في الوقت الذي تنتقل فيه شركة TSMC إلى مرحلة الإنتاج الكمي لشرائح السيليكون المعتمدة على دقة التصنيع 5 نانومتر ، فإن عقدة تصنيع شركة SMIC الصينية الأكثر تقدمًا هي 14 نانومتر ، والتي "نظرياً" تحتوي على نصف عدد الترانزستورات مثل تلك الموجودة في عُقدة التصنيع 7 نانومتر (باعتبار معيار التسمية واحد) . ولكن هل تساءلت يوماً ما هي أشباه الموصلات أصلا ؟.
فلا شك انك كمستخدم ومُهتم بالتقنية في عصرنا الحالي تسمع كثيراً هذا المُسمّى من القاصي والداني، وقد ذاع صيت هذا المُكوّن بشكل واضح أيضاً في الشهور القليلة الماضية، التي واجهه فيها العالم نقصاً واضحاً في أشباه الموصلات. وهو ما زاد في نهاية المطاف من صعوبة الحصول على العديد من المكونات الإلكترونية والشرائح التي يتم استخدامها تقريباً في جميع الإلكترونيات المتاحة اليوم بداية من الحواسيب والجوالات والساعات الذكية، ووصولاً لشرائح التوجيه في الطائرات ومركبات الفضاء.
وعلى الرغم من أن الصين تستورد ما قيمته 300 مليار دولار أمريكي من أشباه الموصلات سنويًا ، إلا أن هذه الكمية يتم إعادة تصدير أكثر من نصفها في منتجات إلكترونية تامة الصنع في الصين- إلا أن الصين نفسها تتخلف كثيرًا في المنحنى التكنولوجي عندما يتعلق الأمر بصنع أشباه الموصلات هذه، وهو ما ذكرناه في بداية المقال تحديداً. هذا التأخر الكبير في التقدّم التقني في عملية تصنيع أشباه الموصلات، جعل الصين تعتمد في مُنتجاتها الأكثر تقدّماً على الصناعة الخارجية، فيما تركت المُنتجات التي لا تحتاج لدقات التصنيع الأكثر دقة تستفيد من القُدرات التصنيعية الموجودة في الصين.
وقد أدى فرض العقوبات الأمريكية التي قطعت وصول هواوي إلى الرقائق المتقدمة إلى تسريع رغبة بكين في أن تصبح مكتفية ذاتيًا في أشباه الموصلات ، لكن الهدف لن يكون سهلاً وقد يستغرق عقودًا ، وفقًا للخبراء. لذا فلن أكون مُبالغاً يا عزيزي القارئ إن قلت لك أن أشباه الموصلات هي أحد الدعائم الرئيسية للتقدم التقني والتكنولوجي الذي نشهده اليوم، بل وأحد الصناعات التي قد تُحّرك دولاً ضد دول أُخرى. لذا فدعني آخذك اليوم عزيز القارئ في جولة مُبسّطة وسريعة نتعرف فيها على صناعة أشباه الموصلات، الذراع التي تُحرّك العالم !.
أشباه الموصلات ؟
أشباه الموصلات، والمعروفة أيضًا باسم الرقائق الدقيقة أو الـ Microships ، هي أجهزة تعتمد على شرائح السيليكون وتتكون من مئات الملايين -وفي بعض الحالات- المليارات من الترانزستورات الدقيقة، والتي بدورها تعمل بمثابة "مفاتيح" صغيرة للتحكم في حركة الإلكترونات والمرور منها. يتم إنتاج الرقائق الأكثر تقدمًا اليوم باستخدام ما يسمى بعملية التصنيع ذات دقة 7nm وقريباً سنرى مُنتجات بدقة تصنيع 5nm أيضاً، حيث يساوي النانومتر الواحد واحدًا من المليار من المتر. وفي الوقت الحالي لكتابة هذا التقرير، توجد شركتان فقط في العالم وهما شركتيّ Samsung و TSMC قادرتان على إنتاج رقائق بدقة تصنيع 7 نانومتر (ولا شك أنك على دراية بهذه النُقطة حتى الآن في حال كُنت متابع لأخبار التقنية).
