بیش از نیم قرن، قانون مور (Moore’s Law) به عنوان قطبنمای بیرقیب صنعت نیمههادی عمل کرده و با پیشبینی دو برابر شدن تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه در هر دو سال، نیروی محرکه اصلی انقلاب دیجیتال بوده است. این قانون، از توسعه رایانههای شخصی تا ظهور گوشیهای هوشمند و شکوفایی هوش مصنوعی، مسیر توسعه فناوری را هموار کرده است.
اما امروزه، با کوچکتر شدن ابعاد ترانزیستورها و عبور از مرزهای ۵ نانومتری به سمت مقیاسهای زیر ۱ نانومتر، صنعت نیمههادی با یک دیوار بتنی از قوانین فیزیک پایه برخورد کرده است. در این ابعاد، سیلیکون، یعنی همان مادهای که شالوده جهان مدرن را تشکیل داده، کارایی ذاتی خود را از دست میدهد و پدیدههای مکانیک کوانتومی که پیشتر نادیده گرفته میشدند، بر رفتار الکترونها مسلط میشوند. در حالی که شرکتهای غربی مانند IBM با معرفی معماریهای سهبعدی مانند NanoStack برای تراشههای ۱ نانومتری تلاش میکنند سیلیکون را در این رقابت نگه دارند، محققان چینی مسیر کاملاً متفاوتی را انتخاب کردهاند.
دستاورد اخیر دانشمندان چینی در عبور از مواد سنتی و توسعه پردازندههایی بر پایه مواد کاملاً دو بعدی (2D Materials)، نشاندهنده یک تغییر پارادایم اساسی است. پژوهشگران دانشگاه فودان (Fudan University) با معرفی پردازنده RV32-WUJI که به طور کامل از ترانزیستورهای دو بعدی ساخته شده است، مرزهای فناوری را جابهجا کردهاند. این پیشرفت نهتنها یک دستاورد علمی در زمینه فیزیک حالت جامد محسوب میشود، بلکه یک استراتژی کلان برای بازنویسی قوانین بازی در ژئوپلیتیک نیمههادیهاست که میتواند پایانی بر سلطه چند دههای سیلیکون باشد.
آنچه میخوانید:

محدودیتهای سیلیکون و پدیده تونلزنی کوانتومی
برای دهههای متمادی، استراتژی اصلی برای افزایش توان پردازشی و کاهش مصرف انرژی، کوچکتر کردن ابعاد فیزیکی ترانزیستورها (Scaling) بوده است. با این حال، با کاهش طول گیت ترانزیستورهای سیلیکونی به زیر ۵ نانومتر و نزدیک شدن به مرزهای ۱ نانومتری (معادل ۷ آنگستروم)، فیزیک کلاسیک جای خود را به مکانیک کوانتومی میدهد. یکی از بحرانیترین و چالشبرانگیزترین مفاهیم در این مقیاس، «پدیده تونلزنی کوانتومی» (Quantum Tunneling) است.
در یک ترانزیستور ایدهآل و از منظر فیزیک کلاسیک، زمانی که ولتاژ گیت قطع میشود (حالت Off)، سد پتانسیل باید به طور کامل مانع از عبور الکترونها از سورس (Source) به درین (Drain) شود و هیچ جریانی نباید برقرار باشد. اما در ابعاد زیر ۱ نانومتر، فاصله بین این دو پایانه به قدری کم میشود که تنها معادل عرض چند اتم است. در این حالت، الکترونها دیگر ذراتی با موقعیت مکانی قطعی نیستند، بلکه بر اساس معادلات موج شرودینگر، احتمال حضور آنها در آن سوی سد پتانسیل به شدت افزایش مییابد. در نتیجه، الکترونها بدون نیاز به انرژی کافی برای عبور از روی سد، به طور فیزیکی از میان آن «تونل» میزنند.
