تفاصيل المدونة

أشباه الموصلات هي العمود الفقري غير المرئي للحضارة الحديثة من الهواتف الذكية والسيارات الكهربائية إلى الحوسبة السحابية والذكاء الاصطناعيتقريباً كل تكنولوجيا حاسمة تعتمد على ابتكارات أشباه الموصلاتومع ذلك، فإن الصناعة تدخل الآن مرحلة جديدة تتجاوز مجرد صنع رقائق أصغر وأسرع.

بدلاً من أن تكون مدفوعة فقط بتوسيع نطاق الترانزستور، فإن العقد القادم من التقدم في أشباه الموصلات سيتم تشكيله من قبل أربعة أعمدة مترابطة:

1. مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث

2. رقائق الحوسبة المتقدمة للذكاء الاصطناعي

3. رقائق الاتصال بالوتيرة الراديوية (RF)

4. ذاكرة عرض النطاق الترددي العالي (HBM)

معا، هذه المجالات الأربعة ستعيد تعريف كيفية إدارة الطاقة، وكيفية حساب الذكاء، وكيفية نقل المعلومات، وكيفية تخزين البيانات.

1أشباه الموصلات من الجيل الثالث: أساس عصر الطاقة والذكاء الاصطناعي

لعدة عقود، سيطر السيليكون (Si) على صناعة أشباه الموصلات. وفائده، وانخفاض التكلفة، ونظام التصنيع الناضج مكّن من ظهور أجهزة الكمبيوتر الشخصية، والأجهزة المحمولة،والإنترنتومع ذلك، مع تحول الصناعات نحو الكهرباء والطاقة المتجددة والحوسبة عالية الأداء، لم يعد السيليكون وحده كافياً.

وقد أدى ذلك إلى ظهور أشباه الموصلات واسعة النطاق، وخاصة كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) ، والمعروفة مجتمعة باسم أشباه الموصلات من الجيل الثالث.

تطور مواد أشباه الموصلات

• الجيل الاول السيليكون (Si):

  • تكنولوجيا ناضجة

  • تكلفة منخفضة وموثوقية عالية

  • مناسبة لتطبيقات الجهد المنخفض إلى المتوسط والتردد

• الجيل الثاني ‬ غاليوم آرسنيد (GaAs):

  • أداء عالي التردد

  • تستخدم على نطاق واسع في الاتصالات اللاسلكية والأقمار الصناعية والإلكترونيات الضوئية

• الجيل الثالث SiC و GaN:

  • فجوة واسعة جداً من السيليكون

  • فولتاج انقطاع أعلى

  • استقرار حراري أفضل

  • خسارة طاقة أقل

  • مثالية للسيارات الكهربائية والطاقة المتجددة والإلكترونيات عالية الطاقة

كاربيد السيليكون (SiC): تشغيل الثورة الكهربائية

يحتوي SiC على فجوة في النطاق حوالي ثلاثة أضعاف الفجوة في السيليكون ومجال كهربائي تفكيك أعلى ما يقرب من عشرة أضعاف. وهذا يعطيه العديد من المزايا:

• كفاءة أعلى في تحويل الطاقة

• أجهزة طاقة أصغر وأخف

• مقاومة أفضل للحرارة

• خسائر طاقة أقل في أنظمة الجهد العالي

ونتيجة لذلك، أصبح SiC مادة رئيسية في:

• محولات للسيارات الكهربائية

• محولات الطاقة الشمسية

• أنظمة طاقة الرياح

• البنية التحتية لشحن السريع

• الشبكات الذكية

الشركات العالمية الكبرى تتسابق الآن للتوسعرقاقة سي سي 8 بوصات في حين أن القيادة المبكرة جاءت من الولايات المتحدة واليابان وأوروبا، والمصنعين الصينيين تتقدم بسرعة،جعل SiC صناعة استراتيجية عالمية حقا.

نتريد الغاليوم (GaN): ألكترونيات الطاقة عالية السرعة والكفاءة العالية

يقدم GaN حركة إلكترونية أعلى من SiC ، مما يجعله جذابًا بشكل خاص ل:

• مراكز البيانات

• شاحنات سريعة

• محطات قاعدة 5G

• أنظمة الطاقة المتجددة

ومع ذلك ، لا يزال GaN يواجه تحديات في إدارة الحرارة مقارنة بـ SiC. على الرغم من ذلك ، فإن سوقها ينمو بسرعة فائقة ، لا سيما في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية وأجهزة الطاقة عالية التردد.

وبشكل عام، فإن أجهزة أشباه الموصلات من الجيل الثالث ليست مجرد تحسينات تدريجية، فهي تمثل تحولًا هيكليًا في كيفية إدارة الطاقة عبر الاقتصاد العالمي.

