هل المحللون يفسرون نقص اشباه الموصلات وتأثيره على السيارات؟

أشعر بالإعجاب بكل تقدم صغير في أشباه الموصلات لأنه يتحول مباشرة إلى أوقات استخدام أطول للهاتف وأداء أنعم. على مستوى المكونات نفسها، التقدم في دقة التصنيع للرقائق (من 10 نانومتر إلى 7 ثم 5 نانومتر وما بعده) يعني ترانزستورات تستهلك طاقة أقل لكل عملية. هذا لا يعني فقط أن المعالج يلتهم طاقة أقل عند أداء المهام اليومية، بل يسمح أيضًا بتشغيل ميزات أكثر ذكاءً مثل الضبط الديناميكي للتردد والجهد (DVFS) وإطفاء أجزاء لا تُستخدم بالكامل — وكلها تقنيات تعتمد على تصميم أشباه الموصلات المتقدم. في تجاربي، هاتف بمعالج أحدث شعر بأنه أكثر تحفظًا للطاقة أثناء التصفح ومشاهدة الفيديو مقارنة بجيلين سابقين. لكن الصورة أكبر من ذلك: أشباه الموصلات تتحكم في شرائح إدارة الطاقة (PMIC)، ومحركات العرض، ومودمات الشبكات، وحتى حسّاسات الشاشة التي تقرر متى تُنقل المعلومات. مودم 5G حديث مبني بعملية تصنيع متطورة يمكن أن يقلل استهلاك الطاقة مقارنةً بمودم قديم، رغم أن الاتصال بالجيل الخامس يظل أكثر استهلاكًا بطبيعته. باختصار، أشباه الموصلات تحسن عمر البطارية بشكل ملحوظ عندما تُدمج مع تصاميم جيدة وبرمجيات ذكية، لكن لا تتوقع معجزة وحدها — تحتاج لخلطة من العتاد والبرمجيات وإدارة الحرارة لتشعر بفارق كبير في الاستخدام اليومي.

هذا السؤال يفتح بابًا واسعًا حول ما يحدث داخل مصانع تصنيع الرقائق. نعم، المصانع بالفعل تنتج أشباه الموصلات بتقنيات نانومترية متقدمة، لكن المهم فهم الطبقات والخطوات التي تحوّل فكرة نانوية إلى شريحة تعمل في هاتفك أو سيارتك. أتابع هذا المجال منذ سنوات وأرى كيف تطورت الأدوات والمواد: طباعة المواضع الدقيقة تتم اليوم بواسطة تقنيات تصوير ضوئي متطوّر مثل الـEUV، وهناك عمليات ترسيب غرافي والـALD لصنع طبقات بسمك أجزاء من النانومتر، ونقش أيوني دقيق، وتطعيمات متناهية الصغر. إضافة إلى ذلك، التصميم نفسه يعتمد على هياكل ثلاثية الأبعاد مثل FinFETs وتحوّل قريب إلى GAA لتقليل التسرّب والحد من التأثيرات الكمومية. لكن الحكاية ليست موضة حرفية على ورق؛ الانتقال من مختبر إلى تصنيع ضخم يتطلب معدات أسطورية (مصانع نظافة عالية جداً)، استثمارات بمليارات الدولارات، وتحكّمًا في العيوب والتحجيم والـyield. لذلك فقط عدد قليل من المصانع في العالم، مثل تلك التي تتبع نماذج foundry متطورة، تصنع رقائق عند 5 نانومتر أو 3 نانومتر. وفي الوقت نفسه، مصانع متخصّصة تنتج تقنيات نانوية لأشباه موصلات ذات وظائف خاصة — مثل GaN للقدرة أو حسّاسات تستفيد من مواد ثنائية الأبعاد. الخلاصة العملية التي أحبّها أن أذكرها: نعم، تقنيات النانو داخل المصانع واقع، لكنها نتاج منظومة كبيرة من معدات، مواد، وخبرة، وليست مجرد لوحة مفاتيح تضغط عليها لإنتاج الشريحة. هذا الأمر يجعل كل شريحة صغيرة إنجازًا هندسيًا ضخمًا في رأيي.