این پدیده، توضیح ساده نشت جریان الکتریکی است. نشت الکترونها در حالت خاموش بودن ترانزیستور، منجر به هدررفت عظیم انرژی، تولید حرارت غیرقابل کنترل و در نهایت، ناپایداری منطقی تراشه میشود. پدیده تونلزنی کوانتومی به تنهایی باعث میشود که استفاده از متریال فعلی برای کوچکتر کردن پردازندهها فراتر از مرزهای فعلی تقریباً غیرممکن شود.
افزون بر این، سیلیکون در ضخامتهای فوقنازک با یک مشکل بنیادین دیگر روبرو است: «کاهش تحرکپذیری ناشی از پراکندگی سطحی». هنگامی که ضخامت یک کانال سیلیکونی به چند نانومتر میرسد، پیوندهای معلق (Dangling Bonds) در لبههای بلور سیلیکون با الکترونهای در حال عبور برخورد کرده و سرعت آنها را به شدت کاهش میدهند. حتی معماریهای پیشرفتهای مانند ترانزیستورهای بالهدار (FinFET) و گیت همهجانبه (GAAFET) که با هدف افزایش کنترل الکترواستاتیک ابداع شدهاند، در نهایت مقهور این محدودیتهای فیزیکی و ساختاری خود سیلیکون میشوند. بنابراین، بنبست فیزیکی سیلیکون دیگر یک پیشبینی نظری نیست، بلکه یک مانع سخت مهندسی است که عبور از آن نیازمند متریالهای کاملاً جدید است.
تراشه دوبعدی (2D Material) چیست؟
در پاسخ به محدودیتهای ذاتی و فیزیکی سیلیکون، دانشمندان در سراسر جهان به سراغ دستهای از مواد نوظهور رفتهاند که ضخامت آنها به معنای واقعی کلمه در مقیاس اتمی است. این مواد که تحت عنوان مواد دو بعدی (2D Materials) شناخته میشوند، ساختارهای شبکهای کاملاً تختی هستند که اتمهای آنها تنها در دو بعد (طول و عرض) گسترده شدهاند و بعد سوم (ضخامت) آنها به یک یا چند لایه اتمی محدود میشود.
مشهورترین عضو این خانواده، «گرافین» (Graphene) است که از یک لایه منفرد اتمهای کربن با آرایش ششضلعی تشکیل شده است. با وجود تحرکپذیری فوقالعاده بالای الکترونها در گرافین، این ماده فاقد شکاف باند (Bandgap) طبیعی است، به این معنی که نمیتوان آن را به راحتی خاموش کرد و در نتیجه برای ساخت ترانزیستورهای منطقی دیجیتال گزینهای ایدهآل به شمار نمیرود.
به همین دلیل، تمرکز پژوهشگران به سمت مواد دیگری رفته که مهمترین آنها خانواده دیکالکوژنایدهای فلزات واسطه (TMDs) نظیر دیسولفید مولیبدن (MoS2) و دیسلنید تنگستن (WSe2) است. ساختار MoS2 به گونهای است که یک لایه از اتمهای مولیبدن در میان دو لایه از اتمهای گوگرد قرار گرفته است. ضخامت کل این ساختار تنها سه اتم است، اما رفتاری کاملاً مشابه یک نیمههادی ایدهآل با شکاف باند مشخص از خود نشان میدهد. علاوه بر این، پژوهشهای اخیر در دانشگاه پکن منجر به کشف پتانسیلهای شگرف مواد دو بعدی دیگری نظیر اکسیسلنید بیسموت (Bi2O2Se) و سلنید ایندیم (InSe) شده است که به عنوان «نیمههادیهای طلایی» شناخته میشوند و تحرکپذیری الکترونی بسیار بالایی دارند.
اما چگونه این ساختار تکاتمی یا چنداتمی مانع از نشت جریان الکتریکی میشود و مصرف انرژی را به شدت کاهش میدهد؟ کلید این معما در دو ویژگی نهفته است: «ضخامت فوقنازک» و «فقدان پیوندهای معلق». از آنجایی که ضخامت کانال در یک ترانزیستور مبتنی بر MoS2 تنها چند آنگستروم است، گیت ترانزیستور میتواند کنترل الکترواستاتیک مطلق و بینظیری بر جریان الکترونها اعمال کند. هیچ فضای اضافهای در عمق ماده وجود ندارد که الکترونها بتوانند از کنترل گیت خارج شده و نشت کنند.
