تهدد أزمة الرقائق الكبيرة وعد قانون مور

ASML Cleanroom Assembly

تسمح آلة الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية الشديدة للمصنعين بصنع رقائق رائدة بميزات يبلغ حجمها بضعة نانومترات.ASML



بعد مرور عام على انتشار جائحة covid-19 ، احتفلت Apple بالمجموعة المتزايدة من الأجهزة التي تتميز بشريحة M1 المخصصة مع ضجة كبيرة ، بما في ذلك إعلان مهمة غير معقولة على شاشة التلفزيون يظهر شابًا يركض عبر أسطح مباني حرم سفينة الفضاء في كوبرتينو ويتسلل إلى المنشأة لسرقة المعالج الدقيق من جهاز MacBook ووضعه داخل جهاز iPad Pro.

شريحة Apple المصممة خصيصًا هي أحدث انتصار لـ قانون مور ، تحولت الملاحظة إلى نبوءة تتحقق من تلقاء نفسها مفادها أن صانعي الرقائق يمكنهم مضاعفة عدد الترانزستورات على رقاقة كل بضع سنوات. ال م 1 يحتوي على 16 مليار ترانزستور على معالج دقيق بحجم طابع بريدي كبير. إنها أعجوبة من براعة تصنيع أشباه الموصلات اليوم.





قضية التغيير

كانت هذه القصة جزءًا من إصدار يوليو 2021

  • انظر إلى بقية القضية
  • يشترك

ولكن حتى عندما احتفلت شركة Apple بـ M1 ، كان العالم يواجه أزمة اقتصادية مدمرة النقص في الرقائق الدقيقة ، لا سيما تلك الرخيصة نسبيًا التي تجعل العديد من تقنيات اليوم ممكنة.

قامت شركات صناعة السيارات بإغلاق خطوط التجميع وتسريح العمال لأنهم لا يستطيعون الحصول على ما يكفي من الرقائق بدولار واحد. لجأ المصنعون إلى بناء مركبات بدون الرقائق اللازمة لأنظمة الملاحة ، ومرايا الرؤية الخلفية الرقمية ، وشاشات العرض التي تعمل باللمس ، وأنظمة إدارة الوقود. بشكل عام ، يمكن أن تخسر صناعة السيارات العالمية أكثر من 110 مليار دولار للنقص في عام 2021.



كما تباطأ الإنتاج أيضًا للهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة ألعاب الفيديو وأجهزة التلفزيون وحتى الأجهزة الذكية ، كل ذلك بسبب نقص الرقائق الدقيقة الرخيصة. إن استخدامها ضروري للغاية وواسع الانتشار لدرجة أن بعض المراقبين يعتقدون أن أزمة الرقائق يمكن أن تهدد الانتعاش الاقتصادي العالمي من الوباء.

يسلط النقص العالمي الضوء بشدة على قدرة صناعة أشباه الموصلات على تقديم شرائح ميكروية أرخص وأقوى. ألهم الوعد الطويل الأمد للرقائق ذات القدرات المتزايدة المهندسين والمبرمجين ومصممي المنتجات لإنشاء أجيال من المنتجات والخدمات الجديدة. لقد كان قانون مور أكثر من مجرد خارطة طريق لصناعة أشباه الموصلات - لقد تحكم التغيير التكنولوجي على مدى نصف القرن الماضي.

الآن هذا الوعد بمزيد من قوة الحوسبة في كل مكان ينهار ، ولكن ليس لأن صانعي الرقائق واجهوا أخيرًا الحدود المادية للتكنولوجيا لصنع ترانزستورات أصغر. وبدلاً من ذلك ، شجعت التكاليف المتزايدة لاستدامة قانون مور على الاندماج بين صانعي الرقائق وخلقت المزيد من نقاط الاختناق في الأعمال المعقدة للغاية لإنتاج الرقائق.

على الرغم من أن الرقائق الدقيقة أصبحت ضرورية في العديد من المنتجات ، فقد أصبح تطويرها وتصنيعها تحت سيطرة عدد صغير من المنتجين بقدرة محدودة - وشهية - لإنتاج رقائق السلع الأساسية التي تعتبر عنصرًا أساسيًا في تقنيات اليوم. ولأن صناعة الرقائق تتطلب مئات من خطوات التصنيع وشهورًا من وقت الإنتاج ، فلا يمكن لصناعة أشباه الموصلات أن تتمحور بسرعة لتلبية الزيادة في الطلب التي يغذيها الوباء.



