בזמן שאנחנו מתעסקים בשאלה האם האייפון 17 יהיה דק יותר במילימטר או פחות ממקבילו המצופה גלקסי S25 Edge של סמסונג, קבוצה של מדענים מאוניברסיטת פקינג (בייג'ינג) שבסין אולי כבר הפכה את כל תעשיית המחשוב על ראשה. או לפחות זו השאיפה שלה.
קחו גיליון דקיק של ביסמוט - יסוד כימי מסדרת מתכות המעבר העמידות, שלא מזכיר שום דבר שראיתם בתוך שבבי הסיליקון של ימינו - וקיבלתם משהו שהם קוראים לו "הטרנזיסטור המהיר והיעיל ביותר בעולם". לא רק שהוא מנצח את המעבדים הכי טובים שיוצאים מפס הייצור של אינטל ו-TSMC (כן, אותה TSMC שבונה את השבבים לאפל וכל העולם), הוא גם צורך פחות אנרגיה תוך כדי. והכי חשוב, אין בו שמץ של סיליקון.
הטרנזיסטור הדו-ממדי הזה, נטול סיליקון לגמרי, מייצג חשיבה חדשה ורדיקלית על מה שבבים יכולים להיות ואיך מייצרים אותם. "אם חידושים בשבבים המבוססים על חומרים קיימים נחשבים ל'קיצור דרך', אז הפיתוח שלנו של טרנזיסטורים המבוססים על חומרים דו-ממדיים מקביל ל'החלפת נתיב נסיעה'", אמר ל-SCMP היילין פנג, פרופסור לכימיה באוניברסיטה והמחבר הראשי של המחקר. בקיצור, במקום לשפר את הקיים, הם הלכו על משהו אחר לגמרי.
מ"סנפירים" לגשרים
כדי להבין עד כמה זה פורץ דרך, כדאי קודם כל לדמיין מה זה בעצם מחליף. מאז תחילת שנות ה-90, טרנזיסטורים – אותם מתגים זעירים שמניעים כל דבר, מסמארטפונים ועד למחשבי-על – הסתמכו במידה רבה על סיליקון ועל עיצוב המכונה Fin Field-Effect Transistor, או בקיצור FinFET. תחשבו עליהם כמו על גורדי שחקים זעירים, עומדים אנכית על השבבים כדי לאפשר שליטה טובה יותר על זרם החשמל (בממדים ננומטרים).
הבעיה? ל-FinFETS נגמר המקום. פשוטו כמשמעו. ככל שהשבבים מתכווצים לכמה ננומטרים בודדים, המהנדסים נתקלים במגבלות פיזיות קשות יותר ויותר. מתחת ל-3 ננומטר, קשה יותר לשפר את הביצועים וצריכת החשמל רק עולה. במילים אחרות - אם רוצים להתקדם הלאה עם הטכנולוגיה, משהו חייב להשתנות. ולכן הצוות של פנג החליט לא לכווץ את העיצוב הישן יותר, אלא פשוט לזרוק אותו לפח.
הטרנזיסטור החדש משתמש במבנה שנקרא Gate-All-Around Field-Effect Transistor GAAFET. במקום לעטוף את "השער" (החלק ששולט בזרם) מסביב לשלושה צדדים של ערוץ הטרנזיסטור כמו שעושים ה-FinFETS, מבנה ה-GAAFET עוטף אותו מכל ארבעת הצדדים. זה מאפשר שליטה טובה יותר בזרם ומקצץ דרסטית את בזבוז האנרגיה. אבל זה לא החידוש האמיתי - מה שבאמת מהפכני זה החומר ממנו הטרנזיסטור הזה עשוי.
חומר חסכוני ומהיר יותר
במקום סיליקון, צוות החוקרים בנה את הטרנזיסטור שלו באמצעות ביסמוט אוקסיסלניד עבור ה"ערוץ", וביסמוט סלנייט אוקסיד כחומר ה"שער". כאמור, החומרים האלה הם חלק מקבוצה המכונה מוליכים למחצה דו-ממדיים – יריעות דקיקות אטומית עם תכונות חשמליות יוצאות דופן. ביסמוט אוקסיסלניד, בפרט, מציע משהו שהסיליקון נאבק בו בגדלים קטנים במיוחד: מהירות.
אלקטרונים נעים דרכו מהר יותר, גם כשהם דחוסים בחללים זעירים. יש לו גם קבוע דיאלקטרי גבוה יותר, מה שאומר שהוא יכול להחזיק ולשלוט במטען חשמלי בצורה יעילה יותר. זה מוביל למיתוג מהיר יותר, הפחתה באובדן אנרגיה, וחשוב מאוד – סיכוי נמוך יותר להתחממות יתר.