علاوه بر این، مواد دو بعدی دارای پیوندهای واندروالسی (van der Waals) هستند و سطح آنها کاملاً صاف و عاری از هرگونه پیوند معلق (Dangling-bond free) است. این ویژگی باعث میشود که الکترونها در طول مسیر خود با هیچگونه نقص سطحی برخورد نکنند. به تعبیر پروفسور پنگ هایلین از دانشگاه پکن، جریان الکترونها در این مواد مانند «جریان آب در یک لوله کاملاً صاف» است که با کمترین مقاومت و پراکندگی حرکت میکند. این امر نهتنها مشکل تونلزنی کوانتومی را برطرف میکند، بلکه با کاهش شدید نوسانات زیرآستانه (Subthreshold Swing) به مقادیری نزدیک به حد تئوری بولتزمن (حدود 60 mV/dec)، امکان سوئیچینگ بسیار سریعتر با ولتاژ و مصرف انرژی بسیار پایینتر را فراهم میآورد.
مقایسه رویکرد چین و آمریکا
برای درک بهتر این رقابت، باید بدانیم که غولهای فناوری چگونه با این چالش روبرو شدهاند. در مقاله بررسی تخصصی معماری پردازندههای زیر ۱ نانومتر IBM دیدیم که راهکار آنها چیدمان عمودی است، اما چین این مشکل را در سطح افقی و با تغییر ذات ماده حل کرده است.
شرکت IBM با رونمایی از معماری انقلابی NanoStack در گره ۰.۷ نانومتر (۷ آنگستروم)، نشان داد که استراتژی شرکتهای آمریکایی برای عبور از این بحران، مهندسی پیشرفته معماری و استفاده بهینه از فضای سهبعدی است. در این روش، به جای کوچکسازی صرف در سطح دوبعدی افقی، ترانزیستورهای صفحات نانو (Nanosheets) به صورت لایهلایه و متناوب در امتداد محور عمودی روی هم چیده میشوند. این دستاورد عظیم به IBM اجازه داد تا تراکم خیرهکننده ۱۰۰ میلیارد ترانزیستور را در تراشهای به اندازه ناخن انسان جای دهد، که نتیجه آن افزایش ۵۰ درصدی عملکرد یا کاهش ۷۰ درصدی مصرف انرژی نسبت به گرههای ۲ نانومتری است.

با این وجود، محققان چینی متقاعد شدهاند که تمدید عمر سیلیکون از طریق معماریهای پیچیده سهبعدی، تنها به تاخیر انداختن یک بنبست فیزیکی است. آنها با تمرکز بر مواد دو بعدی، به جای دستکاری معماری، خود ماده پایه را تغییر دادهاند. اوج این دستاورد در میکروپردازنده RV32-WUJI تجلی یافته است. این پردازنده که توسط محققان دانشگاه فودان طراحی شده، یک تراشه 32-bit RISC-V است که از یکپارچهسازی ۵۹۰۰ ترانزیستور دیسولفید مولیبدن (MoS2) ساخته شده است. این تراشه در فرکانس ۱ کیلوهرتز با توان مصرفی فوقالعاده پایین ۰.۴۳ میلیوات کار میکند و در مقیاس آزمایشگاهی بازده تولید (Yield) بینظیر ۹۹.۷۷ درصدی را برای مدارات منطقی اینورتر ثبت کرده است.
