با پایان‌ یافتن عمر سیلیکون، گام بعدی برای تراشه‌ها چه خواهد بود؟

ظهور تراشه سیلیکونی نیمه‌هادی، انقلابی در دنیای الکترونیک و کامپیوتریزه شدن زندگی به‌وجود آورد که سال‌های ابتدایی قرن بیست‌ویکم را کاملاً متمایز کرد. مدارهای مجتمع سیلیکونی (Integrated Circuit) یا به‌عبارتی همان آی‌سی‌ها (IC) زیربنا و پایه‌ی تمام دنیای دیجیتالی پیرامون ما را تشکیل می‌دهند و سیستم‌های ما را کنترل می‌کنند و امکان دسترسی و اشتراک‌گذاری اطلاعات را در یک چشم‌بر‌هم زدن برای ما فراهم می‌کنند.

پیشرفت ترانزیستورهای سیلیکونی از پیدایش نخستین نمونه در سال ۱۹۴۷ میلادی (۱۳۲۶ شمسی) تاکنون بسیار سریع رقم خورده و در طی این سال‌ها مجموع تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه‌ی مدار مجتمع ابتدایی از چند هزار عدد به بیشتر از دو میلیارد عدد رسیده است. براساس قانون مور (Moore’s Law) که بعد از گذشت ۵۰ سال هنوز اعتبار دارد، تراکم ترانزیستورها در هر دو سال دو برابر خواهد شد.

با این همه، این قطعات با چالش بزرگی روبه‌رو هستند: آخرین مدار مجتمع تولیدشده معماری ۵ نانومتری دارد که اندازه‌ی آن بین یک سلول خونی (۷٬۵۰۰ نانومتر) و یک رشته دی‌ان‌ای (۲٫۵ نانومتر) قرار می‌گیرد. همچنین، اندازه‌ی اتم‌های سیلیکونی منفرد (حدود ۰٫۲ نانومتر) در مدارهای مجتمع با عرضی به‌اندازه یک اتم، محدودیت فیزیکی دشواری ایجاد خواهند کرد و از سوی دیگر، ثبات رفتار و عملکرد آن را نیز از بین می‌برند و کنترل آن را سخت خواهند کرد. درنتیجه، چاره چیست؟ آیا کاهش اندازه‌ی تراشه‌های سیلیکونی تنها راه بهبود عملکرد آن‌ها است؟

باید یادآور شد که ناتوانی در کاهش اندازه‌ی آی‌سی‌ها روند رشد قدرت قطعات سیلیکونی را منقطع خواهد کرد. برای مقابله با این چالش تجدیدنظر درباره‌ی شیوه‌ی تولید دستگاه‌ها یا حتی ارائه‌ی جایگزین برای سیلیکون امری اجتناب‌ناپذیر تلقی می‌شود. در این مقاله قصد داریم راه‌های دیگر برای بهبود عملکرد تراشه‌های سیلیکونی را به‌غیر از کاهش اندازه‌ی آن‌ها بررسی کنیم، با lastech همراه باشید.

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

برای درک چالش پیش رو، ابتدا باید بدانیم که چرا سیلیکون تبدیل به بهترین ماده‌ی اولیه برای قطعات الکترونیکی شد. گذشته از امتیازاتی نظیر دسترسی فراوان به این ماده و استخراج آسان آن و خصوصیت‌های فیزیکی خوب، وجود اکسید بومی باثبات آن باعث می‌شود که عایق خوبی نیز به‌شمار آید و تمام ویژگی‌های ضروری برای به‌کارگیری در تراشه را داشته باشد. البته، این ماده کاستی‌هایی نیز دارد.

برای مثال، یکی از مزایای مهم افزایش ترکیب ترانزیستورهای بیشتر روی یک تراشه این است که می‌تواند منجر به افزایش سرعت پردازش داده‌ها در مدار مجتمع شود؛ اما، این افزایش سرعت اساساً با میزان توانایی جابه‌جایی و رانش الکترون‌ها درون ماده‌ی نیمه‌هادی رابطه مستقیم دارد که به آن تحریک‌پذیری الکترون‌ها (Electron Mobility) می‌گویند. با اینکه الکترون‌ها در سیلیکون کاملاً متحرک هستند؛ اما در قیاس با سایر ماده‌های نیمه‌هادی مثل گالیم آرسنید، ایندیوم آرسنید و ایندیم آنتیمونید تحرک بسیار کمتری دارند. پس نخستین مشکل به‌کارگیری سیلیکون، ظرفیت کمِ تحریک‌پذیری الکترون‌ها است.

