عملية 1 نانومتر
| عمليات تصنيع أشباه الموصلات |
|---|
 |
|
مستويات موسفت (عقد العمليات) |
|
في تصنيع أشباه الموصلات، تمثل "عملية 1 نانومتر" (1 nm process)، علامة فارقة هامة في تصغير قالب الموسفت (ترانزستور الأثر الحقلي للأكاسيد المعدنية لأشباه الموصلات)، التالي بعد عقدة العملية "2 نانومتر". وهي تُواصل توجه الصناعة نحو تصغير حجم الدوائر المتكاملة، الذي كان أساسياً لتحسين الأداء، وزيادة كثافة الترانزستورات، وخفض استهلاك الطاقة.
| العملية | درجة البوابة | درجة الفلز | السنة |
|---|---|---|---|
| 3 ن.م. | 48 ن.م. | 24 ن.م. | 2022 |
| 2 ن.م. | 45 ن.م. | 20 ن.م. | 2025 |
| 1 ن.م. | 42 ن.م. | 16 ن.م. | 2027 |
مصطلح "1 نانومتر" لا علاقة له بأي سمة فيزيائية فعلية (مثل طول البوابة، أو درجة الفلز، أو درجة البوابة) للترانزستورات. وفقاً للتوقعات الواردة في تحديث عام 2021 لخريطة طريق التكنولوجيا الدولية لأشباه الموصلات الصادر عن معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)،
خريطة الطريق الدولية للأجهزة والأنظمة (IRDS) التي نشرها معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)، من المتوقع أن يكون "لنطاق العقدة 1 نانومتر" درجة بوابة تلامسية تبلغ 42 نانومتر وأضيق درجة فلز تبلغ 16 نانومتر. ومن المتوقع أن تتوفر أول شرائح بدقة 1 نانومتر عام 2027.[1]
أشارت ليبرتي تايمز إلى أن مصنع TSMC رقم 25 في مجمع العلوم والتكنولوجيا بوسط تايوان يجري تطويره ليصبح مركزاً لتصنيع أشباه الموصلات بتقنية 1.4 نانومتر، مع خطة لإنشاء أربعة مصانع. وبحسب التقارير، فقد بدأت أعمال الحفر في أواخر عام 2025، ومن المتوقع بدء الإنتاج التجريبي بحلول أواخر عام 2027، على أن يبدأ الإنتاج الكمي الكامل في النصف الثاني من عام 2028.[2]
أفادت نكيْ إكستك أن راپيدوس تخطط لبدء تطوير تقنية المعالجة 1.4 نانومتر عام 2026 وتهدف إلى بدء الإنتاج الضخم في 2029 تقريباً.[3]
التاريخ
عام 2008، صنع باحثون بريطانيون ترانزستورات بسمك ذرة وعرض عشر ذرات. كانت تلك الترانزستورات منحوتة من الگرافين، والتي تنبأ البعض أنها في يوم ما ستطيح بالسليكون كأساس للحوسبة المستقبلية. الگرافين هي مادة مصنوعة من صفائح مسطحة من الكربون في ترتيب قرص العسل، وهو منافس رئيسي ليحل محل السليكون. استخدمه فريق من جامعة مانشستر بالمملكة المتحدة لصنع بعض من أصغر الترانزستورات على الإطلاق: أجهزة يبلغ قطرها 1 نانومتر فقط وتحتوي على عدد قليل من حلقات الكربون.[4]
عام 2016، ابتكر باحثون في مختبر لورنس بركلي الوطني ومقره كاليفورنيا، ترانزستور ببوابة 1 نانومتر.[5][6] استخدم ترانزستور تأثير المجال ثاني كبريتيد المولبدنم MoS2 كمادة للقناة، بينما أُستخدم أنبوب نانوي كربوني لعكس القناة. يبلغ طول القناة الفعالة حوالي 1 نانومتر. ومع ذلك، كان التفريغ إلى درجة المصدر أكبر بكثير، بحجم ميكرومتر.
