۱. ظهور ترانزیستورهای حرارتی

یک ترانزیستور حرارتی انقلابی که توسط یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس (UCLA) ساخته شده است، به پیشرفت‌های فناوری دست یافته است. این پتانسیل بی نظیری در طراحی سطح اتمی و مهندسی مولکولی برای مدیریت حرارتی تراشه های کامپیوتری دارد.

این نوع جدید ترانزیستور حرارتی تمام حالت جامد از اثرات میدان الکتریکی برای کنترل دقیق حرکت گرما در اجزای نیمه هادی استفاده می کند. این پتانسیل بی‌نظیر در طراحی سطح اتمی و مهندسی مولکولی برای مدیریت حرارتی تراشه‌های کامپیوتری دارد، در حالی که سازگاری عالی با فرآیندهای فعلی تولید نیمه‌رسانا را نشان می‌دهد.

این ترانزیستور به سرعت سوئیچینگ رکوردشکنی بیش از 1 تراهرتز دست یافته است و قابلیت تنظیم 1300% در هدایت حرارتی را ارائه می دهد که از محدودیت های قبلی در مدولاسیون هدایت حرارتی فراتر می رود.

برای تایید این فناوری، از رابط های مولکولی خودآرایی برای تنظیم دقیق مقاومت حرارتی از طریق میدان الکتریکی استفاده شد که کنترل حرکت گرما را نشان می دهد.

این نوآوری فناوری مقیاس پذیر نه تنها جهشی قابل توجه در تولید و عملکرد تراشه نشان می دهد، بلکه نویدبخش پیشرفت مدیریت حرارتی در سطح مولکولی است که به طور بالقوه به قلمرو سلول های زنده گسترش می یابد.

پشتیبانی فنی توسط مرکز تحقیقات نانوالکترونیک UCLA و CNSI با منابع اطلاعاتی بخش تحقیقات و آموزش دیجیتال کتابخانه UCLA و اکوسیستم هماهنگ‌کننده زیرساخت شبکه پیشرفته موسسه تحقیقات دیجیتال و آموزش ارائه می‌شود.

2. ارتقاء به دستگاه های لیتوگرافی EUV ASML

در سال 2023، ASML اولین اسکنر High-NA EUV خود، Twinscan EXE:5000 را به اینتل تحویل داد. توسعه مشترک این دستگاه در سال 2018 آغاز شد. اینتل قصد دارد در سال 5200 از Twinscan EXE:2025 درجه تجاری برای تولید با حجم بالا استفاده کند.

لنز 0.55 NA اسکنر High-NA EUV، وضوح 8 نانومتری را تضمین می‌کند که برای تولید تراشه‌های پیشرفته در ابعاد 3 نانومتر و بالاتر بسیار مهم است. اینتل به عنوان اولین شرکتی که از این تجهیزات پیشرفته استفاده می‌کند، در تعیین استانداردهای صنعتی از یک مزیت استراتژیک برخوردار است و به طور بالقوه در آینده از رقبای خود مانند سامسونگ و TSMC پیشی خواهد گرفت.

اسکنر High-NA دارای قابلیت‌های منحصربه‌فردی است و اندازه پرتو یک بار دیگر به نصف کاهش می‌یابد که نیاز به سرمایه‌گذاری زیرساختی قابل توجهی دارد. پذیرش زودهنگام اینتل از آخرین فناوری، یک گام مقدماتی مهم برای به کارگیری تکنیک های تولید پیشرفته تر است. ASML متعهد شده است که تا سال 20-2027 سالانه 2028 اسکنر High-NA EUV تولید کند و این فناوری را به عنوان سنگ بنای پیشرفت های آینده قرار دهد. اینتل قصد دارد خود را به عنوان رهبر صنعت تثبیت کند.

3. تراشه های طراحی شده با هوش مصنوعی

یک مقاله تحقیقاتی بحث‌برانگیز منتشر شده توسط گوگل ادعا می‌کند که پیشرفت‌های قابل توجهی در هوش مصنوعی برای طراحی تراشه ایجاد شده است که موج شوک را در صنعت ایجاد کرده است.

