وکاله آریا للأنباء - عقود من التطور قادت إلى تصغیر المکونات الإلکترونیه وزیاده کثافتها داخل الرقائق الحدیثه (الجزیره/مولده بالذکاء الاصطناعی)
فی قلب کل عملیه حسابیه تجریها الآله التی بین یدیک، هناک مکون إلکترونی لا یکاد یرى بالعین المجرده، لا یصدر صوتا ولا یتحرک میکانیکیا، ومع ذلک تعمل ملیارات النسخ منه معا لتشغیل هاتفک وحاسوبک ومراکز البیانات التی تقف خلف خدمات الذکاء الاصطناعی . ذلک المکون هو "الترانزستور" (Transistor).
عندما ظهر "الترانزستور" فی مختبرات بل عام 1947، لم تکن هناک هواتف ذکیه ولا مراکز بیانات ولا نماذج لغویه ضخمه مثل "شات جی بی تی"، کان التحدی آنذاک یتمثل فی إیجاد بدائل أکثر موثوقیه وأصغر حجما للمکونات التی کانت تعتمد علیها الأنظمه الإلکترونیه، وعلى رأسها أنابیب التفریغ والمفاتیح الکهرومیکانیکیه.
قصص مقترحه
list of 2 items لکن أهمیه "الترانزستور" لم تتوقف عند کونه بدیلا لهذه المکونات. فقد أتاح تطور تقنیات تصنیعه إنتاج أعداد متزایده منه ودمجها فی دوائر إلکترونیه على شرائح صغیره، وهو ما وضع الأساس للدوائر المتکامله ثم المعالجات الحدیثه.
ومع مرور العقود، تحولت إمکانیه التصغیر والدمج إلى سباق تقنی مستمر لتطویر ترانزستورات أصغر وأکثر کثافه، مع الحفاظ على سرعتها وموثوقیتها وکفاءتها فی استهلاک الطاقه.
وقاد هذا السباق إلى أجیال متتالیه من هندسه "الترانزستور"، من الترانزستورات المستویه إلى "فین فیت" (FinFET)، ثم إلى "غیت آل أراوند" (Gate-All-Around – GAA) وبنى "نانو شیت" (Nanosheet)، حیث أصبحت السیطره على القناه التی یمر فیها التیار أکثر دقه مع استمرار تقلیص الأبعاد.
الترانزستور مکّن من تصغیر المکونات الإلکترونیه ودمج أعداد هائله منها على شرائح صغیره (الجزیره/مولده بالذکاء الاصطناعی) والیوم، یدخل قطاع أشباه الموصلات مرحله جدیده مع تقنیات التصنیع من فئه 2 نانومتر (2nm) وما بعدها، فی وقت یدفع فیه الذکاء الاصطناعی الطلب على القدره الحاسوبیه إلى مستویات غیر مسبوقه، لکن التحدی لم یعد یتعلق بالتصغیر وحده، فکلما ازدادت کثافه الحوسبه، أصبحت الطاقه والحراره ونقل البیانات والتوصیلات داخل الشریحه جزءا أساسیا من المعادله.
کیف أصبح "الترانزستور" أساس الحوسبه؟
لفهم التحول الذی أحدثه "الترانزستور"، من المفید العوده إلى المکونات التی سبقته، والتی کانت تؤدی وظائف التحکم فی الإشارات الکهربائیه بطرق مختلفه.
کان المرحل، الذی استخدم منذ القرن التاسع عشر، یعمل کمفتاح یمکن لإشاره کهربائیه أن تتحکم من خلاله فی دائره أخرى، لکنه اعتمد على أجزاء میکانیکیه تتحرک داخل المکون، ما جعله کبیر الحجم وبطیئا نسبیا، فضلا عن صوت النقره المعروف عند تشغیله.
ومع توسع استخدام الإلکترونیات، ظهرت أنابیب التفریغ فی بدایات القرن العشرین، وقدمت إمکانیه تضخیم الإشارات وتنفیذ العملیات المنطقیه، وأسهمت فی بناء الحواسیب الإلکترونیه الأولى.
