक्रिया वास्तविक प्लाज़्मा के समान अधिक निकट होगी। 

सटीकता और सरलीकरण के बीच यह सावधानीपूर्ण संतुलन माइक्रोचिप निर्माण प्रक्रियाओं को सुधारने की महत्वपूर्ण संभावना रखता है।

परिवर्तन के लिए उत्प्रेरक

PPPL का शोध तकनीकी क्षेत्र से परे महत्व रखता है, क्योंकि यह वैश्विक अर्धचालक बाजार की रणनीतिक गतिशीलता, विशेषकर संयुक्त राज्य के लिए प्रभाव डालता है। अंततः, यह खोज माइक्रोचिप निर्माण परिदृश्य को पुनः परिभाषित करने की क्षमता रखती है, क्योंकि यह ऐसे उपकरण प्रदान करती है जो माइक्रोचिप उत्पादन में समय और लागत को कम कर सकते हैं। उत्पादन प्रक्रियाओं को शीघ्रता से अनुकूलित और सुधारने की क्षमता एक ऐसे उद्योग में महत्वपूर्ण है जहाँ बाजार नेतृत्व अक्सर नवाचार की गति पर निर्भर करता है।

इसके अलावा, उन्नत सिमुलेशन उपकरणों की उपलब्धता अमेरिकी स्टार्टअप्स और छोटे व्यवसायों को स्थापित वैश्विक दिग्गजों के मुकाबले अधिक प्रभावी ढंग से प्रतिस्पर्धा करने में सक्षम बना सकती है। इससे अमेरिकी अर्धचालक क्षेत्र में नवाचार की लहर उत्पन्न हो सकती है, क्योंकि अधिक कंपनियां बाजार में प्रवेश करके माइक्रोचिप डिज़ाइन और उत्पादन के लिए नई विचारधाराएं और कार्यप्रणालियां प्रदान करेंगी।

राष्ट्रीय सुरक्षा और आर्थिक लचीलापन को सुदृढ़ करना

वर्तमान वैश्विक उथल-पुथल और भू-राजनीतिक तनावों ने आपूर्ति श्रृंखलाओं को असुरक्षित बना दिया है। आवश्यक घटकों जैसे माइक्रोचिप्स के लिए अन्य देशों पर निर्भरता राष्ट्रीय जोखिम पैदा करती है। संयुक्त राज्य ने 2022 के अर्धचालक आपूर्ति शॉक के दौरान इस जोखिम की सीमा को समझा, और निष्कर्ष निकाला कि माइक्रोचिप आपूर्ति में कोई भी व्यवधान अमेरिकी तकनीकी उद्योग की वैश्विक प्रभुत्व को गंभीर रूप से प्रभावित कर सकता है।

PPPL अध्ययन व्यापक सरकारी पहलों, जैसे CHIPS अधिनियम, के साथ संरेखित है, जिसका उद्देश्य अर्धचालक उद्योग में अमेरिकी प्रभुत्व को पुनर्स्थापित करना है। 9 अगस्त 2022 को CHIPS और विज्ञान अधिनियम के रूप में लागू किया गया, यह घरेलू अर्धचालक निर्माण को सुदृढ़ करने और विदेशी स्रोतों पर निर्भरता को कम करने के लिए लगभग $280 बिलियन की फंडिंग आवंटित करता है। यह फंडिंग अनुसंधान और विकास, घरेलू निर्माण प्रोत्साहन, और आपूर्ति श्रृंखला सुदृढ़ीकरण उपायों का समर्थन करती है।

हमारी अर्धचालक क्षमताओं को सुरक्षित करने और पुनर्जीवित करने की दिशा में बदलाव केवल आर्थिक लचीलापन और राष्ट्रीय सुरक्षा को बनाए रखने के बारे में नहीं है; यह उत्पादन और प्रौद्योगिकी में अगली क्रांति—इंडस्ट्री 4.0—के मार्ग को प्रशस्त करने का एक महत्वपूर्ण कदम भी है।

इंडस्ट्री 4.0 के लिए मुख्य स्तंभ का निर्माण

IBM इंडस्ट्री 4.0 को एक ऐसा क्षेत्र मानता है जहाँ स्मार्ट मैन्युफैक्चरिंग एक प्रमुख भूमिका निभाएगा। दूसरे शब्दों में, इंडस्ट्री 4.0 का लक्ष्य विनिर्माण क्षेत्र को डिजिटल रूप से परिवर्तित करना है, जहाँ निर्णय वास्तविक समय में प्रदान किए जाएंगे, जिससे उत्पादकता बढ़ेगी और उत्पादन एवं वितरण प्रक्रिया को अधिकतम लचीला और चपल बनाने का अंतिम लक्ष्य प्राप्त होगा।

