تطور عالم المعالجات والرقائق يفوق الخيال
قانون مور وضع حجر الأساس لتكنولوجيا تصنيع المعالجات والرقائق
|
في عام 1965 قال جوردون مور الذي شارك في تأسيس انتل إن عدد المعالجات في الرقيقة الواحدة (سرعة المعالجات) تتضاعف كل 1824 شهرا. خلال الأعوام الأربعين التالية لقوله تضاعف عدد الترانزستورات من 2.300 إلى 55 مليون، وهو ما يؤكد صحة قانون مور الشهير.
وأضاف مور: (لا نزال في بداية عهد المعالجات المتناهية الصغر... أمامنا الكثير لجعلها أكثر قدرة ونبذل قصارى جهدنا في هذا المجال).
وفي عملية يطلق عليها الطباعة الحجرية تكون الدوائر مطبوعة في السليكون عن طريق تسليط الضوء خلال قناع، وكما تعلمنا طريقة استخدام أطوال الضوء الموجية فبإمكاننا أن نصنع دوائر أكثر دقة.
***
علاقة الطباعة الحجرية بالسليكون
وقال الدكتور ديف واطسون من شركة اي بي ام: (توجد صعوبات في مواصلة تنقية عملية الطباعة الحجرية الحالية إلى أجل غير مسمى ويتحرك الأشخاص لتحقيق أطوال ضوئية موجية مختلفة بعيدا عن الضوء المرئي إلى ما يسمى بالحد الأقصى من الأشعة فوق البنفسجية، وهذا يقدم الفرصة لاستخدام أطوال موجية أقصر وأقصر والتي تسمح بدورها برسم مكونات أصغر وأصغر في دوائر متكاملة, وحتى في حالة الاستمرار في تنقيح عملية الطباعة الحجرية فإن هناك مشكلتين أخريين ترتبطان بجعل الأشياء وثيقة القرب من بعضها البعض وهو ما يجعل درجة حرارة الرقائق ترتفع).
وقال الدكتور واطسون: (تستخدم الرقائق مزيد من الطاقة لخلق الحرارة في نفسها أكثر مما يحدث في الواقع وهذا بسبب كثافة في مكونات الرقيقة. لقد وصلنا إلى المرحلة التي لا نستطيع أن نستخدم فيها الرقيقة بأكملها في نفس الوقت بل علينا أن نستخدم أجزاء منها في وقت من الأوقات للحفاظ على درجة الحرارة منخفضة عند الحد الأدنى، وأنه بفحص تقنية الرقائق الحالية نجد أن المكون الرئيسي في الرقيقة يمكن أن يكون نحو 25 من كثافة الطبقة الذرية للسليكون والمشكلة تتمثل في وجود قفزة كهربية بين مختلف المكونات).
واستطرد الدكتور واطسون قائلا: (ومن ثم يكون هناك اثنان من الموصلات النحاسية منفصلة بـ 25 طبقة ذرية وبامكان الالكترونات أن تقفز من جانب إلى آخر وبالتالي نحصل على قصر في الرقائق, وفي حالة كون هذه الموصلات أصغر فإنه لا يمكن التحكم في الالكترونيات داخل الرقيقة).
***
قفزة كمية
وواجه مطورو هذه التقنية مشاكل مثل تلك التي واجهوها من قبل لكن قانون مور كان وما يزال حتى الآن يجد حلا لها. إن التغيير من الألومونيوم إلى النحاس، حيث إن الموصل في الرقائق يعني أن بإمكانهم استخدام طاقة أقل بمعدل 30 بالمئة. وبإمكان رقائق جديدة أكثر كلفة مصنوعة من مادة الزرنيخيد غاليوم بدلا من السليكون أن تزيد السرعة بمعدل 40 بالمئة. لكن حتى في حالة القدرة على التغلب على مشكلة الحرارة والطاقة والمواد فإنه ليس بإمكانك الاستمرار في الانكماش للأبد.
وتقول الاحصائيات إن قانون مور سيصل في وقت ما خلال السنوات العشر القادمة لمرحلته النهائية، حاجز منيع حيث لا يكون بإمكانك صنع سلك أرفع من الذرة. وفي حالة وصولنا بمرور الوقت إلى حاجز الذرة فإننا سنكون على الرغم من ذلك بحاجة إلى مزيد من الجاذبية في أجهزتنا وسيكون على العلماء بناءً على ذلك فعل شيء مختلف.
وقال البروفيسور اندرو بريجز، أستاذ المواد الدقيقة في جامعة اكسفورد: (الاختلاف بين الاحصاء الكمي والتقليدي يتمثل في أن الكمبيوتر التقليدي الذي يتعامل بذرات يمكن في أي لحظة أن تكون هذه الذرات 1 أو 0 بينما في الكمبيوتر الكمي نستخدم ما نسميه (Qbit) وأعرف أنها تبدو غريبة لكن كل وحدة من هذه الوحدات يمكن أن تكون 1 و0 في نفس الوقت ).
