رایانهها قبلاً به بزرگی یک اتاق بودند.
اما حالا در جیبتان جا میشوند،
روی مچ دستتان
و حتی داخل بدنتان پیوند زده میشوند.
این چقدر خوب است؟
و دلیل آن کوچک سازی ترانزیستورها بوده،
که کلیدهای کوچک در مدارهایی
در قلب رایانه هستند.
و این بدلیل دهها سال توسعه
و پیشرفت در علم و مهندسی
و میلیاردها دلار سرمایه گذاری حاصل شده است.
که برای ما مقدار گستردهای از توان پردازش
حجم زیادی از فضای حافظه
و انقلابی دیجیتال آورده که همه ما امروزه استفاده میکنیم و لذت میبریم.
اما خبر بد این که،
نزدیک است تا به مانعی دیجیتال در این راه برسیم،
چون میزان کوچک سازی ترانزیستورها کندتر میشود.
و این اتفاق دقیقا وقتی میافتد
که نوآوریهای ما در نرمافزار
با هوش مصنوعی و دادههای کلان بیوقفه ادامه دارند.
و ابزارهای ما به شکلی معمول تشخیص چهره یا واقعیت افزوده انجام میدهند
و یا حتی خودروهای ما را در جادههای نامطمئن و شلوغ میرانند.
شگفتآور است.
اما اگر ما به سلیقهمان در نرمافزار ادامه ندهیم،
به نقطهای در توسعه فناوری خواهیم رسید
که کارهایی که با نرمافزارمان میتوانیم انجام دهیم
به خاطر سختافزار محدود میشود.
همه ما تجربههای ناامید کننده تلفنهای هوشمند یا تبلتهای قدیمی را بیاد داریم
که به زحمت و به تدریج
زیر فشار بروزرسانیهای نرمافزاری و ویژگیهای جدید از کار میافتادند.
در حالیکه وقتی میخریدیمشان همین چند وقت پیش بخوبی کار میکردند.
اما مهندسان نرمافزار پراشتها تمامی ظرفیت سختافزار را خوردند
به تدریج.
صنعت نیمههادی بخوبی از این موضوع آگاه است
و روی راهحلهای خلاقانه زیادی کار میکند،
مثلا عبور از ترانزیستورها به سمت پردازش کوانتومی
یا حتی کار با ترازیستورهایی با معماری متفاوت
مثل شبکههای عصبی
تا مدارهایی مقاومتر و کاراتر داشته باشیم.
اما این راهکارها وقت زیادی لازم دارند،
و ما واقعا به دنبال راهکاری سریعتر برای این مشکل هستیم.
دلیل اینکه چرا نرخ کوچک سازی ترانزیستورها کند شده است
پیچیده شدن هرچه بیشتر فرآیند تولید است.
قبلا ترانزیستور یک قطعه بزرگ و پر حجم بود،
تا زمانی که مدار مجتمع اختراع شد
بر پایه ویفرهایی از کریستال خالص سیلیکون.
و بعد از ۵۰ سال توسعه مداوم،
حالا میتوانیم ترانزیستورهایی در ابعاد
تا ۱۰ نانومتر داشته باشیم.
که میتوانید یک میلیارد از آنها را
در هر میلیمتر مربع سیلیکون قرار دهید.
برای نشان دادن این موضوع:
سطح مقطع موی انسان ۱۰۰ میکرون است.
یک گلبول قرمز خون، که اصلا قابل دیدن نیست،
هشت میکرون عرض دارد،
که میتوانید ۱۲ عدد از آنها را در مقطع موی انسان قرار دهید.
اما در مقایسه ترانزیستور خیلی کوچکتر است،
با عرضی کمتر از یک میکرون.
میتوانید ۲۶۰ ترانزیستور را
در امتداد یک گلبول خون قرار دهید
یا بیش از ۳٫۰۰۰ عدد در عرض تار موی انسان.
واقعا فناوری نانوی فوقالعادهای در جیب شما قرار دارد.
و در کنار این مزیت مشخص
که بتوانیم ترانزیستورهای بیشتری روی یک تراشه قرار دهیم،
ترانزیستورهای کوچکتر کلیدهای سریعتری هم هستند،
و کلیدهای سریعتر بازدهی بیشتری هم دارند.
پس این ترکیب برای ما
هزینه کمتر، کارایی بالاتر و الکترونیک با بازدهی بالاتری را فراهم کرده
که امروزه از آن استفاده میکنیم.