لکن أنابیب التفریغ کانت کبیره الحجم وهشه نسبیا، کما احتاجت إلى طاقه کبیره، بما فی ذلک الطاقه اللازمه لتسخین مکوناتها الداخلیه، وولدت کمیات ملحوظه من الحراره. ومع زیاده أعدادها وتعقید الأنظمه التی تستخدمها، أصبحت متطلبات الطاقه والصیانه والتبرید تحدیات متزایده.
وفی هذا السیاق جاء "الترانزستور". ففی عام 1947، تمکن باحثون فی مختبرات بل من تطویر مکون یعتمد على أشباه الموصلات بدلا من البنیه المیکانیکیه للمرحل أو البنیه الحراریه لأنبوب التفریغ. وکان "الترانزستور" قادرا على التحکم فی تدفق التیار وتضخیم الإشارات، لکنه امتلک میزه ستصبح لاحقا أکثر أهمیه من مجرد استبدال المکونات القدیمه، وهی إمکانیه تصنیعه بأعداد هائله ودمجه مع مکونات أخرى على شریحه واحده.
ومن هنا بدأ التحول الحقیقی فی مسار الحوسبه، فبدل أن یکون کل عنصر تحکم إلکترونی مکونا منفصلا وکبیرا نسبیا، أصبح بالإمکان تصنیع أعداد ضخمه من الترانزستورات ودمجها فی دوائر متکامله على قطعه صغیره من أشباه الموصلات.
بنیه الترانزستور تطورت من التصمیم المستوی إلى التراکیب ثلاثیه الأبعاد مثل "فین فیت" و"غیت آل أراوند" (الجزیره/مولده بالذکاء الاصطناعی) ومع استمرار هذا التطور، لم یعد "الترانزستور" مجرد بدیل للمرحل وأنبوب التفریغ، بل أصبح الوحده الأساسیه التی یمکن بناء دوائر الحوسبه المعقده منها.
سباق التصغیر یعید هندسه الترانزستور
کان تصغیر "الترانزستور" أحد المسارات الرئیسیه التی اتبعتها صناعه أشباه الموصلات لعقود لزیاده القدره الحاسوبیه داخل المساحه نفسها. فکلما أمکن تقلیص حجم المکونات، أصبح بالإمکان وضع عدد أکبر من الترانزستورات على الشریحه، ما سمح ببناء دوائر أکثر تعقیدا وکثافه.
لکن التصغیر لم یکن مجرد عملیه هندسیه لتقلیص الأبعاد، فمع وصول الترانزستورات إلى أحجام أصغر، بدأت تحدیات فیزیائیه بالظهور، وأصبح الحفاظ على التحکم فی القناه ومنع تسرب التیار، والحد من استهلاک الطاقه أکثر صعوبه. ولهذا لم یستمر التصغیر من دون تغییر فی تصمیم "الترانزستور".
انتقلت الصناعه من الترانزستور المستوی، الذی کانت البوابه تتحکم من خلاله فی القناه من جهه واحده، إلى بنى ثلاثیه الأبعاد مثل "فین فیت"، حیث تحیط البوابه بجزء أکبر من القناه، ما یحسن التحکم الکهربائی فیها.
ومع استمرار التصغیر، ظهر اتجاه جدید یتمثل فی ترانزستورات "غیت آل أراوند"، التی تحیط فیها البوابه بالقناه من جمیع الجهات، ویهدف هذا التصمیم إلى تعزیز التحکم فی القناه وتقلیل التسرب مع استمرار تقلص أبعاد الترانزستور.
وتعد بنیه "نانو شیت" أحد تطبیقات هذا الاتجاه، إذ تستخدم قنوات على شکل صفائح سیلیکون نانویه رقیقه ومتراکمه تشکل قنوات الترانزستور.
وهکذا، لم یعد تصغیر الترانزستور یعنی تقلیص أبعاده فقط، بل تطلب إعاده هندسه بنیته بهدف الحفاظ على التحکم فی التیار مع استمرار زیاده کثافه الترانزستورات على الشریحه.
