مقدمة رئيس التحرير

في عام 2020، عشنا جميعًا جائحة كوفيد-19 العالمية، التي أودت بحياة ما يقارب مليوني شخص. وأصبح احترام الحياة واحترام العلم والتوحد لمكافحة الوباء من المسلّمات الدولية. لا تزال أحداث مثل إغلاق ووهان، والفيضانات العارمة في نهر اليانغتسي، وحرائق الغابات في أستراليا، وغزو الجراد في أفريقيا، واندلاع الحروب الضارية في منطقة ناغورنو كاراباخ، حاضرة في أذهاننا. يمكن القول إن عام 2020 كان عامًا مليئًا بالكوارث، ولكن هذا ليس كل شيء. ففي عام 2020، شهدنا أيضًا توقيع اتفاقية الشراكة الاقتصادية الإقليمية الشاملة (RCEP) بين 15 دولة من منطقة آسيا والمحيط الهادئ، مما عزز ثقة الاقتصاد العالمي، ونجاح شركة سبيس إكس في أول رحلة فضائية مأهولة تجارية، ونجاح مهمة تشانغ إي-5 نجاحًا باهرًا. وفي الوقت الذي تأثر فيه الاقتصاد العالمي بشدة، أصبحت الصين الاقتصاد الرئيسي الوحيد الذي حقق نموًا إيجابيًا. باعتبارها محركًا للتعافي الاقتصادي، تجرأت صناعة أشباه الموصلات على تحمل مسؤولياتها في عام 2020 وحققت نتائج باهرة: ففي عام الجيل الخامس، تم إطلاق شريحة 5G بتقنية 5 نانومتر بقوة، وأطلقت آبل معالج A14 Bionic باستخدام تقنية TSMC بتقنية 5 نانومتر، والذي يضم 11.8 مليار ترانزستور. ومنذ ذلك الحين، أطلقت هواوي وسامسونج أيضًا سلسلة معالجات Kirin 9000 ومعالجات Exyons 1080. ويشهد مجال استكشاف وتطبيق برامج تصميم الدوائر الإلكترونية (EDA) على الحوسبة السحابية تعاونًا وترويجًا بين موردي برامج EDA وشركات تصميم الدوائر المتكاملة ومصانع تصنيعها، مما يتيح التكيف مع احتياجات استخدام أدوات EDA، وتوفير جدولة ذكية تلقائية واسعة النطاق لقوة الحوسبة، وموارد سحابية ضخمة لتوفير دعم مرن لقوة الحوسبة، مما يُحسّن بشكل مباشر دورة البحث والتطوير ومعدل إنتاجية الرقائق، ويقلل تكاليف تصميم الرقائق. كما شهدت تقنية التغليف ثلاثي الأبعاد المتقدمة تحسنًا مطردًا، متجاوزةً بذلك عقبة قانون مور. تتمتع هذه التقنية بمزايا واضحة من حيث التكامل والأداء واستهلاك الطاقة، وغيرها. وقد أعلنت سامسونج هذا العام عن جاهزية تقنية التغليف الجديدة X-Cube3D للاستخدام. وبطبيعة الحال، وباعتبارها نجمًا صاعدًا في مجال أشباه الموصلات، فقد حظيت أشباه الموصلات من الجيل الثالث وغيرها من أشباه الموصلات المركبة باهتمام كبير، ولها العديد من المزايا. تفضلوا بالاطلاع على الصور الرائعة لشركة Cissoid البلجيكية لأشباه الموصلات أدناه!

    مقابلة حصرية مع الدكتور لو نينغشنغ، المدير العام لشركة سيسويد تشاينا، ضمن برنامج "أشباه الموصلات المركبة".          