2رقائق الحوسبة المتقدمة: محرك الذكاء الاصطناعي

الذكاء الاصطناعي هو في الأساس مشكلة حاسوبية. وقد أصبح التقدم السريع للتعلم العميق ممكنا ليس فقط من خلال خوارزميات أفضل، ولكن من خلال أجهزة أكثر قوة.

اليوم، أصبحت وحدات المعالجة الرسومية (GPU) المنصة المهيمنة لتدريب الذكاء الاصطناعي بسبب قدراتها المعالجة المتوازية.

بالمقارنة مع وحدات المعالجة المركزية التقليدية، يمكن لجهاز المعالجة المركزية المعالجة معالجة الآلاف من العمليات في وقت واحد، مما يجعلها مثالية للشبكات العصبية ومعالجة البيانات على نطاق واسع.

تتضمن الاتجاهات الرئيسية في رقائق الحوسبة المتقدمة:

• أداء أعلى لكل واط

• ذاكرة أكبر داخل الشريحة وخارج الشريحة

• مسرعات الذكاء الاصطناعي المتخصصة

• تكامل أقرب بين الحوسبة والذاكرة

في المستقبل، من المحتمل أن نرى:

• المزيد من رقائق الذكاء الاصطناعي المخصصة (ASIC)

• معالجات الذكاء الاصطناعي ذات الكفاءة في استخدام الطاقة

• الهندسة المعمارية الهجينة التي تجمع بين CPU و GPU و AI accelerators

وهذا يعني أن الابتكار في أشباه الموصلات سيتم تحريكه بشكل متزايد من خلال احتياجات الذكاء الاصطناعي بدلاً من الإلكترونيات الاستهلاكية.

3رقائق الاتصالات اللاسلكية: ربط كل شيء لاسلكياً

تكنولوجيا الترددات اللاسلكية هي العمود الفقري للاتصالات اللاسلكية.

• شبكات الجيل الخامس والجيل السادس في المستقبل

• الاتصالات عبر الأقمار الصناعية

• أنظمة الرادار

• إنترنت الأشياء (IoT)

• المركبات ذاتية القيادة

تدمج الدوائر المتكاملة الراديوية (RFICs) المكونات الرئيسية مثل المضخات والمرشحات والمعدات على شريحة واحدة ، مما يحسن الأداء مع تقليل الحجم واستهلاك الطاقة.

تتضمن الاتجاهات المستقبلية للشرائح RF:

• ترددات تشغيل أعلى (الموجات المليمترية وما فوقها)

• استهلاك طاقة أقل

• تكامل أكبر مع المعالجة الرقمية

• مزيج من التواصل والاستشعار

هذا يعني أن رقائق RF لن تنقل البيانات فحسب، بل ستسمح أيضًا بأنظمة إدراك متقدمة في المدن الذكية والروبوتات والقيادة الذاتية.

4ذاكرة النطاق الترددي العالي (HBM): كسر اختناق بيانات الذكاء الاصطناعي

مع نمو نماذج الذكاء الاصطناعي، تصبح سرعة حركة البيانات مهمة بقدر قوة الحوسبة الخام. لم تعد تقنيات الذاكرة التقليدية كافية لأنظمة الذكاء الاصطناعي المتطورة.

تحل ذاكرة النطاق الترددي العالي (HBM) هذه المشكلة عن طريق تراكم طبقات DRAM متعددة رأسياً ، مما يخلق مسار بيانات أسرع بكثير بين الذاكرة والمعالجات.

ميزات HBM تشمل:

• معدلات نقل البيانات المرتفعة للغاية

• استهلاك طاقة أقل

• انخفاض فترة التأخير

• التصميم المدمج

ونتيجة لذلك ، أصبحت HBM تقنية الذاكرة القياسية لـ GPUs الراقية المستخدمة في مراكز البيانات وأجهزة الكمبيوتر الفائقة الذكاء الاصطناعي.

في السنوات المقبلة، من المتوقع أن يرتفع الطلب على HBM إلى جانب الاستثمار في الذكاء الاصطناعي في جميع أنحاء العالم.

الاستنتاج: نموذج نصف موصل جديد

مستقبل أشباه الموصلات لن يتم تحديده من خلال اختراق واحد، ولكن من خلال التقارب من أربعة مجالات رئيسية:

• المواد تحدد الكفاءة والمتانة (أشباه الموصلات من الجيل الثالث)

• الرقائق تحدد الذكاء (مسرعات الذكاء الاصطناعي و GPUs)

• الراديو الراديوي يحدد الاتصال (شرائح الاتصالات اللاسلكية)

• الذاكرة تحدد الأداء (HBM والتخزين المتقدم)

الدول والشركات التي تتقن هذه الركائز الأربعة سوف تشكل العصر التكنولوجي القادم من الطاقة النظيفة إلى الذكاء الاصطناعي، من المدن الذكية إلى الأنظمة المستقلة.