ويواجه قانون مور بعض الانتقادات وهو أن هناك بعض الوظائف التي ربما تتطلب قوة أكبر من تلك التي يقدمها قانون مور ومن غيرها فإن هذا القانون قد يثبت فشلا يوما ما وفقاً لوجهة نظر هؤلاء العلماء.
اعتمادا على هذا القانون الرائع تمكنت أنتل من تحقيق خطوة أساسية مهمة في تطوير الجيل الثاني من تكنولوجيا صناعة الشرائح، فتمكنت من بناء شرائح الذاكرة للوصول العشوائي الساكنة SRAM بسعة قدرها 70 ميجا بت قادرة على أداء وظائفها بالكامل، كما أنها تحتوي على ما يزيد على نصف مليار ترانزيستور باستخدام عملية (65 نانومتر) التي تعد أحدث التقنيات واكثرها تقدما في صناعة المعالجات على مستوى العالم، ومن شأن هذا أن يضمن التناسق التام مع قانون مور ويعطى الدفعة القوية لهذا القانون الذي طور عالم صناعة الهاردوير.
وتشتمل الترانزيستورات الجديدة التي يتم تصنيعها وفق تكنولوجيا (65 نانومترا) (النانومتر الواحد يعادل جزءاً واحداً من مليار جزء من المتر) على بوابات (أي المفتاح الذي تكون مهمته فتح وإغلاق الترانزيستور)، حيث يبلغ طول البوابة الواحدة منها 35 نانومترا، أي أنها اصغر بنسبة 30 في المائة مع طول البوابة التي كان يتم تصنيعها سابقا بالاعتماد على تقنية (90 نانومترا). ولغرض المقارنة فإن مائة من هذه البوابات يمكن أن تدخل في قطر خلية الدم الحمراء عند الإنسان. وستسهم التقنية الجديدة في زيادة عدد الترانزيستورات الرقيقة التي يتم ضغطها فوق الشريحة الواحدة، الأمر الذي يوفر تقديم معالجات مستقبلية تحتوي على أكثر من قلب في المعالج الواحد، ويتيح ذلك لها ايضا تصميم مواصفات ابداعية في المنتجات المستقبلية، بما في ذلك قدرات العالم الافتراضي والسمات الأمنية.
وتشتمل تكنولوجيا عملية (65 نانومتر) الجديدة العديد من الخصائص الرائدة على مستوى هذه الصناعة، مثل الكثافة والأداء وانخفاض استهلاك الطاقة، وسيؤدي ذلك إلى الرقي بمستويات المعالجات المستقبلية من حيث القدرات والأداء، والآن باتت هذه التكنولوجيا على أتم جاهزية لبدء العمل بها في العام المقبل 2005 من أجل توسعة الفوائد التي يتضمن عليها قانون مور.
***
دور تكنولوجيا التصنيع (65 نانومتر) فى تطور المعالجات
في شهر نوفمبر من العام الماضي 2003 تم استخدام عملية التصنيع (65 نانومتر) من قبل شركة أنتل وذلك بهدف بناء شرائح الذاكرة للوصول العشوائي الساكنة SRAM بسعة قدرها 4 ميجا بت. ومن ذلك الوقت قامت بمضاعفة جهودها لتصنيع شرائح الذاكرة للوصول العشوائي الساكنة SRAM بسعة قدرها 70 ميجا بت وقادرة على أداء وظائفها بالكامل مع مساحة صغيرة جدا للشريحة تبلغ 110 ميليمتر مربع. وتتيح الخلايا الصغيرة لهذه الذاكرة تكامل أنواع الذاكرة المخبأة داخل المعالج، حيث تمتلك كل خلية من خلايا هذه الذاكرة ستة ترانزيستورات تكون محزمة مع بعضها بعضاً فوق مساحة إجمالية تبلغ 0.57 من الميكرومتر، لذا يكون من الممكن وضع ما يصل إلى 10 ملايين ترانزيسيتور داخل مليمتر مربع واحد، أي ما يشبه إلى حد ما حجم رأس قلم الحبر الجاف.
***
السمات الجديدة لانخفاض استهلاك الطاقة لتكنولوجيا (65 نانومتر):
استناداً إلى قانون مور فإن عدد الترانزيستورات فوق الشريحة الواحدة يتضاعف كل عامين، الأمر الذي يؤدي إلى توفير المزيد من الخصائص ورفع مستوى الأداء وتقليل التكاليف المصاحبة لإنتاج كل معالج.