دانشمندان چینی این رویکرد را نه یک «میانبر»، بلکه «تغییر خط مسیر» در مسابقه فناوری توصیف میکنند. در حالی که رویکرد IBM به ماشینآلات لیتوگرافی بهشدت پیچیده و پرهزینه نیاز دارد، رویکرد چین بنیانگذار یک اکوسیستم کاملاً جدید در مقیاس اتمی است.
| ویژگی | رویکرد سیلیکونی IBM | رویکرد دوبعدی چین |
|---|---|---|
| متریال پایه | سیلیکون فوقخالص | مواد تکاتمی (مانند MoS2) |
| معماری | سهبعدی و انباشته عمودی | دوبعدی و افقی |
| وضعیت فعلی | نمونه اولیه ساخته شده | تحقیقات آزمایشگاهی پیشرفته |
| مزیت اصلی | تراکم فوقالعاده ترانزیستور | عدم نشت جریان الکتریکی |
استراتژی ژئوپلیتیک: دور زدن تحریمهای تجهیزات لیتوگرافی
برای درک فوریت و مقیاس سرمایهگذاری چین در متریالهای دو بعدی، نمیتوان صرفاً از منظر علمی به موضوع نگاه کرد؛ ژئوپلیتیک و جنگ سرد فناوری میان ایالات متحده و چین نقش اصلی را ایفا میکنند. در سالهای اخیر، ایالات متحده با اجرای ابزارهای قانونی همچون قانون CHIPS and Science Act و قرار دادن شرکتهای چینی در لیست سیاه (Entity List) وزارت بازرگانی (BIS)، یک استراتژی جامع مهار فناوری را به اجرا گذاشته است. کلیدیترین بخش این استراتژی، قطع دسترسی چین به ماشینآلات لیتوگرافی فرابنفش شدید (EUV) تولید شده توسط شرکت هلندی ASML بوده است.
دستگاههای EUV که هر کدام بیش از ۱۵۰ میلیون دلار قیمت دارند، تنها تجهیزات اثباتشده برای چاپ اقتصادی و تجاری مدارهای زیر ۵ نانومتر روی ویفرهای سیلیکونی هستند. بدون این تجهیزات، تولیدکنندگانی مانند SMIC چین مجبورند از دستگاههای قدیمیتر DUV با استفاده از تکنیکهای پرهزینه الگوبرداری چندگانه (Multi-patterning) استفاده کنند که منجر به افت شدید بازده تولید و افزایش تصاعدی هزینهها میشود. اگر چین صرفاً به تلاش برای کپی کردن مسیر سیلیکونی غرب ادامه میداد، همواره یک دهه از فناوری روز دنیا عقب میماند، زیرا معماری پسا-فینفت و ابزارهای توسعه آن (EDA) تحت تسلط کامل شرکتهای غربی قرار دارد.
تحریمهای تجهیزات EUV به جای متوقف کردن چین، به عنوان یک کاتالیزور قدرتمند برای هدایت بودجههای کلان به سمت فناوریهای جایگزین عمل کرد. سرمایهگذاری مستقیم روی نسل بعدی مواد دو بعدی، یک استراتژی آگاهانه برای «جهش فناوری» (Leapfrogging) و طراحیگریز (Design-Around) از گلوگاههای غربی است. محققان چینی با ابداع روشهایی مانند استراتژی رشد جامد-مایع-جامد (SLS) در دانشگاه پکن برای تولید انبوه ویفرهای ۵ سانتیمتری سلنید ایندیم (InSe) با تحرکپذیری بیسابقه 287 cm2/V⋅s، نشان دادند که میتوانند بر محدودیتهای فیزیکی سیلیکون غلبه کنند.
با توسعه پردازندههای دو بعدی و استفاده موازی از معماریهای متنباز مانند RISC-V (که در پردازندههایی نظیر Lingyu ساخت RiVAI به بلوغ رسیده است)، چین در حال ایجاد یک زنجیره تامین کاملاً بومی و مستقل است که نیازی به تجهیزات تحریمشده غربی یا مجوزهای پتنتهای ARM و x86 نخواهد داشت. این تغییر جهت از سیلیکون به مواد دو بعدی، یک شلیک مستقیم به قلب محدودیتهای اعمالشده از سوی سیلیکونولی و واشنگتن است.
چالشهای تجاریسازی و تولید انبوه
علیرغم دستاوردهای شگفتانگیز در تولید مدارات منطقی، فاصله میان یک نمونه اولیه موفق در محیط کنترلشده آزمایشگاهی و تولید انبوه در کارخانههای ریختهگری (Fabs) بسیار زیاد است. صنعت نیمههادی استاندارد نیازمند تولید میلیاردها ترانزیستور با قابلیت اطمینان ۱۰۰ درصدی روی ویفرهای استاندارد ۳۰۰ میلیمتری (۱۲ اینچی) است.