وبشكل عام، تُعتبر العقد النانومترية الأصغر مهمة بشكل رئيسي، وذلك لأنها تعزز أداء الدائرة وتقلل من استهلاك الطاقة، حيث أن دقة التصنيع الأًغير تعني ببساطة حجماً أقل للترانزستور وهو ما يعني كمية أكبر في نفس الحجم.
ولكن ما هي أشباه الموصلات من ناحية التعريف التقني لها، وكيف يتم تصنيعها؟
أشباه الموصلات هي مادة توصل الكهرباء في بعض الظروف دون غيرها ، مما يجعلها وسيلة جيدة للتحكم في التيار الكهربائي. معظم أشباه الموصلات في العالم ، والمعروفة أيضًا باسم الدوائر المتكاملة (ICs) أو الرقائق الدقيقة microships، مصنوعة من عناصر نقية مثل السيليكون. ولمن لا يعلم فالمادة الخام للسيليكون هي الرمل (إنتظر يا صديقي فأنا أعلم ما تُفكر به الآن، لا تحاول الإحتفاظ بالرمال للتجارة فيها)، الذي يتم تنقيته بشكل دقيق وصهره إلى سبائك أسطوانية صلبة، ثم يتم تقطيعها إلى أقراص رفيعة أو رقائق Wafersجاهزة للمعالجة إلى شرائح جاهزة.
وفي الحقيقة، تخضع رقائق السيليكون (Silicon wafers) عادة لسلسلة طويلة من خطوات التصنيع المعقدة للغاية (مثل النقش أو etching وعملية الانتشار diffusion) في مصنع يسمى بالمسبك أو wafer fab . أما بالنسبة لعملية التصنيع - التي يمكن في بعض الأحيان أن تتطلب مئات الخطوات - تضع أنماطًا من المواد المُختلفة بترتيبات مُعيّنة فوق بعضها البعض. وتختلف "الوصفة" المستخدمة في صنع الرقائق وفقًا للاستخدام النهائي المقصود من هذه الرقائق. يتم بعد ذلك تقطيع الشرائح الفردية (التي تسمى بالشرائح أو الـ dies) وتعبئتها "وضعها" بشكل مُعيّن في المكون النهائي وهو أشباه الموصلات، والتي يتم دمجها بدورها في الأجهزة الإلكترونية مثل الهواتف الذكية وأجهزة التلفزيون وأجهزة الكمبيوتر والمعدات الطبية.
وعندما يتعلق الأمر بعملية صناعة أشباه الموصلات، فمن الجدير بالذكر أن هناك ثلاثة نماذج عمل في صناعة أشباه الموصلات. حيث يُشار إلى الشركات التي تركز فقط على عملية التصميم (على سبيل المثال شركة، Qualcomm وشركة Nvidia) على أنها شركات "fabless" . وفي المُقابل تُسمّى الشركات التي تُركّز فقط على عملية التصنيع (مثل شركتيّ TSMC و SMIC) باسم "مسابك الرقائق wafer foundries" . بينما يطلق على الشركات التي تفعل كلا الأمرين اسم شركة متكاملة، أو الشركات المصنعة للأجهزة أو الـ IDMsوهو إختصار لكلمة Integrated Device Manufacturers. ومثال على هذه الشركات هي شركتيّ Intel و Samsung، "وأيضاً AMD في السابق، قبل بيعها مسابك globalfoundries".
يجب التنويه أيضاً إلى أن هناك نوعان آخران من الشركات المشاركة في سلسلة توريد أشباه الموصلات "سلسلة التوريد هي سلسلة الأعمال والخطوات التي تعمل على تصنيع ونقل أشباه الموصلات من مرحلة التخطيط ثم التصنيع ووصولاً للأسواق". حيث تقوم شركات أتمتة التصميم الإلكتروني أو شركات Electronic design automation (EDA) مثل شركات( Cadence ، Synopsis) بتطوير البرامج المعقدة المستخدمة لتصميم الدوائر المتكاملة نفسها، بينما تقوم ما يسمى بشركات ("النهاية الخلفية أو back end " ( مثل شركتيّ ( Amkor ، ASE) بتجميع واختبار الرقائق الفردية بعد مغادرتهم مسبك التصنيع.