تعد مسافة درجة البوابة (CGP)، والتي تُعرف بأنها المسافة بين بوابات الترانزستورات المجاورة، مقياساً أكثر دقة لتقييم الحجم الإجمالي للجهاز وتكنولوجيا التصنيع. وفقاً لتوقعات IRDS، ستتطلب الترانزستورات بعقدة 1 نانومتر تحجيم مسافة درجة البوابة إلى 40 نانومتر.[7] عام 2024، أعلن باحثون في جامعة نانجينگ عن أول ترانزستورات ذات تأثير مجال ثاني كبريتيد المولبدنم MoS2 بمسافة درجة بوابة قياسها 40 نانومتر، وتحققت من خلال اتصالات بلورية من الأنتيمون شبه الفلزي (Sb).[8]
العروض التوضيحية للأبحاث والتكنولوجيا
عام 2012، صُنع ترانزستور أحادي الذرة باستخدام ذرة فسفور مرتبطة بسطح السليكون (بين قطبين كهربائيين أكبر بكثير). يمكن القول أن هذا الترانزستور هو ترانزستور 180 ميكرومتر (نصف قطر ڤان در ڤالز لذرة الفسفور)؛ على الرغم من أن نصف قطر التكافؤ المرتبط بالسليكون من المحتمل أن يكون أصغر.[9] إن جعل الترانزستورات أصغر من هذا سيتطلب إما استخدام عناصر ذات نصف قطر ذري أصغر، أو استخدام جسيمات دون ذرية - مثل الإلكترونات أو الپروتونات - كترانزستورات وظيفية.
عام 2018، ابتكر الباحثون في معهد كارلسروه للتكنولوجيا ترانزستور مزود ببوابة ذرة واحدة وظيفية.[10]
في يوليو 2024، قام فريق بقيادة المدير جو مون-هو في مركز ڤان در ڤالز للمواد الصلبة الكمومية داخل معهد العلوم الأساسية في كوريا الجنوبية بتطوير طريقة للنمو الفوقي للمواد الفلزية أحادية البعد (1D) بعرض أقل من 1 نانومتر على ركائز السليكون. أُستخدمت هذه العملية لبناء هيكل جديد لدوائر منطقية لأشباه الموصلات ثنائية الأبعاد (2D)، باستخدام هذه الفلزات أحادية الأبعاد كأقطاب كهربائية للبوابة. يتوقع IRDS من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات أن تكنولوجيا عقدة أشباه الموصلات قد تصل إلى حوالي 0.5 نانومتر بحلول عام 2037، مع أطوال بوابة الترانزستور حوالي 12 نانومتر. ومع ذلك، أظهر فريق بحث IBS أن عرض القناة المشكل بواسطة المجال الكهربائي من بوابة MTB 1D يمكن أن يصل إلى 3.9 نانومتر، متجاوزاً هذه التوقعات.[11]
في أبريل 2025، أعلن فريق من جامعة فودان بقيادة الأستاذين ونژونگ باو وپنگ ژوو أنهم نجحوا في إنشاء رقاقة 1 نانومتر RISC-V باستخدام أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد.[12][13]
تحت 1 نانومتر
في يونيو 2026، كشفت آي بي إم النقاب عن أول تكنولوجيا في العالم قادرة على إنتاج رقائق أصغر من 1 نانومتر.[14] قامت آي بي إم ببناء نموذج أولي جديد لرقاقة تحتوي على حوالي 100 بليون ترانزستور على مساحة بحجم ظفر الإصبع، وهو ضعف كثافة التكنولوجيا المتطورة السابقة للشركة التي أُعلن عنها عام 2021. ويمكن أن يمهد التصميم الطريق لأجهزة حاسوب أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة لسنوات قادمة. لأكثر من نصف قرن، تمكن صانعو الرقائق من صنع أجهزة حاسوب أكثر قوة من أي وقت مضى من خلال اتباع المبدأ الأساسي لقانون مور: رص المزيد من الترانزستورات على الشريحة. وللقيام بذلك، قاموا بتقليص حجم الترانزستورات - المفاتيح الصغيرة التي تقوم