الحوسبة
الجرمانيوم المُصَغَّر: طفرة في مجال الرقائق الكمومية
تلتزم Securities.io بمعايير تحريرية صارمة، وقد تتلقى تعويضات عن الروابط المُراجعة. لسنا مستشارين استثماريين مُسجلين، وهذه ليست نصيحة استثمارية. يُرجى الاطلاع على كشف التابعة لها.
من السيليكون إلى الجرمانيوم
تتزايد حدود إمكانيات أشباه الموصلات القائمة على السيليكون. ولا يقتصر الأمر على أن الترانزستورات في أحدث الرقائق مصنوعة من بضع ذرات فحسب، بل إن الخصائص الفيزيائية لذرات السيليكون أصبحت تُشكل قيدًا لا يمكن تجاوزه لتحقيق المزيد من التحسينات.
وهذا ينطبق بشكل خاص على أشكال الحوسبة الأكثر تقدمًا، مثل الإلكترونيات الدورانية والحوسبة الكمومية.
ونتيجة لذلك، يتجه الباحثون وشركات أشباه الموصلات إلى معادن وعناصر أخرى للعثور على تصاميم محتملة جديدة.
أحدها، على وجه الخصوص، الجرمانيوم، يحظى بشعبية متجددة. استُخدم لأول مرة في خمسينيات القرن الماضي في أوائل الترانزستورات، ثم استُبدل بالسيليكون في البداية بفضل عوامل مثل تكاليف الإنتاج وسهولة التصنيع.
اليوم، يتم إنتاج الجرمانيوم، الذي يعد عنصراً أساسياً في صناعة الإلكترونيات والبصريات تحت الحمراء ـ بما في ذلك أجهزة الاستشعار على الصواريخ والأقمار الصناعية الدفاعية ـ في الغالب من مناجم الزنك والموليبدينوم.
ويمكن استخدامه أيضًا لتطبيقات أخرى؛ على سبيل المثال، بلورات الحديد والجرمانيوم المغناطيسية يمكن استخدام تشكيل هياكل فريدة لإنشاء الموصلات الفائقة. يمكن للأفلام المصنوعة من الجرمانيوم وحده أن تكون موصلة فائقة أيضًا.
ولكن الجرمانيوم يتمتع أيضًا بخصائص فيزيائية فريدة تجعله بديلاً محتملاً لأشباه الموصلات السيليكونية في حالات محددة.
وجد باحثون في جامعة وارويك والمجلس الوطني للبحوث في كندا أن الجرمانيوم يمكن أن يكون أفضل من السيليكون بأكثر من 15,000 مرة في بعض الجوانب. ونشروا نتائجهم في مجلة "Materials Today" تحت عنوان "تتجاوز حركة الثقوب في الجرمانيوم المجهد بالضغط على السيليكون 7 × 106 سم2 فولت-1 ثانية-1".
ملخص
- حقق الباحثون رقماً قياسياً في قدرة حركة الثقوب في الجرمانيوم المتوتر على السيليكون.
- تعتبر هذه المادة أسرع من السيليكون الصناعي بما يزيد عن 15,000 مرة في نقل الشحنة.
- منصة cs-GoS متوافقة مع CMOS وقابلة للتطوير إلى رقائق كاملة.
- قد يؤدي هذا الاختراق إلى تمكين تصنيع رقائق منخفضة الطاقة وأجهزة كمية مستقبلية تعتمد على الدوران.
الفجوات المتحركة، وليس الإلكترونات
عند التعامل مع الإلكترونيات وأشباه الموصلات، فإن التركيب الذري الدقيق للمادة قد يكون بنفس أهمية العناصر التي تتكون منها.
ينطبق هذا أيضًا على الجرمانيوم. فقد ابتكر الباحثون طبقة من الجرمانيوم بسماكة نانومتر، مُضغوطة ومُنمّاة على السيليكون.
الفكرة هي تحسين نقل الشحنات الكهربائية باستخدام "ثقوب عالية الحركة"، بدلاً من الحركة المعتادة للإلكترونات.
في هذه الحالة، بدلاً من تحرك الإلكترونات وحمل المعلومات، نقوم بقياس الخاصية التي تمثل مدى سهولة تحرك حاملات الشحنة الموجبة ("الفجوات" أو الإلكترونات المفقودة) عبر مادة تحت تأثير مجال كهربائي.