أناس یشاهدون فیدیو تعریفیا عن السیلیکون والرقائق الدقیقه داخل متحف الابتکار التابع لشرکه تی إس إم سی (أسوشیتد برس) عندما یصبح التحکم على المستوى الذری جزءا من سباق الترانزستور
مع انتقال الترانزستورات إلى بنى أکثر تعقیدا، لم تعد التحدیات محصوره فی التصمیم الهندسی للمکون، بل امتدت إلى الطریقه التی تصنع بها هذه البنى.
ففی ترانزستورات "نانو شیت"، على سبیل المثال، تستخدم صفائح سیلیکون رقیقه جدا لتشکیل قنوات الترانزستور، ما یجعل جوده الأسطح وتجانسها عاملین مهمین فی الخصائص الکهربائیه للمکون.
وتشیر "أبلاید ماتریالز" (Applied Materials) إلى أن الخشونه أو التلوث على المستوى الذری یمکن أن یؤثر فی الخصائص الکهربائیه لهذه البنى. ولذلک لا یکفی أن تصبح البنیه أصغر، بل یجب أیضا التحکم فی شکلها وسطحها بدقه شدیده.
وتعرض الشرکه تقنیات لمعالجه صفائح السیلیکون النانویه وتنعیمها، إلى جانب تقنیات للتحکم فی حفر البنى ثلاثیه الأبعاد وتجانسها، فی إطار ما تصفه بتحدیات تصنیع الأجیال المتقدمه من الرقائق.
لکن دقه البنیه لیست العامل الوحید الذی یحدد المکاسب التی یمکن تحقیقها. فمع تزاید تعقید الترانزستورات، تصبح أیضا تفاصیل مثل نقاط الاتصال التی تربطها ببقیه الدائره ومقاومتها جزءا من معادله الأداء وکفاءه الطاقه.
وبذلک، أصبح سباق التصغیر یمتد إلى تفاصیل أصغر فأصغر من الترانزستور نفسه، وصولا إلى أسطح صفائح السیلیکون، وطریقه حفرها، وجوده بنیتها، وحتى العناصر التی تنقل التیار منها وإلیها.
وهذا یکشف تحولا مهما فی مسار صناعه أشباه الموصلات، إذ لم تعد زیاده کثافه الترانزستورات على الشریحه تعتمد على تقلیص أبعادها فقط، بل أصبحت مرتبطه بقدره المصانع على التحکم فی کل مرحله من مراحل تشکیلها.
شرکه تی إس إم سی تستهدف خفض استهلاک الطاقه وتحسین کثافه الترانزستورات إلى جانب تصغیر قیاسها (أسوشیتد برس) لماذا أصبحت "2 نانومتر" مهمه فی عصر الذکاء الاصطناعی؟
لکن لماذا أصبحت عقده "2 نانومتر" محطه مهمه فی هذا السباق؟ لا یتعلق الأمر بجعل الترانزستور أصغر إلى قیاس یبلغ نانومترین، بل بتطویر جیل جدید من تقنیات تصنیع الرقائق یهدف إلى تحقیق مکاسب فی کثافه الترانزستورات والأداء وکفاءه استهلاک الطاقه.
فأسماء العقد التصنیعیه الجدیده، مثل "2 نانومتر"، أصبحت فی الأساس تسمیات لأجیال من تقنیات التصنیع، ولیست قیاسا مباشرا واحدا لبعد محدد فی الترانزستور.
وتربط شرکات تصنیع الرقائق، مثل "تی إس إم سی" (TSMC) التایوانیه، بین أجیال تقنیات "2 نانومتر" واحتیاجات تطبیقات الذکاء الاصطناعی والحوسبه عالیه الأداء، حیث تدفع الحاجه إلى إجراء عدد أکبر من العملیات الحسابیه ضمن مساحه وطاقه محددتین إلى البحث عن مکاسب متزامنه فی الکثافه والأداء وکفاءه الطاقه.