برای تولید این مدارات مجتمع،
ترانزیستورها لایه به لایه ساخته میشوند،
روی یک ویفر از کریستال خالص سیلیکون.
و با یک نگاه خیلی ساده شده،
تمامی مشخصات یک مدار
روی سطح ویفر سیلیکونی تابیده میشود
که توسط یک ماده حساس به نور ثبت میشود
و بعد توسط مواد حساس به نور
الگوهای لازم را روی سطوح پایینی حک میکند.
و این شیوه در طول سالها به شکل چشمگیری بهبود یافته
تا کارایی موجود در الکترونیک امروزی را ایجاد کند.
اما همینطور که ویژگیهای ترانزیستورها کوچک و کوچکتر میشوند،
ما دیگر به محدودیتهای فیزیکی
در تولید این محصولات نزدیکتر میشویم.
آخرین سیستمهای تولید این محصولات
چنان پیچیده شدهاند
که گزارش رسیده که هرکدام بیش از ۱۰۰ میلیون دلار قیمت دارند.
و کارخانههای نیمههادی دهها عدد از اینها را در خود دارند.
حالا خیلیها به طور جدی سوال میکنند: آیا این روش در دراز مدت ممکن است؟
ما معتقدیم که این روش تولید تراشه را میشود
به شیوهای کاملا متفاوت و بسیار اقتصادی
با استفاده از مهندسی مولکولی و تقلید از طبیعت
و تا ابعاد در حد نانوی ترانزیستورهایمان انجام داد.
همانطور که گفتم، در شیوههای معمول تولید تمامی مشخصات مدار
روی سطح سیلیکون تابانده میشود.
اما اگر به مشخصات مدار مجتمع نگاه کنید،
به آرایههای ترانزیستوری،
خیلی از ویژگیها میلیونها بار تکرار شدهاند.
ساختاری بسیار تکراری است.
ما میخواهیم از این تکراری بودن
در شیوه تولیدی جایگزینمان استفاده کنیم.
میخواهیم از مواد خود نصب استفاده کنیم
تا به شکلی طبیعی ساختارهای تکرار شدنی را
که برای ایجاد ترانزیستورها نیاز داریم بسازیم.
ما این کار را با مواد انجام میدهیم،
پس این مواد هستند که کار سخت الگوسازی ظریف را انجام میدهند،
بجای آنکه بخواهیم شیوه چاپ را تا محدودههای آن و فراتر ادامه دهیم.
خود نصبی در خیلی از نقاط متفاوت طبیعت دیده میشود،
از غشای لیپید تا ساختارهای سلولی،
پس میدانیم که میتواند راهکاری مطمئن باشد.
اگر برای طبیعت مناسب است، باید برای ما هم خوب باشد.
پس ما میخواهیم این چیزی که طبیعی اتفاق میافتد، خود نصبی مطمئن را
در تولید فناوری نیمههادی خودمان استفاده کنیم.
یک نوع از مواد خود نصب --
که کوپلیمر نام دارند --
از دو زنجیره پلیمری تشکیل شده است که تنها چند ده نانومتر طول دارد.
اما این دو زنجیره از هم متنفرند.
همدیگر را دفع میکنند،
خیلی شبیه به روغن و آب یا دختر و پسر نوجوان من.
(خنده حضار)
اما ما آنها را با بیرحمی به هم متصل میکنیم،
و یک خستگی ذاتی در ساختار قرار میدهیم،
چون میخواهند از هم جدا شوند.
و در تودهای از این ماده، میلیاردها از اینها وجود دارد،
اجزاء مشابه سعی میکنند تا به هم بچسبند،
و اجزاء متضاد سعی میکنند از هم دور شوند
همزمان.
این یک خستگی درونی در سیستم است، یک تنش در سیستم.
پس در اطرافش حرکت میکند، اینقدر پیچ و تاب میخورد تا شکل بگیرد.
و شکل طبیعی خود نصبی که در ابعاد نانو ایجاد میشود،
منظم، تکراری، و در طول زیاد است،
و این دقیقا همان چیزی است که برای آرایههای ترانزیستوریمان نیاز داریم.
پس میتوانیم از مهندسی مولکولی
برای طراحی شکلهایی در اندازههای مختلف
و تکرار شوندگیهای متفاوت استفاده کنیم.