بالعمليات الحسابية- إلى أحجام أصغر تدريجياً. لكن في السنوات الخمس عشرة الماضية، اقتربت الترانزستورات من النقطة التي تبدأ فيها ميكانيكا الكم في التدخل في وظيفتها: حجمها بضع عشرات من النانومترات فقط. لا يمكنهم أن يصبحوا أصغر. لذا، من أجل تركيب المزيد من الترانزستورات على الرقاقة، يتطلع المهندسون في جميع أنحاء الصناعة إلى محور لنهج مألوف لمخططي المدن: البناء. وفي 25 يونيو 2026 أعلنت آي بي إم أنها أنشأت رقاقة تستخدم هذه الإستراتيجية. تعمل البنية الجديدة، المعروفة باسم التراص النانوي (nanostack)، على رص الترانزستورات عمودياً في طبقتين على رقاقة السليكون.[15]
وقال جاي گامبـِتا، مدير أبحاث آي بي إم، خلال مؤتمر صحفي: "إنها ليست مجرد خطوة تدريجية. إنها قفزة ذات مغزى إلى الأمام". ويتوقع گامبـِتا أنه في غضون عشر سنوات، ستُستخدم الرقائق ذات الرص النانوي على نطاق واسع في مراكز البيانات، حيث يمكن أن تساعد كفاءتها المحسنة المنشآت على إدارة استهلاكها للطاقة بشكل أفضل. ويقول دان هاتشسون، نائب رئيس تكإنسايتس، وهي شركة لتحليل التكنولوجيا: "إنه بالتأكيد تغيير جذري". "وهذا يضع 10 أو 15 سنة أخرى على خارطة الطريق". بالمقارنة مع عمارة آي بي إم السابقة المتطورة، أفادت الشركة أن الرقائق المصنعة بهذا النهج الجديد يمكنها القيام بما يصل إلى 50% عمل أكثر في نفس الوقت وتكون أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بنسبة تصل إلى 70%. توفر هذه العمارة طريقة عامة لتوزيع الترانزستورات، وستتعاون آي بي إم مع مصنعي أشباه الموصلات لإنتاج الرقائق الفعلية. وتتوقع الشركة أن يستخدم مصممو الرقائق هذا التصميم في أنواع مختلفة من الرقائق، بما في ذلك وحدات معالجة الرسومات ووحدات المعالجة المركزية. وصرح هويمينگ بو، نائب رئيس قسم البحث والتطوير العالمي لأشباه الموصلات في آي بي إم، في المؤتمر الصحفي الذي أعلن فيه عن التصميم الجديد: "أتوقع إجراء العديد من المحادثات مع المصممين حول كيفية استخدامهم لهذه التقنية".
ابتكر مهندسو آي بي إم رقاقة الجديدة طبقةً تلو الأخرى، تماماً كالكعكة. بدأوا بتصنيع الترانزستورات على طبقة واحدة من السليكون، ثم وضعوا طبقة سليكون أخرى فوقها، وصنعوا طبقة أخرى من الترانزستورات فوقها مباشرةً. وأخيراً، أنشأوا التوصيلات الكهربائية بين طبقتي الترانزستورات. يُعرف هذا النوع من التراص الرأسي، الذي يجمع بين نوعين من الترانزستورات، باسم ترانزستور تأثير المجال التكميلي (CFET)، كما يوضح تشينگ تساو، أستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة إلينوي في إربانا-شامپين، والذي لم يشارك في هذا العمل. ليست هذه الشركة الوحيدة التي تتبنى هذا النهج العام. فقد دأبت كبرى شركات تصنيع الرقائق - إنتل وسامسونگ وشركة تايوان لصناعة أشباه الموصلات- ومختبر الأبحاث المنافس IMEC في بلجيكا على دراسة ترانزستورات CFET. وتؤكد آي بي إم أن تصميمها يتميز بأن الترانزستورات في الطبقة الثانية لا تقع مباشرة فوق ترانزستورات الطبقة الأولى، بل هي متداخلة، مما يُبسط عملية التوصيل، إلى جانب مزايا أخرى، بحسب الشركة.