با‌این‌حال اما، تمام خواص رسانایی مفید نیمه‌هادی‌ها فقط در تحرک الکترون‌ها خلاصه نمی‌شود و جنبش آنچه حفره‌های الکترونی (Electron Hole) می‌نامند نیز بر خاصیت رسانایی و سرعت انتقال اطلاعات تأثیر دارد. درواقع، حفره الکترونی شکاف‌های باقی‌مانده در شبکه الکترون‌هایی است که پس‌ از حرکت الکترون‌ها، آن‌ها نیز جابه‌جا می‌شوند و به دور هسته می‌چرخند و رسانایی را افزایش می‌دهند.

آی‌سی‌های امروزی از تکنیک ساخت سیماس (CMOS) یا همان نیمه‌رسانای اکسید-فلز مکمل بهره می‌برند و یک جفت ترانزیستور را به‌کار می‌گیرند که یکی از آن‌ها از تحرک الکترون‌ها و دیگری از حفره‌های الکترونی استفاده می‌کند؛ اما رانش حفره‌های الکترونی در سیلیکون بسیار ضعیف است و مانعی بر سر راه عملکرد بالاتر به‌شمار می‌رود، تا آنجا که برای چند سال تولیدکنندگان را مجبور می‌کرد برای افزایش سرعت رانش از ژرمانیوم در کنار سیلیکون استفاده کنند.

مشکل دیگر سیلیکون کاهش عجیب عملکرد آن در دمای بالا است. آی‌سی‌های مدرن با وجود میلیاردها ترانزیستور گرمای درخور توجهی تولید می‌کنند که تلاش زیادی برای خنک‌سازی آن‌ها به‌وسیله‌ی فن‌ها و سینک‌های حرارتی صرف می‌شود (برای مثال می‌توان به پردازنده‌های کامپیوترهای رومیزی اشاره کرد که مجهز به فن می‌شوند). درمقابل، نیمه‌رساناهایی مثل گالیوم نیترید (GaN) و سیلیکون کاربید یا سیلیسیم کاربید (SiC) در دماهای بالا بهتر از عهده‌ی کار برمی‌آیند و می‌توانند با سرعت بیشتری به فعالیت خود ادامه دهند؛ بنابراین، در مواردی مثل تقویت‌کننده‌های الکترونیکی که پرمصرف هستند، جایگزین سیلیکون شده‌اند تا عملکردشان کاهش نیابد.

آخرین مشکل اساسی سیلیکون ضعف آن در انتقال نور است. درحالی‌که امروزه لیزرها، ال‌ای‌دی‌ها و دیگر دستگاه‌های فوتونیک پیچیدگی خاصی ندارند؛ اما از ترکیبات نیمه‌هادی جایگزین سیلیکون استفاده می‌کنند. درنتیجه، این مسئله باعث به‌ وجود آمدن دو صنعت متمایز شد: یکی استفاده از سیلیکون در ساختار الکترونیک و دیگری ترکیبات نیمه‌هادی در ساختار فوتونیک. این موقعیت برای سال‌ها به‌همین شکل ادامه داشت؛ اما در چند سال اخیر فشار زیادی برای ترکیب الکترونیک و فوتونیک روی یک تراشه اعمال شده و همین مسئله برای تولیدکنندگان مشکل اساسی ایجاد کرده است.

تغییر سیلیکون به‌جای تغییر اندازه

تولیدکنندگان برای یافتن راه دیگری به‌منظور بهبود عملکرد تراشه‌های سیلیکونی به‌جای کاهش اندازه‌ی نانومتری معماری تراشه‌ها براساس قانون مور راه‌های مختلفی را آزمایش کردند و درنهایت به این نتیجه رسیدند که رویه‌ی استفاده از سیلیکون را تغییر دهند. در این راستا، ماده‌های مختلفی برای ترکیب با سیلیکون به‌منظور بهبود عملکرد تحت بررسی و آزمایش قرار گرفتند و در بین آن‌ها در نهایت سه ماده انتخاب شدند.

اولین ماده مربوط به رفع ضعف سیلیکون در رانش حفره‌های الکترونی بود. مقدار کمی ژرمانیوم از قبل برای بهبود این مسئله در تراشه‌ها اضافه شده است؛ اما افزایش مقدار آن یا حتی استفاده از ترانزیستورهای تماماً ژرمانیومی می‌تواند شرایط را بهتر کند. ژرمانیوم اولین ماده برای استفاده در نیمه‌رساناها بوده است؛ بنابراین، به‌کارگیری مجدد آن دقیقاً بازگشت به آینده است. با‌این حال، بازسازی مجدد صنعت گسترده‌ی نیمه‌رساناها با ژرمانیوم و حذف سیلیکون برای تولید‌کنندگان بسیار دشوار و هزینه‌بر خواهد بود.