संयुक्त राज्य के लिए इंडस्ट्री 4.0 में अग्रणी बनने के लिए माइक्रोचिप्स अत्यंत आवश्यक होंगे। गोल्डमैन सैक्स के एक अध्ययन ने पहले ही दिखाया है कि माइक्रोचिप की कमी 169 तक उद्योगों को प्रभावित कर सकती है, जिसमें मेड-टेक, कृषि मशीनरी, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, ऊर्जा और एंटरप्राइज़ शामिल हैं। उदाहरण के तौर पर, 2021 में, विश्व प्रसिद्ध कार कंपनी Renault को 500,000 कारें बनाने में असमर्थता का सामना करना पड़ा।

यह असुरक्षा मुद्दे की गंभीरता को उजागर करती है, क्योंकि पहले उल्लेखित ताइवान पर बढ़ती निर्भरता का अर्थ आपूर्ति श्रृंखला में अचानक व्यवधान हो सकता है, जैसा कि COVID-19 महामारी के दौरान हुआ था, जिससे प्रणाली पूरी तरह से टूट सकती है।

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संयुक्त राज्य का माइक्रोचिप उत्पादन में भविष्य

संयुक्त राज्य ने यह अच्छी तरह समझ लिया है कि एक लचीले और आत्मनिर्भर आर्थिक भविष्य के लिए माइक्रोचिप्स कितने महत्वपूर्ण हो सकते हैं। इस समझ ने देश को ऐसे सिस्टम को प्रोत्साहित करने के लिए प्रेरित किया है जहाँ परिणाम श्रेष्ठ-स्तर के माइक्रोचिप्स होते हैं।

जॉर्ज वॉशिंगटन विश्वविद्यालय और चार अन्य शैक्षणिक शोध साझेदार, उदाहरण के तौर पर, सहयोग किया है संयुक्त राज्य वाणिज्य विभाग के राष्ट्रीय मानक और प्रौद्योगिकी संस्थान, Google, और अर्धचालक निर्माता SkyWater Technology (SKYT ) के साथ, ताकि ‘घरेलू, किफायती ऐसे माइक्रोचिप्स की आपूर्ति‘ शोधकर्ताओं और स्टार्टअप्स के लिए विकसित की जा सके।

यह सहयोग सिलिकॉन वेफ़र बनाने का लक्ष्य रखता है, जो समुदाय में वितरण के लिए सैकड़ों माइक्रोचिप्स को होस्ट करेंगे। शोधकर्ताओं को एक प्री-प्लेनराइज़्ड चिप प्लेटफ़ॉर्म तक पहुंच होगी, जो ‘एकीकरण और उनके नवाचारी उपकरणों के प्रदर्शन को समुदाय के अन्य उपकरणों के खिलाफ बेंचमार्क करने के लिए उपयुक्त’ है।

गिना एडम, GW के स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंस में इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग विभाग की सहायक प्रोफेसर, के अनुसार, यह साझेदारी प्रदान करेगी:

“नैनोटेक्नोलॉजी और अर्धचालक उपकरणों के क्षेत्र में प्रगति करने के लिए आवश्यक शोध बुनियादी ढांचा, विशेष रूप से जब संयुक्त राज्य माइक्रोचिप उत्पादन को पुनःस्थापित करने के लिए अपनी रणनीतिक दिशा बदल रहा है।”

घरेलू माइक्रोचिप उत्पादन को बढ़ावा देने के लिए, संयुक्त राज्य सरकार ने लगभग US$162 मिलियन को एरिज़ोना-स्थित Microchip Technology (MCHP ) में निवेश करने की योजना घोषित की।

व्यवसाय, अमेरिकी सरकार और कंपनी के बीच सहयोग एक गैर-बाध्यकारी प्रारंभिक शर्तों के ज्ञापन (PMT) समझौते के रूप में होगा।

अमेरिकी सरकार ‘संघीय प्रोत्साहन’ के रूप में मिलियन डॉलर प्रदान करेगी, जिन्हें दो प्रवाहों में वितरित किया जाएगा: US$90 मिलियन कंपनी की कोलोराडो स्प्रिंग्स फैब्रिकेशन सुविधा को आधुनिकीकरण और विस्तार में खर्च किए जाएंगे, और शेष US$72 मिलियन कंपनी की ग्रेशम, ओरेगन सुविधा के विस्तार में जाएंगे।