الجامعات عادة تدرّس أشباه الموصلات ضمن قلب مناهج هندسة الإلكترونيات، لأن فهم كيف يعمل الترانزيستور والديود هو أساس كل ما نبنيه بعد ذلك. في السنوات الأولى ترى مادة فيزياء المواد أو فيزياء الحالة الصلبة تشرح مفهوم الفجوة الطاقية والحركة الحرة للإلكترونات والثقوب، ثم تنتقل إلى مقرر يسمى غالباً 'أجهزة إلكترونية' أو 'أشباه الموصلات والأجهزة' حيث تتعلم تفاصيل عمل الدايود، الـ BJT، والـ MOSFET من منظور عملي ونظري. هذه المقررات تقترن عادة بتجارب مخبرية بسيطة تظهر خصائص القطع، وقياس منحنيات التيار-الجهد، وتجارب حرارية وشد تيار التسرب. بعدها، في التخصصات الأعمق أو في مسارات المايكروإلكترونيات، تدخل مواضيع متقدمة مثل تصميم الدوائر المتكاملة التناظرية والرقمية، تقنية تصنيع الشرائح (عملية fab)، تقنيات التشذيب والنمذجة، وأحياناً مواد أشباه الموصلات المتقدمة مثل السليكون الجرمانيوم أو أشباه الموصلات واسعة الفجوة. توجد برامج تمنح مساقات خاصة عن 'تصميم الدوائر المتكاملة' وأدوات CAD مثل SPICE وCadence، ومعامل نظيفة بسيطة في بعض الجامعات لزيارات عملية. المحصلة العملية: إذا درست هندسة إلكترونيات في جامعة متكاملة فستواجه أشباه الموصلات في شكل مواد وأجهزة وتصميم وتطبيقات. الكتب الكلاسيكية التي قد تذكرها الأقسام تشمل أمثال 'Semiconductor Physics and Devices' و' قطعة من مادة عن الأجهزة'، لكن الأهم هو أن تحضر المختبرات وتحصل على تدريب عملي لأن النظرية وحدها لا تكفي. أنا دائماً أجد أن غوصي في هذه المواد هو ما يجعل فهمي للدارات أقوى ويجعل العمل الميداني ممتعاً.

من زمان وأنا ألاحِظ الفرق الواضح لما أمسك مقبض مقلاة معدني أو بلاستيكي — الحرارة تنتقل بطريقة مختلفة، وهذا خلاني أفكر أعمق في السؤال: هل الموصلية الحرارية من خواص الفلزات؟ الجواب القصير هو: نعم، الموصلية الحرارية تُعد من خواص المواد، والفلزات عادةً تتميز بموصلية حرارية عالية، لكن الموضوع أوسع من كونه قاعدة مطلقة. السبب الفيزيائي الأول اللي يخلي الفلزات جيدة في نقل الحرارة هو وجود إلكترونات حرة تتحرك داخل المعدن. هذه الإلكترونات تنقل الطاقة الحرارية بسرعة، وهذا هو الفرق الكبير عن العوازل حيث تكون الفونونات (اهتزازات الشبكة البلورية) هي الناقلة الأساسية للحرارة. لذلك تقاس الموصلية الحرارية بوحدة واط لكل متر لكل كلفن (W/(m·K))، ونشوف أمثلة عملية مثل الفضة والنحاس والذهب والألمنيوم لديها قيّم عالية (الفضة ~429، النحاس ~401، الذهب ~318، الألمنيوم ~237 عند درجة حرارة الغرفة تقريبًا). لكن لا يعني هذا أن كل معدن موصل جيد؛ بعض السبائك والفولاذ المقاوم للصدأ أقل بكثير لأن البنية البلورية والشوائب والحدود الحبيبية تعيق انتقال الإلكترونات والفونونات. ومن المهم أن نفهم أن الموصلية الحرارية هي خاصية للمادة بحد ذاتها، لكنها ليست ثابتة بأي ظرف؛ تتغير مع درجة الحرارة، ونسبة الشوائب، والحالة الميكروبلورية، والضغط وحتى الاتجاه البلوري في مواد متباينة الخواص. هناك استثناءات ممتعة: الماس، وهو غير فلز، يمتلك موصلية حرارية استثنائية بفضل شبكة كربون قوية تنتقل عبرها الفونونات بكفاءة عالية، فتفوق كثيرًا بعض الفلزات. وفي المقابل، فلزات مثل التيتانيوم أو بعض أنواع الفولاذ تُظهر موصلية منخفضة مقارنةً بالنحاس. عمليًا، هذا يعني أن الموصلية الحرارية عنصر أساس في تصميم الأشياء: من مبردات المعالجات التي تستخدم النحاس أو الألمنيوم، إلى مقابض الأواني التي تُعزل عفواً. الخلاصة اللي أخرج بها هي أن الموصلية الحرارية ليست خاصية حصرية للفلزات لكنها مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بسلوك الفلزات بسبب وجود إلكترونات حرة؛ ومعرفة التفاصيل الدقيقة تتطلب نظرة على التركيب والحرارة والهيكل المجهري للمادة.