4 צפייה בגלריה
עובדי TSMC. בעוד שמהנדסים נאבקים עם טכנולוגיית הסיליקון, הצוות הסיני מציע הסתכלות חדשה לחלוטין על התחום
(צילום: TSMC)
"זה מפחית פיזור אלקטרונים ואובדן זרם, ומאפשר לאלקטרונים לזרום כמעט ללא התנגדות, בדומה למים הנעים דרך צינור חלק", הסביר פנג. שזה בעצם אומר פחות חיכוך, פחות חום, ויותר ביצועים בפחות אנרגיה. מי לא חולם על זה בסמארטפון שלו?
וכל זה מצטבר לתוצאות מדהימות. לטענת הצוות, הטרנזיסטור שלהם יכול לפעול מהר יותר ב-40% משבבי הסיליקון המתקדמים ביותר בטכנולוגיית 3 ננומטר של ימינו – והוא עושה זאת תוך שימוש ב-10% פחות אנרגיה.
שינוי שנולד מכורח הנסיבות
הפיתוח הסיני נובע גם (ובעיקר) מגיאופוליטיקה. בגלל מגבלות הייצוא האמריקאיות המתמשכות, חברות סיניות נחסמו מלרכוש את הציוד החדיש ביותר לייצור שבבי סיליקון. מכונות הליטוגרפיה המתקדמות ביותר, אלה שיכולות לייצר שבבי 3 ננומטר, מיוצרות על ידי קומץ חברות במערב כגון ASML ההולנדית.
על ידי יצירת טרנזיסטור שאינו מסתמך על סיליקון - צוות המחקר מצא דרך לעקוף את הסנקציות האמריקניות באמצעות כלים הזמינים בסין
על ידי יצירת טרנזיסטור שאינו מסתמך על סיליקון – ושאפשר לייצר באמצעות כלים קיימים בסין – ייתכן שצוותו של פנג מצא דרך לעקוף את הסנקציות האלה. במילים אחרות, אם לא נותנים להם לשחק עם הכלים של הגדולים, הם יבנו כלים משלהם. "אף על פי שהדרך הזו נולדה מכורח המציאות עקב הסנקציות הנוכחיות, היא גם מאלצת חוקרים למצוא פתרונות מפרספקטיבות רעננות", אמר פנג.
יש לציין שלא רק בסין מנסים למצוא שיטות חדשות לייצור שבבים. IBM למשל עובדת במשך שנים על טכנולוגיית ננו-צינוריות מבוססות פחמן, באינטל מנסים גם למצוא פתרונות למזעור עם שיטות ניסיוניות לאריזה של השבבים, וכמובן שגם ב-TSMC מנסים למצוא שיטות למזער עוד את השבבים כדי להמשיך להחזיק במקום ה-1 ברשימת יצרני השבבים בעולם.
סימנים מבטיחים, אבל יש עוד דרך
למרות הביצועים המרשימים במעבדה, ישנן עדיין שאלות גדולות: האם אפשר לייצר את הטרנזיסטורים האלה בקנה מידה גדול? האם הם ישרדו את החום והעומס של שימוש בעולם האמיתי (בסמארטפון שלכם או במחשב גיימינג)? וכמה זמן ייקח עד שהטכנולוגיה הזו תגיע למכשירים של הצרכנים?
4 צפייה בגלריה
נשיא ארה"ב טראמפ (שמאל) ונשיא סין, שי ג'ינפינג. הסנקציות האמריקניות על בייג'ינג מאלצות את הסינים לפתח טכנולוגיות חדשות
(צילום: רויטרס)
פנג טוען שהצוות שלו כבר עובד על הגדלת הייצור. אבות טיפוס מוקדמים של יחידות לוגיקה שנבנו עם הטרנזיסטור הראו מתחי הפעלה נמוכים במיוחד. העובדה שהם השתמשו בפלטפורמות ייצור קיימות גם מרמזת שהחסם לייצור המוני אולי לא גבוה כמו בטכנולוגיות ניסיוניות אחרות. "עבודה זו מדגימה כי 2D GAAFETs אכן מציגים ביצועים ויעילות אנרגטית דומים לטרנזיסטורים מסחריים מבוססי סיליקון", כתבו החוקרים, "מה שהופך אותם למועמד מבטיח לדור הטכנולוגיה הבא".
אבל להפוך פריצות דרך מעבדה לשבבים מסחריים לוקח בדרך כלל שנים – לפעמים עשורים. זה דבר אחד לתכנן טרנזיסטור בודד, אבל זה משהו אחר לגמרי לשלב מיליארדי כאלה על שבב אמין, שניתן לייצור המוני. ובכל זאת, אם זה יצליח, הפריצה הזו יכולה להעניק לסין בסיס טכנולוגי חדש. ובאופן רחב יותר, זה מאותת שמרוץ המוליכים למחצה אולי כבר לא קשור רק למי יכול לייצר סיליקון קטן יותר, אלא למי יכול לחשוב מעבר לו.
הממצאים, אגב, פורסמו בכתב העת היוקרתי Nature Materials. נחכה ונראה אם זה יהפוך למציאות, או יישאר בגדר פריצת דרך מחקרים ללא יישום יעיל בעולם האמיתי.