يشغل الدكتور لو نينغشنغ حاليًا منصب المدير العام لشركة سيسويد البلجيكية في الصين. وقد عمل سابقًا في مجال سوق أشباه الموصلات وإدارة الأعمال لدى عدد من شركات أشباه الموصلات الأوروبية والأمريكية، حيث كان مسؤولًا بشكل رئيسي عن أسواق وأعمال الصين ومنطقة آسيا والمحيط الهادئ. ومن بين هذه الشركات: سينابتكس (المدرجة في بورصة ناسداك تحت الرمز: SYNA) في الولايات المتحدة، وسيليكون داتا في الولايات المتحدة، وبيكوشيب في المملكة المتحدة، وإينوفيتيف مايكرو تكنولوجي في الولايات المتحدة. حصل الدكتور لو على درجة الدكتوراه من معهد شنغهاي للفيزياء التقنية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، ثم أمضى سنوات عديدة كباحث زائر في أوروبا والولايات المتحدة، حيث انخرط في أبحاث فيزياء المواد، بما في ذلك أبحاث فيزياء الأسطح الصلبة في معهد ماكس بلانك لديناميكا الموائع في غوتنغن، ألمانيا، وأبحاث المواد النانوية لأشباه الموصلات في قسم الفيزياء بجامعة لويفيل في الولايات المتحدة.

س: مع اقتراب عام 2021، كيف تنظرون إلى تطورات وتغيرات صناعة أشباه الموصلات المركبة، وما هي استنتاجاتكم ورؤيتكم لعام 2020؟ ج: بعد شركة تسلا، وفي عام 2020، عندما تصدّرت شركة BYD المشهد بإطلاقها الرسمي للسيارات الكهربائية التي تعمل بتقنية MOSFETs المصنوعة من كربيد السيليكون في الصين، باتت كبرى شركات تصنيع السيارات الكهربائية تولي اهتمامًا متزايدًا لتطبيقات كربيد السيليكون في هذه السيارات. فيما يخص أنظمة الشحن داخل السيارة، ومحولات التيار المستمر، ومحطات الشحن، يمكن استخدام MOSFETs المصنوعة من كربيد السيليكون ذات الجودة المنخفضة نسبيًا، مما يُحسّن الكفاءة ويُقلّل الحجم والوزن مع الحفاظ على انخفاض التكاليف. أما بالنسبة لتطبيقات محركات القيادة، ولتحقيق أعلى كفاءة ممكنة وأقل فقد للحرارة، يُفضّل استخدام MOSFETs المصنوعة من كربيد السيليكون ذات الجودة العالية (أي ذات المقاومة الداخلية المنخفضة نسبيًا). فيما يخص محركات السيارات الكهربائية، أكدت الصناعة عمومًا أن استبدال ترانزستورات IGBT التقليدية بترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) يُمكن أن يزيد من كفاءة الطاقة الإجمالية للسيارة بنسبة 5-10%، ما يعني زيادة مدى السير بنسبة 5-10% في ظل نفس ظروف حزمة البطارية، وهو أمرٌ جذاب للغاية. سيشهد عام 2021 طفرةً هائلة في استخدام كربيد السيليكون في مجال السيارات الكهربائية، إذ يُعد النقص الكبير الذي شهده هذا العام مؤشرًا على ذلك. إضافةً إلى ذلك، شهدت تقنية نتريد الغاليوم (GaN) تطورًا ملحوظًا مؤخرًا، ويتمثل دورها الرئيسي في الشواحن السريعة للأجهزة المحمولة. ونظرًا لاستخدامها في تطبيقات الإلكترونيات الاستهلاكية، سيكون الطلب عليها كبيرًا جدًا، ما سيؤدي قريبًا إلى تجاوز شحنات أجهزة نتريد الغاليوم شحنات أجهزة كربيد السيليكون بأضعاف مضاعفة.