وفي الوقت الذي يقل فيه حجم الترانزيستور، يكون من المتوقع أن تظهر مشاكل زيادة الطاقة وانبعاث الحرارة، وبناء على ذلك يكون من الضروري تطبيق خصائص وطرق وهياكل جديدة بهدف مواصلة هذا التقدم، وقام المصنعون بالتعامل مع هذه التحديات عن طريق إدخال خصائص توفير الطاقة في تكنولوجيا العملية التصنيعية الجديدة (65 نانومتر)، وتكون مثل هذه الخصائص على درجة كبيرة من الأهمية كي تتمكن الشركات من طرح أجهزة كمبيوتر ومنتجات اتصالات تكون معدلات استهلاكها للطاقة فاعلة.
وعلاوة على ذلك فإن تكنولوجيا السليكون المضغوط التي تم تطبيقها لأول مرة مع تكنولوجيا العملية التصنيعية السابقة (90 نانومتر)، فإنها ستسهم كثيراً في تحسين التكنولوجيا الجديدة (65 نانومتر). وسيعمل الجيل الثاني من تكنولوجيا السليكون المضغوط على زيادة أداء المعالج بنسبة تتراوح من 10 إلى 15 في المائة من دون أن يرافق ذلك زيادة في التسرب، وعلى العكس من ذلك تماماً فإن هذه الترانزيستورات يمكن أن تحدّ من التسرب بمعدل أربعة أضعاف في الأداء المستمر مقارنة مع تكنولوجيا عملية (90 نانومتر). ونتيجة لذلك فإن الترانزيستورات التي يتم بناؤها بالاعتماد على العملية التصنيعية الجديدة (65نانومتر) تتسم بالأداء المحسن من دون أن ينجم عنها زيادة في التسرب (من الناحية الفيزيائية يؤدي تسرب التيار الكهربائي العالي إلى زيادة في توليد الحرارة).
وأسهمت الترانزيستورات الجديدة القائمة على تكنولوجيا (65 نانومتر) إلى تقليص طول البوابة لتصل إلى 35 نانومترا، كما يبلغ سمك أكسيد البوابة 1.2 نانومتر، ويؤدي هذان العاملان مع بعضهما بعضا إلى توفير أداء محسن وتقليل سعة البوابة، ومن شأن هذه الخاصية أن تقلل إلى حد كبير من الطاقة النشطة للشريحة. وتتكامل العملية الجديدة مع ثماني طبقات نحاسية متداخلة مع بعضها بعضاً، وتستخدم مادة عازلة للكهرباء تزيد بدورها من سرعة الإشارات داخل الشريحة، وتقلل من استهلاكها للطاقة.
وعلاوة على كل ما ذكر فقد قام المصنعون بتطبيق خاصية (الترانزيستورات النائمة) مع شرائح SRAM القائمة على العملية (65 نانومتر)، وتقوم (الترانزيستورات النائمة) بإغلاق مجرى التيار إلى الوحدات الكبيرة في شريحة SRAM عندما لا تكون الترانزيستورات قيد الاستخدام، وبالتالي فإن ذلك يؤدي إلى التخلص من مصدر مهم من مصادر استهلاك الطاقة على الشريحة. وتكون هذه الخاصية مفيدة على وجه الخصوص في الأجهزة التي تعتمد في طاقتها على البطارية مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة.
أن تحديات الطاقة وانبعاث الحرارة من المشاكل الأساسية التي تواجه صناعة أشباه الموصلات في الوقت الراهن وهو ما تعمل أنتل باستمرار على معالجة هذا الأمر بأبحاثها. ويتم تصنيع منتجات أشياء الموصلات بالاعتماد على عملية (65 نانومتر) في مصنع 300 ميليمتر ويحمل الرمز (D1D) حيث تم هناك تطوير هذه العملية.
وأخيرا فإنه على مستوى سرعة الكمبيوترات ما زال قانون مور هو سيد الموقف والذي ينص على أن عدد التّرانزستورات سيتضاعف على شرائح المعالجات processors كل سنة إلى سنتين، والذي فُهم منه أن سرعة الكمبيوترات ستتضاعف كل 18 شهراً. وقد ثبتت صحة ذلك خلال السنوات الأربعين الماضية على نحو عجيب، وأدى بالتالي إلى نمو متزايد في أداء المعالجات الإلكترونية.
وقد رافق ذلك تناقص في أسعارها، وتناقص مطرد في حجمها بحيث صارت الشرائح أصغر فأصغر وذات فاعلية أكبر فأكبر. كما أن تقنيات الذاكرة العشوائية RAM والسعة التخزينية للقرص الصلب hard drive تشهد مثل ذلك التقدم المثير.
.....
الرجوع
.....
| |
|
|
توجه جميع المراسلات التحريرية والصحفية الى
chief@al-jazirah.com عناية رئيس التحرير
توجه جميع المراسلات الفنية الى
admin@al-jazirah.com عناية مدير وحدة الانترنت
Copyright 2002, Al-Jazirah Corporation, All rights Reserved
| 