بعد عقود من القلق بشأن كيفية اقتناص ميزات صغيرة مثل بضعة نانومترات على رقائق السيليكون ، أصبحت روح قانون مور - توقع أن الرقائق الرخيصة والقوية متاحة بسهولة - مهددة الآن بشيء أكثر دنيوية: غير مرن سلاسل التوريد.

حدود وحيدة

منذ عشرين عامًا ، كان في العالم 25 مصنعًا يصنعون رقائق متطورة. اليوم فقط شركة تايوان لصناعة أشباه الموصلات (TSMC) في تايوان ، شركة انتل في الولايات المتحدة ، و سامسونج في كوريا الجنوبية لديها المرافق ، أو الفاب ، التي تنتج الرقائق الأكثر تقدمًا. وتكافح إنتل ، الشركة الرائدة في مجال التكنولوجيا منذ فترة طويلة ، من أجل مواكبة ذلك ، بعد أن فاتتها مرارًا وتكرارًا المواعيد النهائية لإنتاج أجيالها الأخيرة.

أحد أسباب الدمج هو أن بناء منشأة لتصنيع الرقائق الأكثر تقدمًا يكلف ما بين 5 مليار دولار و 20 مليار دولار. تصنع هذه القوالب الرقائق بسمات صغيرة لا تتعدى بضعة نانومترات ؛ في المصطلحات الصناعية يطلق عليهم اسم 5 نانومتر و 7 نانومتر. يذهب جزء كبير من تكلفة fabs الجديدة نحو شراء أحدث المعدات ، مثل أداة تسمى an الطباعة الحجرية فوق البنفسجية الشديدة آلة (EUV) تكلف أكثر من 100 مليون دولار. صُنعت آلات EUV فقط بواسطة ASML في هولندا ، وتُستخدم لرسم أنماط الدوائر التفصيلية بميزات بحجم نانومتر.

يعمل صانعو الرقائق على تقنية EUV لأكثر من عقدين. بعد استثمارات بمليارات الدولارات ، تم استخدام آلات EUV لأول مرة في إنتاج الرقائق التجارية في عام 2018. وتأخرت هذه الأداة 20 عامًا ، وتم تجاوز الميزانية بمقدار 10 أضعاف ، لأنها مذهلة ، كما يقول ديفيد كانتر ، المدير التنفيذي لاتحاد هندسي مفتوح يركز على التعلم الآلي. يكاد يكون من السحري حتى أنها تعمل. إنه مثل الخيال العلمي تمامًا.

مثل هذا الجهد الهائل جعل من الممكن إنشاء مليارات الترانزستورات الصغيرة في شريحة M1 من Apple ، والتي تم تصنيعها بواسطة TSMC ؛ إنه من بين الجيل الأول من الرقائق الرائدة التي تعتمد بالكامل على EUV.

فقط أكبر شركات التكنولوجيا هي على استعداد لدفع مئات الملايين من الدولارات لتصميم شريحة للعقد الرائدة.

إن الدفع مقابل أفضل الرقائق أمر منطقي بالنسبة لشركة Apple لأن هذه الرقائق تدخل في أحدث طرازات MacBook و iPhone ، والتي تبيع بالملايين بأسعار العلامات التجارية الفاخرة. يقول كانتر إن الشركة الوحيدة التي تستخدم فعليًا EUV بكميات كبيرة هي شركة آبل ، وهي تبيع هواتف ذكية بقيمة 1000 دولار ولديها هامش مجنون.

لا يقتصر الأمر على تكلفة تصنيع مثل هذه الرقائق ، ولكن تكلفة تصميم الدوائر المعقدة للغاية أصبحت الآن بعيدة عن متناول العديد من الشركات. بالإضافة إلى Apple ، فقط أكبر شركات التكنولوجيا التي تتطلب أعلى أداء حوسبي ، مثل كوالكوم و AMD ، و نفيديا ، على استعداد لدفع مئات الملايين من الدولارات لتصميم شريحة للعقد الرائدة ، كما يقول Sri Samavedam ، نائب الرئيس الأول لتقنيات CMOS في Imec ، وهو معهد أبحاث دولي مقره في لوفين ، بلجيكا.