س: مع التطور السريع لتقنية الجيل الخامس، ومركبات الطاقة الجديدة، والبيانات الضخمة، والذكاء الاصطناعي، وإنترنت الأشياء، وغيرها من المجالات التقنية، ستتاح فرص عديدة لأشباه الموصلات المركبة. ما هي التحديات والفرص التي تواجهها هذه التقنية برأيك؟ تُعد أشباه الموصلات المركبة (كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم) أجهزة أشباه موصلات جديدة تسعى لاستبدال أجهزة السيليكون التقليدية، ويتمثل التحدي الأكبر في التحكم بالتكاليف، والذي يشمل التحكم في إنتاجية الإنتاج وحجمه. فقط من خلال التحسين المستمر لمعدل الإنتاجية وتوسيع نطاق الإنتاج يمكن خفض التكلفة تدريجيًا، وبالتالي تحقيق انتشار واسع في السوق. التحديات هي أيضًا فرص، وهذا ما يُمكّن مختلف مصنعي أشباه الموصلات المركبة من الفوز واكتساب حصة سوقية أكبر.

س: يُعدّ كربيد السيليكون (SiC) مادةً ذات آفاق تطويرية واعدة، لا سيما في تطبيقات إلكترونيات الطاقة وأجهزة الترددات الراديوية الميكروية. ويحظى حاليًا باهتمام كبير. كيف تنظر شركتكم إلى تطور سوق كربيد السيليكون؟ وكيف يمكن تعزيز تطوير وتحسين مواد كربيد السيليكون؟ ج:

مع نضوج وانتشار أشباه الموصلات من الجيل الثالث، مثل أجهزة أشباه موصلات الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC)، ستحل محل أجهزة السيليكون في التطبيقات في المراحل المبكرة. إلا أنه في المراحل اللاحقة، ستستفيد هذه الأجهزة بشكل فعّال من مزايا أدائها لابتكار العديد من التطبيقات الجديدة، أي أنها ستدخل في تطبيقات كانت سابقًا حكرًا على أجهزة السيليكون. فعلى سبيل المثال، تتوافق مقاومة كربيد السيليكون العالية للحرارة بشكل ممتاز مع أجهزة أشباه الموصلات عالية الحرارة من نوع Cissoid، مما سيغير بشكل جذري نمط تصميم أنظمة الطاقة، ويوفر لمهندسي التصميم مجالًا واسعًا للتوسع. تشمل هذه التطبيقات المستقبلية النموذجية، التي تتطلب درجات حرارة عالية وكثافة طاقة عالية، أنظمة نقل الحركة المتكاملة في المركبات الكهربائية، والطائرات متعددة المحركات الكهربائية والطائرات الكهربائية بالكامل، وحتى الطائرات الكهربائية بالكامل، ومحطات شحن وتخزين الطاقة المتنقلة، وبطاريات الطاقة، بالإضافة إلى تطبيقات الطاقة المختلفة التي يكون فيها التبريد السائل محدودًا للغاية. 

اتجهت أنظمة نقل الحركة في المركبات الكهربائية (المحرك، ووحدة التحكم الإلكترونية، وعلبة التروس) نحو التكامل الثلاثي، إلا أنها حاليًا مُجمّعة هيكليًا فقط، ما يُعدّ تكاملًا ضعيفًا. من الناحية الهيكلية، يُعدّ التكامل العميق لأنظمة نقل الحركة في المستقبل مسارًا حتميًا، إذ يُمكن أن يُقلّل الحجم والوزن والاستهلاك الداخلي بنحو الثلث، ويُخفّض التكلفة الإجمالية من مرتين إلى أربع مرات. مع ذلك، سيتم دمج وحدة التحكم الإلكترونية بشكل وثيق مع المحرك، وسيؤدي التكامل العميق إلى زيادة كثافة الطاقة بشكل كبير. وتُشكّل درجة الحرارة المرتفعة التحدي الأكبر الذي لا مفرّ منه.