لدي موقف واضح من هذا الموضوع: نعم، الكثير من الشركات تستثمر في أشباه الموصلات لكن السبب ليس دائماً مجرد تقليل تكلفة التصنيع فحسب. كمهندس قديم اعتدت رؤية العملية من الداخل، أقدر أن الاستثمار في خطوط إنتاج الشرائح غالباً ما يكون قراراً بعيد المدى. المصانع (الفابز) تكلف مليارات، لذلك الشركات تقارن دائماً بين نفقات رأس المال الكبيرة مقابل انخفاض تكلفة الوحدة على المدى الطويل. إذا كانت الشركة تنتج ملايين القطع سنوياً، فإن توزيع تكلفة المصنع على تلك الكمية يجعل السعر النهائي لكل قطعة أرخص. لكن هناك عوامل أخرى: تحسين الكفاءة، تقليل الاعتماد على موردين خارجيين، والقدرة على ابتكار تصميمات خاصة تقلل من أجزاء وتعيد صياغة السلسلة اللوجستية. الاستثمار لا يقتصر فقط على بناء مصانع، بل يشمل أدوات الاختبار، التغليف المتقدم، وأتمتة خطوط الإنتاج التي تخفض العمالة وتقلل الهدر. كما أن الاستثمار في تصميم الشرائح نفسه — تصميمات أكثر كفاءة للطاقة أو لتجميع الوظائف — يمكن أن يخفض التكلفة الإجمالية للمنتج، لأن قطعة أقل تعني خطوط تجميع أبسط وقطع غيار أقل. باختصار، الشركات تستثمر في أشباه الموصلات لتحقيق مجموعة من الأهداف: تقليل تكلفة الوحدة عند حجم إنتاج كبير، تحسين المرونة في السلسلة، وتسريع الابتكار. أنا أميل إلى رؤية هذه الاستثمارات كرهان طويل الأمد: مخاطرة رأسمالية كبيرة مقابل مكاسب تشغيلية واستراتيجية لاحقة.

أستمتع بتخيل كيف أن كل طبقة رقيقة من السيليكون أو غيره تقلل من اهتزاز البطارية في جهازك — وهذا ليس مبالغة، فعلاً أشباه الموصلات جزء أساسي من خفض استهلاك الطاقة. أرى أن المطورين لا يعتمدون فقط على شريحة أفضل بمعناها السطحي، بل على مجموعة تقنيات متكاملة: من اختيار مواد وتقنيات تصنيع متقدمة إلى أساليب تصميم الدوائر والبرمجيات التي تدير الطاقة بذكاء. في الأجهزة المحمولة مثلاً، يتم استخدام تقنيات تصنيع متطورة مثل FinFET ثم الانتقال إلى GAA وFDSOI لتقليل التيار المتسرب وتحسين أداء/طاقة الترانزستور. على مستوى الدوائر، تُستخدم تقنيات مثل ديناميكية تردد/جهد التشغيل (DVFS)، وإيقاف الطاقة للأقسام غير المستخدمة (power gating)، وإيقاف نبضات الساعة (clock gating)، والعتبات المتعددة للترانزستورات (multi-Vt) لتقليل الاستهلاك في حالات الخمول والنشاط. كما أن وجود وحدات إدارة طاقة متخصصة (PMICs) ومقومات طاقة عالية الكفاءة يساهم بشكل كبير. أما على مستوى النظام والبرمجيات، فالمطوِّرون ينسقون بين نواة النظام، برامج التشغيل، والمشتغلين بالعلاقة بين الأداء والطاقة—يعني البرمجيات تُوقِف الوحدات غير الضرورية وتخفض تردد المعالج عند عدم الحاجة. هناك أيضاً استخدام متزايد لمواد ومكونات مختلفة مثل GaN للشواحن وSiC في المحركات الكهربائية لأنها تقلّل خسائر التبديل وتزيد الكفاءة. في النهاية، هو سباق دائم بين الأداء والتكلفة والحرارة والاعتمادية، لكن نعم — أشباه الموصلات وتنوع تصميمها هما في قلب تقليل استهلاك الطاقة، وهذا ما يجعل الأجهزة التي أستخدمها تدوم لفترات أطول.