تقوم العديد من الشركات الأخرى بإنتاج أجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة التلفزيون والسيارات التي تستخدم رقائق مصنوعة من تقنيات قديمة ، والارتفاع الحاد في الطلب عليها هو سبب النقص الحالي في الرقائق. ببساطة ، لا يستطيع غالبية عملاء الرقائق - أو لا يرغبون في الدفع - شراء أحدث الرقائق ؛ تستخدم السيارة النموذجية اليوم عشرات من الرقائق الدقيقة ، بينما تستخدم السيارة الكهربائية أكثر من ذلك بكثير. يضيف بسرعة. بدلاً من ذلك ، علق صانعو أشياء مثل السيارات على رقائق مصنوعة باستخدام تقنيات قديمة.

علاوة على ذلك ، فإن العديد من الأجهزة الإلكترونية الأكثر شيوعًا اليوم لا تتطلب ببساطة رقائق متطورة. يقول حسن خان ، باحث دكتوراه سابق في جامعة كارنيجي ميلون ، درس تداعيات السياسة العامة نهاية قانون مور ويعمل حاليًا في شركة Apple. لا تحتاجه في ميزان الحرارة الذكي في المنزل ، ولا تحتاج إلى 15 جهازًا في سيارتك ، لأنه متعطش للطاقة للغاية ومكلف للغاية.

تكمن المشكلة في أنه حتى مع اعتماد المزيد من المستخدمين على تقنيات الرقائق الأقدم والأرخص ، فإن عمالقة صناعة أشباه الموصلات قد ركزوا على بناء مصانع تصنيع فابريكية جديدة ورائدة. أعلنت كل من TSMC و Samsung و Intel مؤخرًا عن استثمارات بمليارات الدولارات لأحدث مرافق التصنيع. نعم ، إنها باهظة الثمن ، ولكن هذا هو المكان الذي توجد فيه الأرباح - وعلى مدار الخمسين عامًا الماضية ، كان المستقبل هو المكان الذي يوجد فيه المستقبل.

حصلت TSMC ، أكبر مصنع تعاقد للرقائق في العالم ، على ما يقرب من 60٪ من عائداتها لعام 2020 من صنع رقائق متطورة بميزات 16 نانومتر وأصغر ، بما في ذلك شريحة Apple M1 المصنوعة من خلال عملية تصنيع 5 نانومتر.

ومما يزيد المشكلة سوءًا أنه لا أحد يبني معدات تصنيع أشباه الموصلات لدعم التقنيات القديمة ، كما يقول ديل فورد ، كبير المحللين في رابطة صناعة المكونات الإلكترونية ، وهي جمعية تجارية مقرها في ألفاريتا ، جورجيا. ولذا فنحن عالقون نوعًا ما بين المطرقة والسندان هنا.

رقائق منخفضة النهاية

كل هذا مهم لمستخدمي التكنولوجيا ليس فقط بسبب اضطراب الإمداد الذي تسببه اليوم ، ولكن أيضًا لأنها تهدد تطوير العديد من الابتكارات المحتملة. بالإضافة إلى صعوبة الحصول عليها ، أصبحت رقائق السلع الأرخص ثمناً أكثر تكلفة نسبيًا ، نظرًا لأن كل جيل من إنتاج الشرائح يتطلب معدات ومرافق أكثر تكلفة من الأجيال السابقة.

سوف تتطلب بعض المنتجات الاستهلاكية ببساطة رقائق أكثر قوة. يمكن أن يؤدي إنشاء شبكات هاتف محمول أسرع من الجيل الخامس وصعود تطبيقات الحوسبة التي تعتمد على سرعات الجيل الخامس إلى إجبار الاستثمار في شرائح متخصصة مصممة لمعدات الشبكات التي تتحدث إلى عشرات أو مئات الأجهزة المتصلة بالإنترنت. قد تستفيد أيضًا ميزات السيارات مثل أنظمة مساعدة السائق المتقدمة وأنظمة المعلومات والترفيه داخل السيارة من الرقائق الرائدة ، كما يتضح من صانع السيارات الكهربائية ذكرت شراكات تسلا مع كل من TSMC و Samsung في تطوير الرقائق للسيارات ذاتية القيادة في المستقبل.

لكن شراء أحدث الرقائق الرائدة أو الاستثمار في تصميمات الرقائق المتخصصة قد لا يكون عمليًا للعديد من الشركات عند تطوير منتجات من أجل مستقبل ذكاء في كل مكان. يقول كانتر إنه من غير المرجح أن ينفق صانعو الأجهزة الاستهلاكية ، مثل آلة الفيديو الصغيرة المزودة بتقنية Wi-Fi ، الأموال لتطوير رقائق متخصصة بأنفسهم من أجل إضافة ميزات أكثر فخامة. بدلاً من ذلك ، من المحتمل أن يتراجعوا عن أي رقائق مصنوعة باستخدام التقنيات القديمة يمكن أن توفرها.