في الطائرات التقليدية، تعتمد العمليات الميكانيكية التي تتحكم في دفة الذيل والأجنحة وعجلات الهبوط وغيرها على نظام نقل هيدروليكي تقليدي. ونظرًا لكون الزيت الهيدروليكي سائلًا، فإنه يتأثر بشدة بالبيئة، كما أن تكاليف صيانته مرتفعة. حاليًا، يتجه التوجه نحو الكهرباء الجزئية أو الكاملة، وهو ما يُعرف بمفهوم الطائرات متعددة المحركات الكهربائية والطائرات الكهربائية بالكامل. إن استخدام المحركات الكهربائية بدلًا من دوائر الزيت الهيدروليكي في الطائرات لتحقيق التشغيل الميكانيكي يتميز بموثوقية عالية، وسهولة صيانة كبيرة، ويسهل تصميم أنظمة احتياطية متعددة. مع ذلك، تكمن المعضلة الأكبر في عدم إمكانية تزويد المحركات وأنظمة التحكم الإلكترونية في الطائرات بنظام تبريد مائي، واقتصارها على التبريد القسري بالهواء والتبريد الطبيعي. لذا، لتحقيق تصميم التحكم الإلكتروني للطائرات متعددة المحركات الكهربائية أو الطائرات الكهربائية بالكامل، أو حتى الطائرات الكهربائية بالكامل، فإن المشكلة التقنية الرئيسية التي يجب حلها أولًا هي مشكلة ارتفاع درجة الحرارة. 

إضافةً إلى ذلك، توجد العديد من سيناريوهات التطبيق، لا سيما مع الانتشار الواسع للسيارات الكهربائية، حيث ستسد محطات شحن تخزين الطاقة شبه المتنقلة وبطاريات الطاقة المتنقلة بالكامل فجوات الشحن الثابت في بعض الحالات. مع ذلك، بالنسبة لهذا النوع من تطبيقات الشحن المتنقل، فإن آلية التبريد المائي لا تُضيف عبئًا من حيث الوزن والحجم فحسب، بل الأهم من ذلك أنها تستهلك الطاقة الكهربائية المخزنة. لذا، يُعد التبريد الطبيعي الخيار الأمثل للتحكم الإلكتروني، ولكن يجب معالجة مشكلة الإدارة الحرارية لنظام التحكم الإلكتروني بشكل سليم.

إضافةً إلى التطبيقات الثلاثة النموذجية المذكورة أعلاه التي تتطلب درجات حرارة عالية، فإن أنظمة التحكم الإلكترونية في العديد من التطبيقات الصناعية الخاصة التي تعاني من محدودية التبريد السائل، ستواجه تحديات مماثلة تتعلق بدرجات الحرارة العالية. وتُعدّ تقنية التحكم الكهربائي في درجات الحرارة العالية مفتاحًا لتحقيق هذه التطبيقات. وتتمثل تقنية التنفيذ الأساسية في تقنية التغليف الحراري لأجهزة طاقة كربيد السيليكون، وتقنية دوائر القيادة الحرارية المتوافقة معها.

تتميز مواد كربيد السيليكون (SiC) وهياكل أجهزتها بمقاومة عالية للحرارة، حيث يمكنها تحمل درجات حرارة تتراوح بين 400 و600 درجة مئوية في ظروف الفراغ. في التطبيقات العملية، ولتجنب الأكسدة الناتجة عن التعرض للهواء، يجب تغليف أجهزة كربيد السيليكون، وإذا ما أرادت تحمل درجات الحرارة العالية، فيجب استخدام عبوات مقاومة للحرارة العالية. تُعد درجة حرارة الوصلة البالغة 150 درجة مئوية حاليًا أعلى معيار في الصناعة، بينما بدأ الكشف مؤخرًا عن مستوى 175 درجة مئوية. تتوفر عبوات شبه قياسية يمكن استخدامها. أما العبوات التي تتحمل درجات حرارة 200 درجة مئوية أو أعلى، فتخضع لمتطلبات صارمة للغاية فيما يتعلق بمواد وعمليات التغليف، ويجب تخصيصها وفقًا لخصائص الشريحة لضمان التوصيل الحراري وتبديد الحرارة بكفاءة.