گوگل ادعا می‌کند که فناوری هوش مصنوعی آن، برنامه‌ریزی چیدمان واحدهای پردازش زیربنایی تراشه هوش مصنوعی خود را تسریع کرده است و این کار را در کمتر از شش ساعت به پایان رسانده است که بسیار فراتر از توانایی‌های متخصصان انسانی است.

تراشه TPU v5 جنجال برانگیخته است. گوگل ادعا می کند که هدف آن جایگزینی طراحان انسانی نیست، بلکه نشان دادن این است که هوش مصنوعی می تواند در فرآیند طراحی تراشه همکاری کند. (آمریکایی ها همچنین نگران هستند که هوش مصنوعی مشاغل آنها را بگیرد، و گوگل می گوید آنها فقط در حال آزمایش هستند و در واقع از آن استفاده نمی کنند. آیا آنها را باور می کنید؟)

علی‌رغم تردید محققان همتا در مورد اعتبار این مطالعه و چالش‌های باقی‌مانده، نقش مهمی در هدایت نوآوری‌های تکنولوژیکی دارد. هنگامی که فناوری به بلوغ رسید، چشم انداز صنعت طراحی تراشه برای یک تحول بزرگ تنظیم می شود.

4. فناوری منبع تغذیه معکوس برای تراشه ها

اینتل با احتیاط فناوری جدیدی به نام PowerVia را در کنار راه اندازی RibbonFET معرفی می کند. PowerVia با قرار دادن اتصالات برق در پایین سیلیکون، از انتقال انرژی پشتی استفاده می کند که منجر به افزایش 6 درصدی فرکانس، طراحی فشرده تر و کاهش 30 درصدی اتلاف انرژی می شود.

آزمایش ها نشان می دهد که هیچ افزایشی در هزینه و کاهشی در قابلیت اطمینان وجود ندارد. فرآیند تولید شامل مقیاس نانو از طریق حفاری (TSV)، چسباندن ویفرهای حامل، و ایجاد اتصالات قدرت در پایین تراشه است. علیرغم پیچیدگی بیشتر، اینتل با بهینه سازی لایه M0 بدون اتصالات برق به صرفه جویی در هزینه دست یافت.

PowerVia با موفقیت در فرآیند تولید اینتل ادغام شده است و راه را برای گره 20A با ترانزیستورهای RibbonFET در سال 2024 هموار می‌کند. این پیشرفت، اینتل را در موقعیتی قرار می‌دهد که به طور بالقوه از رقبایی مانند TSMC و سامسونگ در ترانزیستورهای نانوصفحه‌ای و انتقال توان از پشت پیشی بگیرد.

5. تراشه یکپارچه لیزری

مدارهای مجتمع فوتونیک (PIC) کاربرد گسترده ای در فرستنده و گیرنده نوری پرسرعت و کاربردهایی مانند LIDAR داشته اند. با این حال، ادغام لیزرها بر روی تراشه‌های فوتونیک سیلیکونی به دلیل راندمان انتشار محدود سیلیکون یک چالش مهم باقی مانده است. مرکز تحقیقات نانوالکترونیک بلژیک، Imec، این تلاش تحقیقاتی را رهبری می کند. در فرآیندی به نام پیوند فلیپ تراشه، قالب های لیزری دقیقاً با دقت زیر میکرون تراز شده، منتقل می شوند و به ویفرهای فوتونیک سیلیکونی متصل می شوند.

فرآیند فوتونیک سیلیکونی سطح ویفر بازدهی جفت شدن تا 80 درصد را به دست آورده است که برخی از نمونه‌های کاربردی به 60 درصد رضایت‌بخش می‌رسند. این نشان دهنده اثربخشی این رویکرد است.