ولا یمثل الوصول إلى "2 نانومتر" نقطه نهایه لهذا المسار. فقد أعلنت "تی إس إم سی" عن أجیال لاحقه من منصتها تهدف إلى تحسین الأداء أو خفض استهلاک الطاقه وزیاده کثافه الترانزستورات.
فعلى سبیل المثال، تقول الشرکه إن تطویرها المعروف باسم "إن تو یو" (N2U) یستهدف زیاده فی السرعه تتراوح بین 3% و4% أو خفضا فی استهلاک الطاقه یتراوح بین 8% و10% مقارنه بالجیل السابق، وفق شروط المقارنه التی حددتها الشرکه.
وهنا یتغیر معنى سباق التصغیر. فالفائده من وضع عدد أکبر من الترانزستورات على الشریحه لا تتحقق تلقائیا، إذ یجب أن تعمل هذه الترانزستورات بسرعه وکفاءه، وأن تصل إلیها الطاقه وأن تنتقل الإشارات والبیانات بینها وبین بقیه مکونات الشریحه من دون أن تتحول هذه العملیات إلى مصدر کبیر للفقد.
ومع تزاید متطلبات الذکاء الاصطناعی، تصبح هذه المعادله أکثر أهمیه، لأن الرقائق التی تشغل النماذج الحدیثه تتطلب کمیات هائله من العملیات الحسابیه ونقل البیانات بین وحدات المعالجه والذاکره.
تقنیات تصنیع الرقائق من فئه 2 نانومتر تستهدف زیاده کثافه الترانزستورات وتحسین الأداء وکفاءه الطاقه (الجزیره/ مولده بالذکاء الاصطناعی) تحدی الطاقه
لا تعنی زیاده عدد الترانزستورات على الشریحه بالضروره الحصول على حوسبه أفضل إذا جاءت هذه الزیاده على حساب استهلاک الطاقه. ومع وجود أعداد هائله من الترانزستورات فی الرقائق الحدیثه، یصبح تقلیل الطاقه اللازمه لتنفیذ العملیات جزءا أساسیا من تطویر الشریحه، ولیس مجرد میزه إضافیه.
ولهذا أصبحت کفاءه الطاقه أحد الأهداف الرئیسیه فی الأجیال الجدیده من تقنیات التصنیع. وتشیر شرکه "أبلاید ماتریالز" إلى أن الانتقال إلى ترانزستورات "غیت آل أراوند" فی الأجیال المتقدمه من الرقائق یرتبط بمحاوله تحقیق حوسبه أکثر کفاءه فی استهلاک الطاقه، فی وقت تدفع فیه تطبیقات الذکاء الاصطناعی الحاجه إلى مزید من القدره الحاسوبیه.
وتوضح خارطه الطریق التی أعلنتها "تی إس إم سی" هذا الاتجاه أیضا. فالشرکه لا ترکز فی تطویر منصه "2 نانومتر" على زیاده السرعه فقط، بل تستهدف کذلک خفض استهلاک الطاقه وتحسین کثافه الترانزستورات.
لکن الطاقه لا ترتبط بالترانزستور وحده. فداخل الشریحه نفسها، تحتاج الإشارات إلى الانتقال عبر شبکه من التوصیلات، کما تحتاج الترانزستورات إلى نقاط اتصال تربطها ببقیه الدائره. ومع استمرار التصغیر، یمکن لهذه العناصر أیضا أن تصبح مصدرا للمقاومه والفقد.
لذلک أصبح تحسین کفاءه الرقاقه مسأله تشمل الترانزستورات، ونقاط الاتصال، والتوصیلات المعدنیه، والذاکره، وطریقه توزیع الطاقه ونقل البیانات داخل النظام.
الحراره والتبرید.. الوجه الآخر لاستهلاک الطاقه
لا تنتهی مشکله الطاقه عند مقدار الکهرباء التی تحتاج إلیها الرقاقه. فجزء کبیر من الطاقه التی تستهلکها الحوسبه یتحول فی النهایه إلى حراره، وکلما ارتفعت کثافه القدره الحاسوبیه فی مساحه محدوده، أصبح التخلص من هذه الحراره أکثر تحدیا.