لا ينفصل استخدام أجهزة ووحدات طاقة كربيد السيليكون عن دوائر التشغيل ورقائقها. مع ذلك، فإن معظم رقائق دوائر التشغيل هي أجهزة سيليكون عادية لا تتحمل درجات الحرارة العالية. حتى أن قدرتها على العمل عند درجات حرارة تصل إلى 175 درجة مئوية لمدة 1,000 ساعة يُعدّ أمرًا نادرًا. إضافةً إلى ذلك، فإن مقاومة درجات الحرارة العالية ليست سوى جانب واحد من المشكلة، فالأخطر هو ثبات أداء الجهاز عند درجات الحرارة العالية. يتراجع أداء أجهزة السيليكون العادية بسرعة كبيرة عند تجاوز 70 درجة مئوية، ما يجعلها غير صالحة للاستخدام في درجات الحرارة العالية. بعد أكثر من 20 عامًا من البحث والتطوير المبتكر واختبار التطبيقات، وصلت أجهزة السيليكون الخاصة بتقنية SOI من Cissoid إلى مقاومة عالية لدرجات الحرارة تصل إلى 175 درجة مئوية، ويمكنها العمل بشكل متواصل لمدة 15 عامًا. يتميز الأداء بثبات ممتاز عبر نطاق درجات الحرارة بأكمله، وهو ركيزة أساسية تدعم تطبيقات كربيد السيليكون في درجات الحرارة العالية.

س: يرجى مشاركة آرائكم حول كيفية استفادة صناعة أشباه الموصلات المركبة في الصين من التجارب الدولية وتسريع وتيرة التنمية الصناعية. ج: على الرغم من أن الصين بدأت متأخرة في مجال أشباه الموصلات المركبة وتتخلف عن الدول الأجنبية، إلا أن هذا المجال مناسب جدًا لتحقيق تنمية سريعة في الصين. وهناك ثلاثة أسباب رئيسية لذلك. أولًا، تتم عمليات تصنيع أشباه الموصلات المركبة بشكل أساسي على مستوى الميكرون. فمن المواد الخام إلى المعدات، تتوفر سلسلة توريد محلية متكاملة، ولن تكون هناك قيود كبيرة بسبب الحاجة إلى استيراد معدات تصنيع دقيقة على المستوى النانوي (وخاصة آلات الطباعة الضوئية). ثانيًا، يتميز هيكل أجهزة أشباه الموصلات المركبة بالبساطة النسبية، ولا يتطلب دعمًا معقدًا للغاية من برامج التصميم الإلكتروني المتقدمة. كما أنه يزيل القيود الكبيرة الناجمة عن الحاجة إلى الاستيراد. ثالثًا، تمتلك الصين سوقًا تطبيقية واسعة وضخمة. لذلك، يمكن الاستنتاج أن أشباه الموصلات المركبة ستكون إحدى أهم الاختراقات لتحسين صناعة أشباه الموصلات في الصين بشكل عام. في السنوات الأخيرة، أولت الصين اهتمامًا كبيرًا لصناعة تصنيع أشباه الموصلات واستثمرت فيها بكثافة. تم إنشاء وتوسيع وبناء عشرات مصانع رقائق السيليكون. ومؤخراً، دعا بعض العاملين في هذا القطاع إلى اعتبار معالجة أنظمة الإلكترونيات الدقيقة تخصصاً مستقلاً. وهذه خطوة إيجابية. مع ذلك، عند النظر إلى مصانع رقائق السيليكون المحلية، نجد أنها جميعاً تمتلك مصانع ومعدات حديثة، واستثمارات ضخمة. لكن ما ينقصها بشدة هو الكفاءات في مجال تطوير العمليات، ونظام لتنمية المهارات في مجال الصيانة. تعتمد عمليات التصنيع الميكانيكية التقليدية، كالمخارط وآلات التفريز واللحام، على نظام حرفي متعدد المستويات، يرتبط بالمزايا والدعم لتعزيز وتطوير المهنة. لذا، ينبغي أن يمتلك قطاع معالجة أنظمة الإلكترونيات الدقيقة، ذو الأهمية البالغة، نظاماً أكثر شمولاً لتدريب الكفاءات.