روش های مختلفی برای انتقال قالب های لیزری وجود دارد. یک روش چاپ میکرو انتقالی است که از چسب یا پیوند مولکولی برای مونتاژ و کوپلینگ سریع استفاده می کند. این روش در سناریوهای با توان عملیاتی بالا که تعداد زیادی از مؤلفه های III-V باید یکپارچه شوند، بسیار ارزشمند است. پیوند ویفر تکنیک دیگری برای اتصال مواد III-V به ویفرهای سیلیکونی است که امکان پردازش موازی چندین دستگاه و ارائه کارایی بالاتر برای رابط های نوری را فراهم می کند.

فناوری Imec یکپارچه‌سازی یکپارچه است که به نام مهندسی نانو ریج (NRE) نیز شناخته می‌شود، که نشان‌دهنده یک رویکرد پیشرفته است. این روش از محصور کردن ترانشه برای محدود کردن عیوب استفاده می کند و هدف آن دستیابی به رشد بدون نقص مواد III-V بر روی سیلیکون است.

فناوری NRE Imec امکان تولید فتودیودهای مبتنی بر GaAs با کیفیت بالا را در خط تولید سیلیکون 300 میلی متری فراهم می کند.

پردازش تراشه فلیپ سادگی و انعطاف پذیری را ارائه می دهد، اما ماهیت متوالی آن کارایی تولید را محدود می کند. در مقابل، چاپ میکرو انتقال و پیوند ویفر، علی‌رغم نیاز به هزینه‌های بالاتر، توان عملیاتی بالاتر و پتانسیل هزینه کمتری را در کاربردهایی که نیاز به لیزرهای متعدد در هر IC فوتون دارند، نشان می‌دهند. ادغام یکپارچه، به ویژه NRE، با پرداختن به چالش اساسی رشد بدون نقص به طور مستقیم بر روی سیلیکون برای اجزای اساسی، جهت امیدوارکننده ای را ارائه می دهد. با انتشار و پیشرفت این فرآیند، آماده است تا نیازهای کاربردی مختلف در زمینه فوتونیک سیلیکون را بهتر برآورده کند.

6. همجوشی فوتون

محققان آزمایشگاه Congreve دانشگاه استنفورد در حال پیشروی در فناوری فوتوکرومیک هستند که بر روی تبدیل فرکانس بالا تمرکز می کنند که دو فوتون کم انرژی را به یک فوتون پر انرژی تبدیل می کند. این تیم با استفاده از روش نابودی سه‌گانه-سه‌گانه و استفاده از خواص حساس‌کننده سه‌گانه فلزات سنگین مانند پالادیوم، ایریدیم، یا پلاتین، همراه با مواد تحریک‌پذیر مانند روبرن، موفق به انتشار کارآمد فوتون‌های پرانرژی شده‌اند.

این فرآیند طول موج نور را به طول موجی تبدیل می کند که می تواند توسط سلول های خورشیدی سیلیکونی جذب شود و اساسا رنگ نور را تغییر می دهد (فناوری تغییر رنگ). این تکنیک برای افزایش بهره وری انرژی خورشیدی، به طور بالقوه افزایش 15-20٪ استفاده شده است.

علاوه بر این، آزمایش‌های تحقیقاتی قابلیت پرینت سه بعدی با فناوری تبدیل مجدد را نشان داده‌اند که امکان پخت دقیق رزین را در نقاط خاص با استفاده از لیزرهای کم‌مصرف فراهم می‌کند. این امر امکانات جدیدی را برای تولید افزودنی فراهم می کند. این لیزرهای کم مصرف می توانند به سرعت اشیا را در مقیاس نانو به صورت موازی چاپ کنند و بر محدودیت های فعلی دقت چاپ غلبه کنند.

این فناوری دگرگون‌کننده نه تنها به چالش‌های انرژی خورشیدی و پرینت سه بعدی می‌پردازد، بلکه برای کاربردهای مختلف از جمله تصویربرداری بافت عمیق، اپتوژنتیک، سیستم‌های دید در شب و راه‌حل‌های ضد جعل نیز نویدبخش است. محققان کاربرد فناوری تبدیل فرکانس نور مادون قرمز نزدیک برای تصویربرداری بافت عمیق، اپتوژنتیک و کاربردهای واکنش شیمیایی موضعی در بافت‌های زنده را بررسی کرده‌اند.