نخستین و بزرگترین مشکل کار با مواد دوبعدی در مقیاس صنعتی، چالش مقاومت تماسی (Contact Resistance) است. بر خلاف سیلیکون که میتوان آن را به راحتی با اتمهای دیگر دوپ (Dope) کرد تا اتصالات الکتریکی با مقاومت پایین ایجاد شود، اتصال فلزات به شبکههای تکاتمی دو بعدی منجر به پدیدهای به نام قفلشدگی سطح فرمی (Fermi-level Pinning) و شکلگیری موانع شاتکی (Schottky Barriers) میشود. این مقاومت تماسی بالا، بخش عظیمی از مزایای سرعت و بهرهوری انرژی ماده دو بعدی را در نقطه اتصال هدر میدهد.
دومین چالش، رشد و یکپارچهسازی ویفرها (Wafer-scale Integration) است. در حالی که ساخت تراشه RV32-WUJI روی بستر یاقوت کبود (Sapphire) موفقیتآمیز بود، انتقال لایههای دو بعدی با ضخامت تنها سه اتم از بستر رشد به ویفرهای هدف سیلیکونی، بدون ایجاد چینخوردگی، ترک یا نقصهای شبکهای، یک کابوس فیزیکی است. هرچند روشهایی مانند رشد SLS برای سلنید ایندیم پیشرفتهای چشمگیری در تولید ویفرهای ۲ اینچی بدون نقص داشتهاند، اما تجهیزات موجود در صنایع فعلی که دهها میلیارد دلار ارزش دارند، برای پردازش سیلیکون در مقیاس ۳۰۰ میلیمتری طراحی شدهاند و هماهنگسازی (CMOS Compatibility) این دو جهان متفاوت زمانبر است.
در خصوص زمانبندی احتمالی ورود این تراشهها به بازار، تحلیلگران معتقدند در حالی که IBM پیشبینی میکند فناوری NanoStack تا ۵ سال آینده وارد خط تولید شود، تراشههای پیچیده دو بعدی احتمالاً به یک دهه (بازه ۲۰۳۵-۲۰۳۷) برای رسیدن به بلوغ کامل صنعتی زمان نیاز دارند. البته ورود زودهنگام آنها به بازارهای خاص اینترنت اشیا (IoT) و سنسورهای پوشیدنی کممصرف در ۵ سال آینده دور از ذهن نیست.
تاثیر پردازندههای ۱ نانومتری بر آینده دیتاسنترها
یکی از مهمترین محرکهای اقتصادی و تکنولوژیکی برای عبور از مرزهای سیلیکون، تحولات شگرف در حوزه هوش مصنوعی و دیتاسنترهاست. با ظهور مدلهای زبانی بزرگ (LLM) پیشرفتهای نظیر Falcon 180B ، ChatGPT و جایگزینهای چینی آن مانند DeepSeek، نیاز به توان محاسباتی به صورت نمایی افزایش یافته است. دیتاسنترهای مدرن اکنون با پدیدهای به نام «دیوار توان» (Power Wall) روبرو هستند؛ جایی که تامین برق مصرفی و خنکسازی سرورها به محدودیت اصلی توسعه تبدیل شده است.
ارتباط این پردازندهها با پردازشهای سنگین هوش مصنوعی و تجهیزات سازمانی در شاخصی به نام محصول انرژی-تاخیر (Energy-Delay Product یا EDP) نمود پیدا میکند. تراشههای دو بعدی مانند ترانزیستورهای مبتنی بر بیسموت یا سلنید ایندیم، به دلیل جلوگیری کامل از نشت جریان و قابلیت سوئیچینگ با ولتاژ بسیار پایین، میتوانند توان مصرفی یک رک سرور را بدون افت سرعت، به کسری از مصرف فعلی برسانند. این سطح از کاهش مصرف انرژی (نزدیک به حد نظری بولتزمن) برای توسعه خوشههای محاسباتی عظیم (HPC) حیاتی است.
