تا چند سال پیش تلفن‌های همراه روز به روز کوچکتر می‌شدند. چند سالی است که حجم کلی آنها تغییر چندانی نمی‌کند، اما توان پردازش آنها چرا. سرعت پردازش تلفن‌های هوشمند روز به روز بیشتر می‌شود. آیا مرزی برای این رشد هست؟ از لحاظ اندازه چطور؟ چقدر امکان کوچک کردن تلفن های همراه وجود دارد؟
بخش بزرگی از حجم تلفن‌های همراه امروزی باتری آنهاست. صفحه نمایش و صفحه کلید هم اگر خیلی کوچک شوند دیده نمی‌شوند و دیگر کاربردی ندارند. اما هرچقدر حجم پردازنده کوچکتر شود تعداد بیشتری از آن را می‌شود در تلفن همراه جا داد. بنابراین توان پردازش بیشتر می‌شود. صنعت نیمه‌رسانا مسئول کوچکتر کردن حجم پردازنده‌ها است. به عبارت دیگر مسئول سریعتر کردن پردازشگرها.
صنعت نیمه‌رسانا در عمر ۵۰ ساله خود به نحو چشمگیری جایگاه خود را در زندگی روزمره تمام انسان‌ها باز کرده. اتومبیل، کامپیوتر، تهویه مطبوع، رادیو، تلویزیون و مهمترین دستگاه ارتباطی این روزهای ما یعنی تلفن همراه، همگی دارای تراشه‌های الکترونیکی‌اند. تراشه‌هایی که این قدر کوچک شده‌اند که در تلفن جیبی من و شما جا بگیرند. در حالی که چهل سال پیش برای توان پردازش معادل یک تلفن هوشمند امروزی نیاز به مدار‌های الکترونیکی به بزرگی یک اتاق بود.
نیمه رساناها از زمان اختراع اولین ترانزیستور کاربرد وسیعی پیدا کردند. ترانزیستور به زبان ساده یک سوئیچ الکترونیکی است که می تواند روشن یا خاموش باشد. سیلیکون به عنوان بهترین نیمه‌رسانا این وظیفه را به عهده دارد. دو نوار موازی رسانا را در نظر بگیرید که میانشان با سیلیکون پر شده. سیلیکون مثل رأی دهنده شناور در انتخابات است! با کمی “تشویق” می‌تواند حالت “روشن” یا “خاموش” به خود بگیرد. اگر روشن باشد اتصال بین دو نوار رسانا برقرار می‌شود. اگر خاموش باشد ارتباط قطع شده است. “تشویق” را هم می‌شود به سادگی با یک سیگنال الکتریکی ایجاد کرد. حالت روشن در دنیای دیجیتال متناظر با ۱ و حالت خاموش متناظر با ۰ است. تمام اطلاعات و محاسبات دیجیتال از مجموعه‌ای از همین ۰ و ۱ ها تشکیل شده است. ترانزیستور هم همان ترکیب دو نوار موازی و سیلیکون میان آنهاست. تلفن های آیفون 6 و گالکسی S5 هرکدام در حدود ۲ میلیارد ترانزیستور دارند. فکر می‌کنید اندازه هر ترانزیستور چقدر است؟
گوردون مور، یکی از بنیانگذاران شرکت اینتل، نتیجه مشاهداتش را از دنیای ترانزیستورها در سال ۱۹۶۵ منتشر کرد. در این مقاله او گزارش کرد که اندازه ترانزیستورها هر ۲.۵ (دو و نیم) سال نصف شده است. این مشاهده در صنعت نیمه رسانا تبدیل به قانون شد. امروز شرکت‌های فعال در صنعت نیمه‌رسانا تمام تلاش خود را می کنند تا از این قانون عقب نمانند.
ترانزیستور آیفون 6 یا گالکسی S5 با پروسه ۲۰ نانومتر ساخته شده است. یعنی فاصله بین دو نوار موازی در هر ترانزیستور ۲۰ نانومتر است. یعنی سه هزار بار کوچکتر از ضخامت موی سرتان. به عبارت دیگر می‌توان ۳۰۰۰ ترانزیستور امروزی را به طور عرضی در یک تار مو جا داد. صنایع نیمه‌رسانا در تلاشند تا پروسه ۵ نانومتر را تا سال ۲۰۲۰ به بازار عرضه کنند. یعنی تا ۳ سال دیگر پردازشگرها ۴ برابر سریعتر می‌شوند.
چالش اصلی، کنار هم گذاشتن این نوارهای موازی با دقت زیاد است؛ چه نوارهای رسانا چه نوارهای سیلیکون میان آنها. اگر سازنده پردازشگر آیفون تنها یک بار از ۲ میلیارد بار و آن هم تنها ۲۰ نانومتر اشتباه کرده باشد آیفون شما درست کار نخواهد کرد. برای درک بهتر این مقیاس، تصور کنید با اتومبیل در یک روز برفی ۱۰۰ کیلومتر رانندگی کرده‌اید. در راه برگشت باید رد چرخ‌های اتومبیل شما منطبق بر ردی باشد که در مسیر رفت روی برف مانده. شما فقط اجازه دارید ۱ سانتیمتر خطا کنید.
نانولیتوگرافی فرآیندی است که کار تعبیه این نوارهای باریک کنار هم را روی ورقه سیلیکونی انجام می‌دهد. این صنعت در سالهای اخیر در اختیار شرکت هلندی ASML و شرکت ژاپنی Nikon بوده؛ اما ASML پیشتاز این رقابت است و نزدیک به ۹۰ درصد بازار را در اختیار دارد. صنعت نانولیتوگرافی بعد از صنعت هواپیماسازی دقیق ترین صنعت حال حاضر در جهان است.
صنعت هواپیماسازی از نظر ایمنی و صنعت نانولیتوگرافی از نظر ابعاد بسیار کوچک نیازمند این دقتند. طبق قانون مور، ابعاد تراشه‌های الکترونیکی دائما کمتر می‌شود و به طبع آن چالش این دو شرکت نانولیتوگرافی هم برای حفظ این دقت روز به روز بیشتر.
بنابرهمین قانون، تا سال ۲۰۳۲ باید پروسه ۰.۱ نانومتر معرفی شود. این آخرین حد کوچک کردن نوار نیمه رسانای ترانزیستور است، چون برابر با اندازه اتم سیلیکون است. اینکه امکان رسیدن به این اندازه وجود دارد یا نه سئوال بزرگی است. و اینکه پس از آن قانون مور چگونه حفظ خواهد شد سوالی بزرگتر.
بنابراین اگر به ادامه پیشرفت فن آوری دیجیتال خوشبین هستید، باید در ۱۵ سال آینده منتظر انقلاب جدیدی در صنعت ساخت پردازشگرها باشید.