کار آزمایشگاه Congreve پتانسیل متنوع و متحول کننده فناوری تبدیل فرکانس را در صنایع مختلف نشان می دهد و تنها آغاز کاربردهای بالقوه آن است.

7. Chip-Scale Electron Accelerator

فیزیکدانان دانشگاه ارلانگن-نورنبرگ پیشرفت های قابل توجهی در شتاب دهنده های الکترونی به اندازه تراشه داشته اند. این تیم با استفاده از مواد دی الکتریک شتاب دهنده ای بر روی یک تراشه ساختند و کانالی به عرض 225 نانومتر و طول 0.5 میلی متر ایجاد کردند. آنها با استفاده از پالس‌های لیزر مادون قرمز دقیق زمان‌بندی شده و ۷۳۳ ستون سیلیکونی، هر کدام ۲ میکرومتر ارتفاع، توانستند انرژی الکترون را تا ۴۳ درصد افزایش دهند.

این نشان دهنده یک جهش به جلو در زمینه فیزیک شتاب دهنده است. شتاب‌دهنده‌های الکترونی نانو فوتونیک را می‌توان با استفاده از تکنیک‌های استاندارد اتاق تمیز، مانند لیتوگرافی پرتو الکترونی ساخت. هدف محققان توسعه شتاب‌دهنده‌های فشرده برای کشف کاربردها در منابع نور سنکروترون، لیزرهای الکترون آزاد، و جستجوی ماده تاریک سبک وزن است.

8. مواد جدید برای نیمه هادی های پرسرعت

دانشمندان چیزی را کشف کرده اند که ادعا می شود سریع ترین و کارآمدترین ماده نیمه هادی تا به امروز، Re6Se8Cl2 است. این ماده از رنیوم، سلنیوم و کلر تشکیل شده است و خوشه هایی را به وجود می آورد که به نام «سوپراتوم ها» شناخته می شوند. این ابر اتم‌ها ساختار منحصربه‌فردی ایجاد می‌کنند که در آن اکسایتون‌های محدود (جفت الکترون-حفره) به جای حالت‌های پراکنده، با فونون‌ها برهم‌کنش می‌کنند، و در نتیجه شبه ذرات جدیدی به نام اکسایتون-پلارون صوتی ایجاد می‌شود.

در اینجا برخی از ویژگی های کلیدی این نیمه هادی فوق العاده جدید آورده شده است:

★ Re6Se8Cl2 حرکت اکسایتون بالستیک پایدار در دمای اتاق را نشان می دهد، با سرعت حرکت اکسایتون-پلارون های صوتی دو برابر الکترون های موجود در سیلیکون.

برخلاف نیمه هادی های سنتی که در آن الکترون ها در فواصل کوتاه پراکنده می شوند، اکسایتون-پلارون ها در Re6Se8Cl2 چندین میکرومتر را در نانوثانیه طی می کنند و عملکرد سرعت استثنایی را نشان می دهند.

★ این نیمه هادی بر اساس کنترل نور به جای جریان الکتریکی عمل می کند و به سرعت پردازش در محدوده فمتوثانیه دست می یابد، که به طور قابل توجهی سریعتر از دستگاه های الکترونیکی با برد گیگاهرتز در حال حاضر موجود است.

★ Re6Se8Cl2 یک ماده واندروالس و بخشی از خانواده نیمه هادی های ابراتمی است. با این حال، رنیم عنصر کمیاب است، بنابراین محققان به دنبال مواد جایگزین با خواص مشابه هستند.

★ اکسایتون-پلارون های آکوستیک روش جدیدی برای دستیابی به انتقال انرژی دوربرد در مواد غیر متعارف ارائه می دهند که کاربرد آنها را فراتر از کاربردهای نیمه هادی سنتی گسترش می دهد.