برای مثال، اگر یک مولکول متقارن را در نظر بگیریم،
که دو زنجیره مولکولی طولی یکسان دارند،
ساختار خود نصب طبیعی که شکل میگیرد
خطوطی پرپیچ و خم و طولانی است،
خیلی شبیه به اثر انگشت.
و عرض خطوط اثر انگشت
و فاصله بینشان
بر مبنای طول زنجیرههای پلیمر ما تعیین میشود
و همینطور میزان خستگی در سیستم.
ما حتی میتوانیم ساختارهایی پیچیدهتر ایجاد کنیم
اگر از مولکولهای نامتقارن استفاده کنیم،
اگر یکی از زنجیرههای پلیمری از دیگری خیلی کوچکتر باشد.
و ساختار خود نصبی که در این حالت ایجاد میشود
با زنجیرههای کوچکتر که گلولههای محکمی را در وسط ایجاد میکنند،
که با زنجیرههای پلیمری بلندتر در مقابل احاطه شده،
و یک استوانه طبیعی میسازند.
و اندازه این استوانه
و فاصله میان استوانهها، تکرار شوندگی،
مجددا توسط طول این زنجیرهها
و میزان خستگی درونی تعیین میشود.
پس به عبارت دیگر، ما از مهندسی مولکولی
برای ایجاد نانو ساختارهای خود نصبی استفاده میکنیم
که میتوانند خط یا استوانه به اندازه تکرار شوندگی که ما طراحی میکنیم باشند.
ما از شیمی، مهندسی شیمی، استفاده میکنیم
تا ویژگیهای نانویی تولید کنیم که برای ترانزیستورهایمان میخواهیم.
اما توانایی خود نصبی این ساختارها
تنها ما را تا نیمه راه میبرد،
چون هنوز باید این ساختارها را
در جایی که میخواهیم ترانزیستورها را در مدار مجتمع قرار دهیم بگذاریم.
به نسبت این کار را میشود بسادگی انجام داد
به کمک ساختارهای هادی که ساختارهای خود نصب را در جای خود قرار میدهند،
و در محل محکمشان میکنند
و مابقی ساختارهای خود نصب را وادار میکنند
تا به شکل موازی قرار گیرند،
مطابق با ساختار هادی ما.
برای مثال، اگر بخواهیم یک خط ۴۰ نانومتری ظریف بسازیم،
که تولیدش توسط روشهای معمول چاپ خیلی دشوار است،
میتوانیم یک ساختار هادی ۱۲۰ نانومتری را
با روشهای چاپ معمولی بسازیم،
و این ساختار سه خط ۴۰ نانومتری را در میانش همراستا میکند.
پس مواد سختترین الگوسازی را خودشان انجام میدهند.
و ما این راهکار کامل را «خود نصبی مستقیم» نامیدهایم.
چالش خود نصبی مستقیم
این است که تمام ساختار باید تقریبا بدون اشکال همراستا شود،
چون هر خطای کوچکی در ساختار میتواند باعث ایراد در یک ترانزیستور شود.
و چون میلیاردها ترانزیستور در مدار ما هستند،
به یک ساختار مولکولی بیعیب نیازمند هستیم.
و به سمت معیارهایی غیر عادی
برای دستیابی به این خواهیم رفت،
از میزان تمیزی در شیمی
تا پردازش دقیق این مواد
در کارخانه نیمههادی
تا حذف حتی کوچکترین ایراد در اندازههای نانو.
پس خود نصبی مستقیم یک فناوری متحول کننده جدید و هیجان انگیز است،
که هنوز در مرحله توسعه قرار دارد.
اما به تدریج مطمئن میشویم که میتوانیم، در واقع، عرضهاش کنیم
به صنعت نیمههادی
به عنوان یک فرایند تولیدی انقلابی جدید
تنها ظرف چند سال آینده.
و اگر بتوانیم این کار را انجام دهیم، اگر موفق شویم،
خواهیم توانست
کوچکتر کردن ترانزیستورها را به شکلی اقتصادی ادامه دهیم،
توسعه جذاب رایانهها
و انقلاب دیجیتال را ادامه دهیم.
و حتی بیشتر از آن، این میتواند ما را به دوران جدیدی
از تولیدات مولکولی وارد کند.
چقدر جالب میتواند باشد؟
متشکرم.
(تشویق حضار)