بالمقارنة مع حركة الإلكترون التقليدية، تتمتع حركة الثقب بـ "اقتران قوي بين الدوران والمدار، وتفاعل فائق الدقة مكبوت، وتحكم فعال في الدوران الكهربائي بالكامل".
وبلغة أقل تقنية، يعني هذا أن هذه الخاصية مثالية لترميز المعلومات في أنظمة الحوسبة الدورانية والكمومية.
لكن حتى الآن، كانت مواد حركة الثقوب شديدة التأثر بالعوامل البيئية، مما حال دون استخدامها في الحوسبة الفعلية. وأعاقت الشوائب وصعوبة التصنيع هذه الفكرة أكثر.
الجرمانيوم المضغوط
مرر للتمرير →
| الخامة | حركة الثقب (سم²/فولت·ثانية) | ملاحظة |
|---|---|---|
| السيليكون (CMOS القياسي) | ~ 450 | خط الأساس الحالي للصناعة |
| الجرمانيوم غير المجهد | ~ 1,900 | أعلى ولكن من الصعب توسيع نطاقه |
| Ge المجهد على Si (cs-GoS) | أكثر من 7,150,000 | >15,000× تحسين، متوافق مع الرقاقة |
ظهرت مؤخرًا طريقة إنتاج جديدة تُسمى الضغط الانضغاطي، والتي تعمل على تغيير البنية البلورية للمواد شبه الموصلة، مما يؤثر على مستويات طاقة الإلكترون ونقل الشحنة.
وباستخدام هذه الطريقة، تمكن الباحثون من إنشاء طبقة رقيقة من الجرمانيوم المضغوط على طبقة من السيليكون، والتي أظهرت قدرة على تحريك الثقوب تبلغ 7.15 مليون سم مكعب.2 لكل فولت ثانية (مقارنة بـ ~450 سم2 لكل فولت ثانية في السيليكون الصناعي).
يمثل هذا تحسنًا هائلاً مقارنة بالإلكترونيات القائمة على الجرمانيوم لهذا المقياس.
المصدر مواد اليوم
نظرًا لأن الشحنات الكهربائية يمكن أن تتحرك بشكل أسرع بكثير (>15,000x) في هذه المادة، فإن هذا يفتح الباب أمام إنشاء إلكترونيات أسرع بكثير وأقل استهلاكًا للطاقة.
"يشكل هذا معيارًا جديدًا لنقل الشحنة في أشباه الموصلات من المجموعة الرابعة - المواد التي تشكل قلب صناعة الإلكترونيات العالمية.
"إنه يفتح الباب أمام إنتاج إلكترونيات وأجهزة كمية أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة ومتوافقة تمامًا مع تكنولوجيا السيليكون الحالية."
الدكتور سيرجي ستودينيكين - مسؤول الأبحاث الرئيسي، المجلس الوطني للبحوث في كندا
كيف يمكن للجرمانيوم المُصنَّع أن يُشغِّل الرقائق الكمومية والمنخفضة الطاقة
إن منصة cs-GoS الجديدة هذه متوافقة بشكل جوهري مع تقنية CMOS (أكسيد المعادن التكميلي شبه الموصل)، وهي مادة أساسية في تصنيع أشباه الموصلات المستخدمة في أجهزة الاستشعار والدوائر منخفضة الطاقة وذاكرة الكمبيوتر.
يمكن أيضًا توسيع نطاقه إلى طبقة بحجم رقاقة، مما يجعله قابلاً للتطبيق بشكل مباشر على طرق تصنيع أشباه الموصلات الحالية.
"إن أشباه الموصلات التقليدية عالية الحركة مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) باهظة الثمن ومن المستحيل دمجها مع تصنيع السيليكون السائد."
الدكتور سيرجي ستودينيكين - مسؤول الأبحاث الرئيسي، المجلس الوطني للبحوث في كندا
وهذا يفتح الطريق أمام استخدام حركة الثقوب في تصميمات الحواسيب الكمومية، أو دمج هذا النوع من الدوائر القائمة على الجرمانيوم في الرقائق منخفضة الاستهلاك للطاقة والأجهزة الإلكترونية الدورانية.