يتعامل غالبية عملاء الرقائق اليوم مع رقائق السلع الأرخص ثمناً التي تمثل مفاضلة بين التكلفة والأداء.

ويقول إن العناصر منخفضة التكلفة ، مثل الملابس ، لها هوامش رفيعة للغاية تترك مجالًا صغيرًا للمناورة لرقائق باهظة الثمن من شأنها أن تضيف دولارًا - ناهيك عن 10 دولارات أو 20 دولارًا - إلى علامة سعر كل عنصر. وهذا يعني أن ارتفاع سعر قوة الحوسبة قد يمنع تطوير الملابس التي يمكنها ، على سبيل المثال ، اكتشاف الأوامر الصوتية والاستجابة لها أو التغيرات في الطقس.

ربما يمكن للعالم أن يعيش بدون آلات فيديو رائعة ، لكن الافتقار إلى رقائق أرخص وأقوى من أي وقت مضى سيكون له تكلفة حقيقية: نهاية عصر الاختراعات التي يغذيها قانون مور ووعده الممتد لعقود من الزمن بقوة حسابية ميسورة التكلفة بشكل متزايد سيكون متاحًا للابتكار القادم.

يتعامل غالبية عملاء الرقائق اليوم مع رقائق السلع الأرخص ثمناً التي تمثل مقايضة بين التكلفة والأداء. وإمداد مثل هذه الرقائق السلعية يبدو بعيدًا عن الملاءمة مع نمو الطلب العالمي على قوة الحوسبة.

يقول ويلي شيه ، أستاذ ممارسة الإدارة في كلية هارفارد للأعمال ، إنه لا يزال هناك ارتفاع في استخدام أشباه الموصلات في المركبات ، كما أن استخدام أشباه الموصلات في فرن التحميص الخاص بك ولجميع أنواع الأشياء آخذ في الازدياد. إذن السؤال هو ، أين سيحدث النقص بعد ذلك؟

قلق عالمي

في أوائل عام 2021 ، وقع الرئيس جو بايدن على أمر تنفيذي يفوض استعراض سلسلة التوريد للحصول على الرقائق وألقى دعمه وراء دفعة من الحزبين في الكونجرس للموافقة على الأقل 50 مليار دولار لتصنيع وأبحاث أشباه الموصلات . كما عقد بايدن قمتين في البيت الأبيض مع قادة من صناعة أشباه الموصلات والسيارات ، بما في ذلك اجتماع 12 أبريل عرض خلاله بشكل بارز رقاقة من السيليكون.

لن تحل الإجراءات عدم التوازن بين الطلب على الرقائق والعرض في أي وقت قريبًا. ولكن على أقل تقدير ، يقول الخبراء ، تمثل أزمة اليوم فرصة للحكومة الأمريكية لمحاولة إصلاح سلسلة التوريد أخيرًا وعكس التباطؤ العام في ابتكار أشباه الموصلات - وربما دعم قدرة الولايات المتحدة على صنع الرقائق التي تشتد الحاجة إليها.

ما يقدر بنحو 75 ٪ من جميع قدرة تصنيع الرقائق كان مقرها في شرق آسيا اعتبارًا من عام 2019 ، مع حصة الولايات المتحدة تبلغ حوالي 13 ٪. تمتلك شركة TSMC التايوانية وحدها ما يقرب من 55٪ من سوق المسابك التي تتعامل مع طلبات تصنيع رقائق المستهلك.

تلوح في الأفق حول كل شيء التنافس بين الولايات المتحدة والصين. تعمل شركة SMIC ، الشركة الوطنية الصينية ، على تصنيع منتجات تصنيع فاب التي لا تزال متأخرة خمس أو ست سنوات عن أحدث التقنيات في مجال الرقائق. ولكن من الممكن أن تساعد المسابك الصينية في تلبية الطلب العالمي على الرقائق المبنية على العقد القديمة في السنوات القادمة. يقول خان إنه بالنظر إلى الإعانات الحكومية التي يتلقونها ، فمن المحتمل أن تكون المسابك الصينية هي الشركات المصنعة الأقل تكلفة لأنها تصمد في عقدة 22 نانومتر و 14 نانومتر. قد لا تكون القوات المسلحة البوروندية الصينية قادرة على المنافسة على الحدود ، لكنها يمكن أن توفر جزءًا متزايدًا من الطلب.