وتظهر أهمیه ذلک فی أنظمه الذکاء الاصطناعی الحدیثه. ففی دراسه نشرت عام 2026 فی دوریه "معاملات آی إی إی إی فی الحوسبه السحابیه" (IEEE Transactions on Cloud Computing)، قارن الباحثون بین نظامین یحتوی کل منهما على 8 وحدات معالجه رسومیه من "إنفیدیا إتش 100" (NVIDIA H100) أحدهما یستخدم التبرید السائل والآخر التبرید الهوائی.
وتحت الحمل، حافظت الأنظمه المبرده بالسائل على درجات حراره لوحدات المعالجه الرسومیه (GPU) تراوحت بین 41 و50 درجه مئویه، مقابل 54 و72 درجه مئویه فی الأنظمه المبرده بالهواء.
التبرید السائل یساعد على خفض حراره وحدات معالجه الرسومیات فی مراکز بیانات الذکاء الاصطناعی (الجزیره/ مولده بالذکاء الاصطناعی) ولم تقتصر الفروق على درجات الحراره. ففی الاختبارات التی أجرتها الدراسه، حققت وحدات "إتش 100" المبرده بالسائل أداء بلغ نحو 54 تیرافلوب لکل وحده معالجه رسومیه، مقابل نحو 46 تیرافلوب فی نظام التبرید الهوائی، أی زیاده فی الأداء بلغت نحو 17%، إلى جانب تحسن فی الأداء مقابل استهلاک الطاقه وکفاءه النظام.
ولا تعنی هذه النتائج أن التبرید السائل سیکون دائما أکثر کفاءه فی کل بنیه حوسبه، فهی نتیجه لتجربه محدده على أنظمه "إتش 100" وأحمال وظروف اختبار معینه. لکنها توضح کیف أصبح التبرید جزءا من معادله أداء البنیه التحتیه التی تشغل أحمال الذکاء الاصطناعی، ولیس مجرد وسیله للحفاظ على درجه حراره المکونات ضمن الحدود الآمنه.
ما بعد "2 نانومتر".. السباق لم ینته
لم یتوقف تاریخ الترانزستور عند جعله أصغر، فکل مرحله من مراحل تصغیره فرضت إعاده التفکیر فی بنیته وطریقه تصنیعه، والطاقه التی یحتاج إلیها، والحراره التی تنتجها الحوسبه.
ومع اقتراب بعض تقنیات السیلیکون التقلیدیه من حدود جدیده، یبحث الباحثون والمهندسون عن طرق جدیده لمواصله زیاده کثافه الحوسبه وتحسین کفاءتها، وتشمل هذه الاتجاهات ترانزستورات تبنى فی طبقات فوق بعضها، ومواد ثنائیه الأبعاد یمکن أن تعمل فی قنوات بالغه الرقه، إلى جانب تقنیات جدیده لتوزیع الطاقه والإشارات داخل الرقائق.
وتشیر الأبحاث فی مجال أشباه الموصلات إلى أن هذه التقنیات قد تمثل مسارات مستقبلیه لمواصله تصغیر الترانزستورات وتحسین کفاءه الطاقه وإداره الحراره.
لکن جوهر القصه لم یتغیر منذ اختراع الترانزستور، وهو الحصول على قدره حاسوبیه أکبر من مکونات أصغر، وبطاقه أقل، مع الحفاظ على القدره على تشغیلها بکفاءه.
وبعد نحو 8 عقود من ظهور ذلک المکون الصغیر فی مختبرات بل، أصبح مستقبل الذکاء الاصطناعی مرتبطا إلى حد کبیر بمدى قدره صناعه أشباه الموصلات على دفع هذا المفتاح إلى حدود جدیده، من "2 نانومتر" وما بعدها.
المصدر: الجزیره + وکالات