لذا فإن تحويل النموذج الأولي للمختبر إلى شريحة عاملة يتم إنتاجها بكميات كبيرة لا ينبغي أن يكون صعبًا كما هو الحال غالبًا بالنسبة للتصاميم الأكثر غرابة.
المصدر مواد اليوم
"تجمع مادتنا الكمومية الجديدة المصنوعة من الجرمانيوم على السيليكون (cs-GoS) المضغوطة بشكل مكثف بين القدرة على الحركة الرائدة عالميًا وقابلية التوسع الصناعي - وهي خطوة رئيسية نحو الدوائر المتكاملة الكمية والكلاسيكية واسعة النطاق العملية."
الدكتور سيرجي ستودينيكين - مسؤول الأبحاث الرئيسي، المجلس الوطني للبحوث في كندا
الاستثمار في تصنيع أشباه الموصلات
TSMC - شركة تصنيع أشباه الموصلات التايوانية
(TSM )
إن إنتاج أشباه الموصلات هي صناعة تهيمن عليها مجموعة من الخبرات المتخصصة والمعقدة، والحاجة إلى الإنتاج الضخم على نطاق واسع لتقليل التكاليف.
ولم تنجح أي شركة في إتقان هذا النموذج التجاري مثل شركة TSMC، الشركة التايوانية الرائدة عالميًا في تصنيع الرقائق فائقة التطور.
تُنتج شركة TSMC بشكل رئيسي رقائق السيليكون، بما في ذلك أقوى رقائق العقدة بتقنية 3 نانومتر و2 نانومتر. ولأنها تُنتج أكثر الرقائق تطورًا وتكلفةً، فهي تُسيطر على أكثر من نصف الإيرادات العالمية لصناعة مُسبك أشباه الموصلات.
المصدر اريك فلاينجام
تتطور شركة TSMC حاليًا للبدء في إنتاج شرائح السيليكون في الولايات المتحدة، لا سيما مع الاستثمار الضخم في مصانعها الجديدة في أريزونا.
ومع ذلك، تعد شركة TSMC أيضًا خبيرة في الترانزستورات المتقدمة القائمة على الجرمانيوم وأشباه الموصلات الأخرى.
لذا، في حين تعتمد الشركة في معظم أرباحها الحالية على الرقائق المتقدمة وتصنيع أجهزة الذكاء الاصطناعي لشركات مثل Nvidia (NVDA )كما يمكن أن تكون الصين أيضًا أحد المستفيدين الرئيسيين من اكتشاف أن طرق تصنيع أشباه الموصلات الشائعة يمكنها إنتاج شرائح عالية الأداء، بما في ذلك تلك التي تستخدم الجرمانيوم.
(يمكنك أيضا اقرأ المزيد عن تاريخ وأعمال شركة TSM في تقريرنا الاستثماري مخصص للشركة.)
المستثمر الوجبات الجاهزة
- يوفر اكتشاف الجرمانيوم المجهد على السيليكون (cs-GoS) طريقًا لإنتاج شرائح أسرع بكثير وأقل استهلاكًا للطاقة باستخدام البنية التحتية CMOS الموجودة.
- نظرًا لأن المادة متوافقة مع عمليات الرقاقة الحالية، فإن مخاطر التبني أقل من مخاطر استخدام البدائل شبه الموصلة الغريبة.
- تبرز شركة TSMC كمستفيد رئيسي نظرًا لقيادتها في مجال الترانزستورات القائمة على الجرمانيوم وهيمنتها في تصنيع العقد المتقدمة.
- يعزز هذا البحث حالة الاستثمار الطويل الأجل للمصانع ومصنعي المعدات وموردي المواد الذين يستعدون للابتكار في مرحلة ما بعد السيليكون.
- لا يزال التسويق التجاري في مراحله الأولى، لكن cs-GoS يعزز خارطة الطريق للهندسة المعمارية الهجينة المصنوعة من السيليكون الكمومي - وهو حافز مستقبلي للطلب على الرقائق المتقدمة.
أحدث أخبار وتطورات أسهم شركة TSMC (TSM)
الدراسة المشار إليها:
١. ميرونوف، م.، بوغان، أ.، وستودينيكين، س. (٢٠٢٥). حركة الثقوب في الجرمانيوم المُجهد بالضغط على السيليكون تتجاوز ٧ × ١٠⁶ سم² فولت⁻¹ ثانية⁻¹. مواد اليوم, 90314-321. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004