ولكن ما هي أنواع الرقائق الأكثر استخدامًا ؟
كما أشرنا في البداية، يُمكن أن تحتوي الرقائق الدقيقة على مليارات الترانزستورات التي تتحكم في كيفية تدفق الكهرباء في الجهاز. لذا فسيُحدد ترتيب هذه الترانزستورات على شريحة السيليكون وظيفة الشريحة ككل. فعلى سبيل المثال ، تعد كُلّاً وحدة المعالجة المركزية (CPU) ووحدة المعالجة الرسومية (GPU) محركات حوسبة تستخدم لمعالجة كميات هائلة من البيانات. ومع ذلك ، فلكل منها بنية فريدة ومصممة لأغراض مختلفة. حيث تقوم وحدات المعالجة المركزية والتي تُعتبر "أدمغة" جميع أجهزة الكمبيوتر، بتنفيذ الأوامر وتنفيذ العمليات اللازمة لأجهزة الكمبيوتر وأنظمة التشغيل. وهو ما يعني أنها مناسبة لمجموعة متنوعة من أعباء العمل وتتمتع بميزة تعدد الاستخدامات وتعدد المهام وسهولة البرمجة.
وعلى الجانب الآخر، يُمكن لوحدات المُعالجة الرسومية ، والتي يتم تصميمها مع آلاف من أنوية المُعالجة المُخصصة التي تعمل في وقت واحد ، ومعالجة البيانات بعدة أوامر من حيث الحجم، وتعتبر وحدة المعالجة الرسومية أسرع بكثير من وحدة المعالجة المركزية ، ولكنها ليست متعددة الاستخدامات مثلها. تم تصميم وحدات المُعالجة الرسومية (GPU) في الأصل للرسومات ، ولكنها تُستخدم الآن في مجموعة واسعة من التطبيقات الحاسوبية المكثفة مثل الألعاب وتطبيقات الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي.
ثم تأتي بعد ذلك وحدات التخزين بأنواعها، وباقي قطع الحاسوب والشرائح الإلكترونية في السيارات، و..وقد يُقاطع أحدهم الآن حبل أفكاري قائلاً "لماذا تتحدث عن الحواسيب أصلاً، ألسنا نتحدث عن أشباه الموصلات؟". وفي الحقيقة هذا السؤال يعني أمراً واحداً، أنك يا عزيزي لم تكن تنتبه لما قُلته منذ قليل، فجميع هذه المكونات يتم تصنيعها في النهاية من أشباه الموصلات!. وكل ما كُنت أقوم به الآن هو توضيح أن التصميم والترتيب المُختلف في عملية تصنيع هذه الشرائح السيليلكونية، سيؤدي في نهاية المطاف إلى مُنتجات مُختلفة تماماً من ناحية الوظيفة.
وقد يتساءل أحدهم الآن سؤال آخر، لماذا يكون الأصغر أكثر قوة عندما يتعلق الأمر بأشباه الموصلات؟
ولكي أُجيب على هذا السؤال، دعني أخذك في جولة تاريخية سريعة لعام 1965، حين كتب جوردون مور ، الذي شارك لاحقًا في تأسيس شركة إنتل الأمريكية لصناعة الرقائق، ورقة تنبأت بأن عدد الترانزستورات في الدوائر المتكاملة سيتضاعف كل عامين تقريبًا. وقد ظل بالفعل قانون مور ساري المفعول منذ ذلك الحين على الرغم من توقع العديد من الخبراء أنه سيصطدم بجدار من الحدود الفيزيائية التي ستمنع تحقيق هذه الدورة.