علاوه بر این، شرکتهای چینی در حال توسعه پردازندههای قدرتمند بر پایه معماری RISC-V برای دیتاسنترها هستند؛ مانند پردازنده سرور Lingyu ساخت RiVAI که با دارا بودن ۳۲ هسته پردازشی عمومی و ۸ هسته تخصصی هوش مصنوعی (LPU)، بستری بومی برای جایگزینیزیرساختهای فعلی و رقابت با پردازندههای سرور Intel Xeon و AMD EPYC فراهم میکند. با ادغام معماری RISC-V و فناوری تراشههای دو بعدی در آینده نزدیک، دیتاسنترها قادر خواهند بود به تراکم محاسباتی غیرقابلتصوری دست یابند. (برای درک بهتر زیرساختهای شبکهای لازم جهت توزیع این حجم عظیم از دادهها در دیتاسنترهای مجهز به چنین پردازندههایی، مطالعه [مقالات زیرساختی و شبکه سایت شماست] میتواند ابعاد کاملتری از این تحول را ارائه دهد).
نتیجهگیری
عبور از محدودیتهای فیزیکی سیلیکون دیگر یک فرضیه دوردست نیست، بلکه واقعیتی است که امروز در پیشرفتهترین آزمایشگاههای جهان در حال رقم خوردن است. در پاسخ به این پرسش که آینده از آن سیلیکون است یا مواد دوبعدی، باید گفت که ما در یک دوره گذار هیجانانگیز قرار داریم.
در کوتاهمدت و برای دستکم یک دهه آینده، سیلیکون به لطف سرمایهگذاریهای نجومی، اکوسیستم بلوغیافته و نوآوریهای شگرفی نظیر معماری NanoStack شرکت IBM که تراکم ترانزیستورها را به ۱۰۰ میلیارد در گره ۰.۷ نانومتر میرساند، همچنان حاکم بلامنازع پردازشهای عمومی و پرقدرت خواهد ماند. زیرساختهای فعلی کارخانههای ساخت تراشه به سادگی قابل تعویض نیستند.
اما در افق میانمدت و بلندمدت، دستاوردهای بیسابقه محققان چینی در تولید اولین میکروپردازنده کاربردی RV32-WUJI بر پایه MoS2، تولید موفقیتآمیز ویفرهای ۵ سانتیمتری InSe با تحرکپذیری الکترون ۲۸۷، و ترانزیستورهای فوقسریع بیسموت، نویدبخش پایان قطعی عصر سیلیکون هستند.
استراتژی چین نشان داده است که تحریمهای تکنولوژیک، به جای توقف پیشرفت، به موتور محرک توسعه فناوریهای پساسیلیکونی و معماریهای مستقلی چون RISC-V تبدیل شدهاند. اگر چالشهای بنیادین مقاومت تماسی و یکپارچهسازی در مقیاس صنعتی با موفقیت برطرف شوند، تراشههای دو بعدی نه تنها قانون مور را دوباره زنده خواهند کرد، بلکه با ارائه بهرهوری انرژی و سرعت بینظیر، معماری اقتصاد دیجیتال، هوش مصنوعی و توازن قدرت جهانی را برای دهههای آینده از نو تعریف میکنند. سیلیکون پایهگذار قرن بیستم بود، اما به نظر میرسد آینده محاسبات در دستان مواد دو بعدی رقم خواهد خورد.
منابع: 1، 2، 3، 4، 5، 6، 7، 8، 9
آیا آماده رشد مجموعه خود هستید؟
کارشناسان ما در شرکت سیما نگاه ایران آماده مشاوره به شما به منظور رشد کسب و کار شما هستند.
زمان را تلف نکنید و با ما تماس بگیرید تا با هم شاهد پیشرفت شما باشیم.
تهران، خیابان آزادی، نبش خیابان شادمهر، ساختمان 110 آزادی، واحد 12
+98 991 825 0030
info@simanegah.com
و یا در شبکه های اجتماعی با ما در ارتباط باشید