एक समान फंडिंग US$35 मिलियन पहले BAE Systems (BSP.DE ) Electronic Systems, BAE Systems, Inc. की एक व्यावसायिक इकाई को प्रदान की गई थी। इसका उद्देश्य कंपनी के माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स सेंटर के आधुनिकीकरण का समर्थन करना था।

संक्षेप में, संयुक्त राज्य ने नीति स्तर और कार्यान्वयन स्तर दोनों पर स्पष्ट रूप से सक्रियता दिखाई है, ताकि देश में माइक्रोचिप उत्पादन को प्रोत्साहित किया जा सके। और इसके पास इतनी ऊर्जा और तीव्रता से सक्रिय होने के सभी कारण हैं। यह केवल कंप्यूटर, स्मार्टफ़ोन और कारों की आपूर्ति लाइनों को बिना बाधा के रखना आवश्यक नहीं है। जैसा कि हमने पहले देखा है, माइक्रोचिप्स की उपस्थिति राष्ट्रीय सुरक्षा तंत्र और साइबर सुरक्षा संरचनाओं को मजबूत कर सकती है।

अमेरिकी अधिकारियों का 360-डिग्री दृष्टिकोण निर्माण को प्रोत्साहित करने, अनुसंधान और विकास को बढ़ावा देने, प्रशिक्षित कार्यबल को विकसित करने, और अंतर्राष्ट्रीय सूचना संचार प्रौद्योगिकी सुरक्षा तथा अर्धचालक आपूर्ति श्रृंखला से संबंधित गतिविधियों को सुदृढ़ करने की आवश्यकता को ध्यान में रखता है।

माइक्रोचिप उत्पादन को एक सफल घरेलू उद्यम बनाने में अमेरिकी अधिकारियों द्वारा निवेश के लिए तैयार अरबों डॉलर ने वैश्विक खिलाड़ियों को भी आकर्षित किया है।

उदाहरण के तौर पर, मानचित्र पर सबसे बड़ा और सबसे महत्वपूर्ण खिलाड़ी, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), ने एरिज़ोना में एक अर्धचालक फ़ैब्रीकेशन प्लांट बनाने के लिए US$12 बिलियन से अधिक निवेश करने का वचन दिया है। Intel (INTC ) ने ओहायो में US$20 बिलियन का अर्धचालक निर्माण प्लांट बनाने की योजना बनाई है। Micron Technology, Inc. (MU ) ने अगले दो दशकों में न्यूयॉर्क के अपस्टेट में एक विशाल अर्धचालक फैक्ट्री बनाने के लिए US$100 बिलियन तक निवेश करने की योजना बनाई है।

इन सभी पहलों और कार्य योजनाओं के साथ, संयुक्त राज्य को माइक्रोचिप उत्पादन की दौड़ में पीछे रहने का कोई कारण नहीं है। हालांकि, पूर्वी एशियाई देशों के साथ प्रतिस्पर्धा करने के लिए, जो वैश्विक आधुनिक चिप निर्माण का लगभग तीन-चौथाई हिस्सा रखते हैं, संयुक्त राज्य को एक मजबूत प्रतिभा और आपूर्ति श्रृंखला पाइपलाइन बनानी होगी। इसे मांग के प्रति सतर्क रहना होगा ताकि यह अधिक उत्पादन क्षमता और अतिरिक्त आपूर्ति के जोखिम से सुरक्षित रहे। साथ ही, ध्यान सही प्रकार के चिप्स के उत्पादन को प्राथमिकता देने पर रहना चाहिए।

सेंट्रल फॉर स्ट्रैटेजिक एंड इंटरनेशनल स्टडीज़ के वरिष्ठ सलाहकार स्कॉट केनेडी के अनुसार:

“संयुक्त राज्य को उन विशिष्ट प्रकार के चिप्स के उत्पादन को बढ़ाने की आवश्यकता है जो सीधे अमेरिकी राष्ट्रीय सुरक्षा से जुड़े हैं।”

क्या संयुक्त राज्य माइक्रोचिप उत्पादन को बढ़ा पाएगा और वह भी सही अनुकूलित तरीके से, यह कुछ ऐसा है जिसे हमें नज़र में रखना होगा।