يقول تساو إن CFETs مثل تلك الموجودة في بنية التراص النانوي من آي بي إم تتناقض مع نهج شائع آخر لصنع شرائح ذات مستويين، مثل 3D V-Cache من أدڤانسد مايكرو دڤايسز وتقنية LogicFolding المرتقبة من هواوِيْ. في هذه الأساليب، يقوم المهندسون بتصنيع الترانزستورات على كل طبقة من الرقاقة بشكل مستقل قبل ربط الاثنين معاً. يقول تساو إن طريقة آي بي إم الجديدة تسمح بمحاذاة الطبقات بشكل أكثر دقة، وهو أمر مهم للأداء لأن الترانزستورات صغيرة جداً. تعتمد تقنية التراص النانوي على نهج يُعرف بتقنية الصفائح النانوية، والتي استُخدمت في تصنيع الترانزستورات المتطورة منذ عام 2022 تقريباً. الترانزستور عبارة عن أنبوب تتدفق عبره الإلكترونات، مزود بصمام للتحكم في تدفقها. داخل الترانزستور، تتحرك الإلكترونات عبر رقعة من السليكون تُسمى القناة. في نهج التراص النانوي لآي بي إم، تتكون القناة من ثلاث صفائح نانوية، يبلغ سمك كل منها 15 ذرة، وتفصل بينها مسافة تسعة نانومترات. يُطلق على كل جيل من الرقائق اسمٌ خاص. تُشير آي بي إم إلى تقنية التراص النانوي الخاصة بها باسم "تحت النانومتر" أو "0.7 نانومتر"، وذلك اتباعاً لعرف صناعي مُتّبع منذ زمن طويل، حيث يُسمى كل جيل نسبةً إلى طول أصغر فأصغر. لكن "0.7 نانومتر" مصطلح تسويقي ولا يُشير إلى أي خصائص فيزيائية للرقاقة. ويقول كاو: "ظلت المسافة بين الترانزستورات ثابتة عند حوالي 40 نانومتراً لفترة طويلة جداً".
بالنظر إلى المستقبل، يمكن لمصنعي الرقائق محاولة زيادة كثافة الترانزستورات عبر بناء طبقات إضافية، كما اقترح بو في المؤتمر الصحفي. مع ذلك، سيواجهون تحديات عملية، وفقاً لتساو. فالتصنيع يُدخل أخطاءً، ما يعني أن عدداً من الرقائق سيكون معيباً عند تصنيعه. يقول تساو: "هنا تُبنى طبقة أخرى فوق الأخرى، لذا إذا فشلت أي من الطبقتين العلوية أو السفلية، ستفشل الرقاقة بأكملها". سيكون معدل الفشل الناتج أعلى من معدل الفشل في الرقائق أحادية الطبقة، وهذا سيكون مكلفاً. يُعدّ ما يُطلق عليه تساو "الميزانية الحرارية" تحدياً رئيسياً آخر. ويعني هذا أساساً أن على المهندسين إيجاد طريقة لبناء كل طبقة دون إذابة الوصلات مع الطبقة التي تحتها. وهذا يتطلب الحفاظ على عمليات التصنيع دون 400°س. وقد توصلت آي بي إم إلى طريقة لتصنيع الطبقة الثانية عند درجة حرارة منخفضة كافية، مع أن الشركة تتكتم على أساليبها. يُعنى الأكاديميون بهذا الأمر أيضاً. فعلى سبيل المثال، ابتكر فريق تساو طريقةً لتكديس الترانزستورات طبقةً تلو الأخرى، حيث تُصنع الطبقة الثانية بعمليات تقل درجة حرارتها عن 200 درجة مئوية. ويحققون ذلك باستخدام نوع من الترانزستورات يُعرف باسم الترانزستور عديم الوصلات، والذي يُمكن تصنيعه دون خطوةٍ أساسية تُسمى التطعيم - وهي عملية حقن ذرات غير سليكونية في السليكون لضبط خصائص المادة. يُعد التطعيم عادةً الجزء الأكثر سخونةً في تصنيع الترانزستورات. ويرى تساو، من منظور إدارة الحرارة، أن نهجه قد يكون أسهل في التوسع ليشمل طبقات متعددة، على الرغم من أن عرضه التوضيحي ما هو إلا إثبات للمبدأ. لكن تساو يعتقد أن عمل آي بي إم "تحويلي" لأنه يوضح كيفية رص الترانزستورات "على رقاقة كاملة باستخدام خط إنتاج متطور". ويقول إن هذا النهج الجديد يدفع الصناعة إلى الأمام: "أنا مهتم بمعرفة التطبيق الأمثل له".