لسنا مستعدين لنهاية قانون مور

لقد غذى الرخاء في الخمسين سنة الماضية. لكن النهاية تلوح الآن في الأفق.

ستحتاج صناعة أشباه الموصلات العالمية إلى مضاعفة السعة الإجمالية تقريبًا بحلول عام 2030 لمواكبة الطلب ، وفقًا لجمعية صناعة أشباه الموصلات (SIA) ، وهي مجموعة صناعية مقرها واشنطن ، والتي دعت إلى تعزيز سلسلة التوريد العالمية بدلاً من محاولة البناء قدرة التصنيع المحلية المكتفية ذاتيا بالكامل.

ولكن في إشارة إلى أهمية الرقائق المتقدمة للأمن القومي والبنية التحتية الحيوية ، يقترح SIA أن تقدم الولايات المتحدة حوافز مدفوعة بالسوق للشركات لبناء اثنين أو ثلاثة من الشركات المصنعة الرائدة في الداخل. يمكن أن يساعد ذلك في ضمان أن شبكات الاتصالات ومراكز البيانات الأساسية في البلاد - جنبًا إلى جنب مع الجيش الأمريكي - لديها إمدادات محلية من الرقائق.

استدعت الصورة التي التقطت في البيت الأبيض مع الرئيس إلى الأذهان الدور الذي لعبته الحكومة منذ فجر صناعة أشباه الموصلات التي أعطت وادي السيليكون اسمها. تقول مارجريت أومارا ، مؤرخة في جامعة واشنطن في سياتل ، إن جعل تلك المقدمة والوسط ليس شيئًا تحدث عنه الرئيس بهذه الطريقة منذ رونالد ريغان. بايدن جالس هناك يلوح برقاقة - لا أعتقد أنني رأيت ذلك في يد رئاسية على الإطلاق.

أصبحت حكومة الولايات المتحدة أول ، وربما أعظم ، رأسمالي مغامر في الوادي ، كما كتبت أومارا في كتابها لعام 2019 الكود: وادي السيليكون وإعادة صنع أمريكا . شجعت الطلبات الحكومية الكبيرة للرقائق لتزويد برنامج أبولو التابع لوكالة ناسا والصواريخ الباليستية العابرة للقارات مينيوتمان صانعي الرقائق على بدء الإنتاج الضخم وساعدت في خفض تكلفة رقائق السيليكون الأولى من 1000 دولار لكل منها في عام 1960 إلى 25 دولارًا فقط بحلول عام 1965.

أدى انخفاض الأسعار إلى جعل القدرة الحاسوبية في متناول الكثيرين بخلاف الوكالات الحكومية ذات الجيوب الكبيرة. لقد بدأ العصر الذهبي لقانون مور ، حيث جنى العملاء فوائد الرقائق الأرخص التي تقدم أيضًا أداءً أفضل كل بضع سنوات. وقد لا تعرف أن وعدها كان في خطر إذا كان كل ما عليك فعله هو أحدث إعلان لشركة Apple.

كيفية صنع موصل فائق

بينما كنت أجري مقابلة مع أومارا من أجل هذه القصة ، ظهر عامل توصيل عند بابها كما لو كان في إشارة.

بالحديث عن الرقائق ، لقد تسلمت للتو جهاز الكمبيوتر الجديد الخاص بي ، قالت وهي تضحك. نعم ، لقد حصلت على جهاز MacBook الجديد الخاص بي مع شريحة M1 الخاصة بي.

جيريمي هسو صحفي في مجال التكنولوجيا والعلوم مقره في مدينة نيويورك.

يخفي

التقنيات الفعلية

فئة

غير مصنف

تكنولوجيا

التكنولوجيا الحيوية

سياسة التكنولوجيا

تغير المناخ

البشر والتكنولوجيا

وادي السيليكون

الحوسبة

مجلة Mit News

الذكاء الاصطناعي

الفراغ

المدن الذكية

بلوكشين

قصة مميزة

الملف الشخصي للخريجين

اتصال الخريجين

ميزة أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

1865

وجهة نظري

77 Mass Ave

قابل المؤلف

ملامح في الكرم

شوهد في الحرم الجامعي

خطابات الخريجين

أخبار

انتخابات 2020

فهرس With

تحت القبه

خرطوم الحريق

قصص لانهائية

مشروع تكنولوجيا الوباء

من الرئيس

غلاف القصه

معرض الصور

موصى به