★ استفاده از اکسایتون ها به جای الکترون ها می تواند به عنوان آشکارسازهای نوری کارآمد عمل کند یا کاربردهایی در محاسبات برای افزایش بهره وری انرژی و عملکرد پیدا کند. دستگاه های بالقوه شامل «ترانزیستورهای بالستیک» هستند.

محققان تاکید می کنند که در حالی که اکسایتون ها مانند الکترون ها اطلاعات و انرژی را حمل می کنند، ممکن است به طور مستقیم با سخت افزار صنعت نیمه هادی فعلی سازگار نباشند. این یافته ها راه های جدیدی را برای طراحی دستگاه های نیمه هادی پیشرفته با قابلیت های منحصر به فرد باز می کند.

مفاهیم جدید زیادی در اینجا وجود دارد، بنابراین اجازه دهید چند توضیح اضافه کنیم:

اکسیتون ها

اکسایتون شبه ذره ای است که در فیزیک حالت جامد برای توصیف سیستمی استفاده می شود که در آن یک الکترون و یک حفره (یک جای خالی با بار مثبت) از طریق نیروهای کولن درون یک ماده کریستالی برهم کنش می کنند.

فونون ها

فونون واحد کوانتیزه ارتعاشات شبکه است که نشان دهنده کوچکترین کوانتوم انرژی مرتبط با حالت عادی ارتعاش در شبکه کریستالی است، همانطور که در مکانیک کوانتومی توضیح داده شده است.

سوپراتم ها

ابر اتم ها واحدهای ساختاری پایداری هستند که از چندین اتم تشکیل شده اند که خواصی شبیه به اتم های منفرد از خود نشان می دهند. خواص فیزیکی و شیمیایی آنها با تعداد اتم های تشکیل دهنده، ساختار و ترکیب آنها متفاوت است.

شبه ذرات

شبه ذره یک حالت ذره مانند جدید است که به طور موقت تحت شرایط خاص به دلیل فعل و انفعالات تشکیل می شود و ویژگی های جمعی متمایز از ذرات بنیادی معمولی را نشان می دهد. برای مثال، در ابررساناها، برهمکنش بین الکترون‌ها و فونون‌ها می‌تواند جفت‌های کوپر را تشکیل دهد که بوزون‌های باردار هستند که مشابه الکترون‌های معمولی درون ابررسانا عمل می‌کنند. بنابراین، جفت کوپر را می توان شبه ذرات در نظر گرفت.

9. مسائل پایداری در نیمه هادی ها: نیترید گالیوم در مقابل کاربید سیلیکون

با توجه به مزایای نیمه هادی های نیترید گالیوم (GaN) و کاربید سیلیکون (SiC) نسبت به فن آوری سنتی سیلیکون، حوزه الکترونیک قدرت دستخوش دگرگونی قابل توجهی شده است. در حدود سال 2001، نیمه هادی های ترکیبی مبتنی بر GaN باعث ایجاد یک تغییر انقلابی در صنعت روشنایی شدند و به سرعت بیش از 50٪ از بازار جهانی روشنایی LED مبتنی بر GaN را به خود اختصاص دادند. این تغییر نه تنها مصرف برق روشنایی را بین 30 تا 40 درصد کاهش داد، بلکه زمینه را برای تغییرات انقلابی گسترده‌تری در الکترونیک قدرت فراهم کرد. GaN و SiC به طور قابل توجهی در جایگزینی سیلیکون در کاربردهای الکترونیک قدرت بحرانی با کارایی و عملکرد عالی خود کمک می کنند. این مواد اتلاف انرژی را کاهش می دهند و مزایای زیست محیطی قابل توجهی را به همراه دارند.

این پیشرفت‌های فناوری جدید، ضمن شکل‌دهی به صنعت نیمه‌رسانا، مسیر توسعه آن را برای سال‌های آینده نیز برجسته می‌کند. از آنجایی که مرزهای فناوری به طور مداوم در حال جابجایی است، تنها عامل ثابت نوآوری بی امان است.