المصادر
- ^ "IRDS™ 2021: More Moore – IEEE IRDS™". Archived from the original on 7 August 2022.
- ^ "TSMC Speeds up Expansion in Taiwan: up to 10 Fabs Reportedly under Construction or Starting in 2026". TrendForce. 23 February 2026. Retrieved 15 March 2026.
- ^ "[News] Rapidus Accelerates 1nm Push, Reportedly Targets Six-Month Gap with TSMC". TrendForce (in الإنجليزية). Retrieved 2026-04-08.
- ^ Atom-thick material runs rings around silicon
- ^ Desai, S. B.; et al. (2016). "MoS" (PDF). Science. 354 (6308): 99–102. doi:10.1126/science.aah4698. PMID 27846499.
- ^ Yang, Sarah (6 October 2016). "Smallest. Transistor. Ever. | Berkeley Lab". News Center. Retrieved 8 October 2016.
- ^ Li, Weisheng; et al. (December 2024). "Scaling MoS2 Transistors to 1 nm Node". 2024 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM). pp. 1–4. doi:10.1109/IEDM50854.2024.10873379.
- ^ Du, Mingyi; et al. (December 2025). "Scaled crystalline antimony ohmic contacts for two-dimensional transistors". Nature Electronics (in الإنجليزية). pp. 1191–1200. doi:10.1038/s41928-025-01500-4.
- ^ "Team designs world's smallest transistor". Australian Broadcasting Corporation. 20 February 2012. Retrieved 28 May 2013.
- ^ "KIT – Media – Press Releases – Archive Press Releases – PI 2018 – Smallest Transistor Worldwide Switches Current with a Single Atom in Solid Electrolyte". 12 February 2024.
- ^ EeNewsEurope (1 July 2024). "Researchers grow 1D sub-1nm transistor". EE News Europe. Retrieved 18 January 2025.
- ^ "World's first 1-nanometre RISC-V chip made in China with 2D materials". South China Morning Post (in الإنجليزية). 2025-04-04. Archived from the original on 2025-11-19. Retrieved 2025-04-04.
- ^ Ao, Mingrui; et al. (2025-04-02). "A RISC-V 32-bit microprocessor based on two-dimensional semiconductors". Nature: 1–8. doi:10.1038/s41586-025-08759-9. ISSN 1476-4687.
- ^ "IBM unveils tech for chip smaller than 1 nanometer in AI computing push". Reuters. Retrieved 2026-06-25.
- ^ "IBM has unveiled chip technology that could help extend Moore's Law another decade". technologyreview. 2026-06-25. Retrieved 2026-06-29.
| سبقه "2 ن.م." (FinFET/GAAFET) |
عملية تصنيع نبائط موسفت | تبعه غير معروف |