دومین ماده مربوط به موضوع اکسید فلز می‌شود. سیلیکون دی اکسید برای سال‌ها درون نیمه‌رساناها به‌کار گرفته شده بود؛ اما با کوچک‌سازی لایه‌ی سیلیکون دی اکسید، این لایه به‌قدری نازک شد که خاصیت عایق خود را از دست داد و باعث شد ترانزیستورها تقریباً نامطمئن شوند. بعد از انجام تحقیقات بسیار، استفاده از ماده‌ی کمیاب دی اکسید هافنیوم (HfO2) به‌عنوان عایق جایگزین آغاز شد. البته، باوجود حرکت به‌ سمت استفاده از این ماده کمیاب تحقیقات همچنان روی گزینه‌های جایگزین با خواص عایق بهتر ادامه دارد.

در وهله‌ی بعدی و برای رفع دیگر مشکل استفاده از سیلیکون، از همه جالب‌تر شاید استفاده از نیمه‌هادی‌های مرکب III-V باشد، به‌خصوص نمونه‌هایی که حاوی ایندویم هستند، مثل آرسنید ایندیوم و ایندیوم آنتیمونید. این دسته از نیمه‌رساناها تحریک‌پذیری الکترونی ۵۰ برابر بزرگ‌تر از سیلیکون ارائه می‌کنند و زمانی‌ که با ترانزیستورهای غنی‌شده با ژرمانیوم ترکیب شوند، قادر خواهند بود سرعت را به‌طرز چشمگیری افزایش دهند.

بااین‌حال، همه‌چیز به آن سادگی که به‌نظر می‌رسد پیش نمی‌رود. سیلیکون، ژرمانیوم، اکسیدها و ماده‌های III-V همگی ساختارهای کریستالی دارند که خواصشان به یکپارچگی کریستالی وابسته است. بنابراین، نمی‌توان آن‌ها را به‌راحتی با سیلیکون ترکیب کرد و انتظار بهترین عملکرد را از آن‌ها داشت. بنابراین، حل مشکل عدم تطابق شبکه کریستالی تبدیل به چالش اصلی این فناوری شد. برای حل این مشکل نیز راه‌های مختلفی مورد بررسی قرار گرفتند که در نهایت منجر به استفاده‌ی بهتر از سیلیکون شد.

انواع سیلیکون

با وجود تمام محدودیت‌هایی که سیلیکون دارد؛ قطعات الکترونیکی سیلیکونی ثابت کرده‌اند که سازگار، مطمئن و مقرون‌به‌صرفه در مقیاس بازار دستگاه‌های انبوه هستند. بنابراین، برخلاف تصور «پایان عصر سیلیکون» یا وعده‌های غیرواقعی و غیرعادی درباره‌ی ماده‌های جایگزین آن، سیلیکون همچنان ثابت کرد که بهترین انتخاب است و به‌شدت توسط صنعت جهانی توسعه‌یافته‌ی نیمه‌رساناها پشتیبانی می‌شود و حداقل تا پایان زندگی ما کنار گذاشته نخواهد شد.

درعوض، پیشرفت در حوزه‌ی الکترونیک به سمت و سوی بهبود عملکرد سیلیکون ازطریق ادغام با دیگر ماده‌ها سوق داده خواهد شد. شرکت‌هایی مثل، آی‌بی‌ام و اینتل و آزمایشگاه‌های دانشگاه‌ها در سراسر دنیا زمان و تلاش خود را برای رویارویی با این چالش صرف کردند و نتایج به‌دست‌آمده از تحقیقات وعده‌ی رویکرد هیبریدی را می‌دهند که در آن ترکیب ماده‌های III-V، سیلیکون و ژرمانیوم می‌تواند در طی چند سال بازار را فتح کند.

نیمه‌رسانا‌های مرکب پیش‌ از این در حوزه‌های مهمی نظیر لیزرها، لامپ‌ها و نمایشگرهای LED و صفحات خورشیدی که سیلیکون هیچ حرفی برای گفتن در آن‌ها ندارد، قدرت خود را به‌ رخ کشیدند. اما، در ادامه ترکیبات پیشرفته‌ی بیشتری نیاز خواهیم داشت زیرا دستگاه‌های الکترونیکی هر لحظه در حال کوچک‌تر شدن و کم‌مصرف‌تر شدن هستند. علاوه‌براین، دستگاه‌های الکترونیکی پرمصرف با توجه به ویژگی‌هایی که فراتر از ظرفیت سیلیکون دارند، نیاز به ترکیبات پیشرفته را تشدید می‌کنند.

آینده‌ی دنیای الکترونیک بسیار روشن است. با اینکه بخش اعظمی از آن هنوز وامدار سیلیکون خواهد بود؛ اما این بار سیلیکون در ترکیب با دیگر ماده‌ها انواع مختلفی خواهد داشت تا ویژگی‌های بهبودیافته‌ی بیشتری فراهم کند.

دیدگاه شما کاربران lastech درباره‌ی آینده‌ی تراشه‌ها چیست؟