ولكن اليوم ، تحتوي الرقائق الأكثر تقدمًا على أكثر من 7 مليارات ترانزستور ويتم إنتاجها في مصانع تسمى المسابك باستخدام ما يسمى بعملية التصنيع 7 نانومتر. وكما أشرنا من قبل، النانومتر الواحد يساوي حوالي واحد من المليار من المتر. وهناك شركتان فقط في العالم تنتجان رقائق بحجم 7 نانومتر: سامسونج للإلكترونيات في كوريا الجنوبية وشركة TSMC في تايوان. كما أنه وفي يوليو / تموز من العام الحالي، قالت شركة إنتل الأمريكية العملاقة للرقائق إنها تواجه تأخيراً قد يصل لمدة ستة أشهر في انتقالها إلى عملية تصنيع 7 نانومتر، وهو ما يعني "في حين صدقت الشركة" أننا سنمتلك مُنافس ثالث لهذه الدقة.
وتُعتبر عُقد تصنيع العمليات النانومترية الأصغر مهمة لأنها تقوم بأمرين مُهمّين وهما تعزيز أداء الدائرة المتكاملة، وتقلل من استهلاك الطاقة للمكونات، مما يعني عُمر أطول لبطاريات منتجات مثل الهواتف الذكية مثلاً. وتختلف عمليات وُعقد التصنيع من ناحية الناتج الخاص بها، ولكن عادةً ما تعزز كل عقدة عمليات التصنيع الجديدة السرعة بنحو 20% وتقلل من استخدام الطاقة بنسبة 40 في المائة، وذلك فقًا لـ TSMC . العقدة التقنية التالية هي 5 نانومتر والتي دخلت مرحلة الإنتاج الكمي في مسابك TSMC في النصف الأول من عام 2020 ، في حين أن خارطة طريق TSMC قد انتقلت إلى 3 نانومتر والتي سيتم إنتاجها في عام 2022.
ووفقًا لبيانات من International Business Strategies ، فمن المتوقع أن يُكلّف مصنع الرقائق الجديد القادر على إنتاج شرائح الـ 5 نانومتر حوالي 15 مليار دولار أمريكي ، أي ضعف ما تكلفته مسابك تصنيع شرائح الـ 14 نانومتر، والتي نقلتها عن SMIC في نشرة المعلومات الأخيرة. أما بالنسبة لقانون مور ، فقد قال المدير العام لشركة TSMC لوه تشنكيو في أغسطس الماضي أنه يعتقد أنه سيظل صحيحًا بالنسبة لتقنية المعالجة 3 نانومتر ،و 2 نانومتر ، وحتى وصولاً إلى تقنية المعالجة 1 نانومتر.
صراع أشباه الموصلات بين الشرق والغرب، ما مدى تأخر الصين في صناعة أشباه الموصلات؟
كما أشرنا في البداية،ـ فعلى الرغم من أن الصين تستورد رقائق بقيمة 300 مليار دولار أمريكي سنويًا - والتي يتم رد حوالي 160 مليار دولار أمريكي منها عن طريق إعادة تصديرها في منتجات إلكترونية تامة الصنع - إلا أنها تعتبر متخلفة عندما يتعلق الأمر بقدراتها التصنيعية. فمُصنّع الرقائق الأكثر تقدمًا في الصين هو شركة Semiconductor Manufacturing International Corp (SMIC)، التي أسسها ريتشارد تشانغ ، المتخصص السابق في صناعة الرقائق في شركة Texas Instruments في عام 2000.
وتعمل SMIC على نفس نموذج الأعمال مثل مسابك TSMC ، وهو ما يعني أنها مسبك رقائق مستقل ينتج رقائق لصانعي الرقائق الـ fabless. وتعتمد SMIC ومقرها شنغهاي بشكل كبير على التكنولوجيا الأجنبية لصنع رقائقها، إلا أنها قد تم وضعها مؤخرًا على قائمة المراقبة الأمريكية التي تطلبت من موردي المعدات الأمريكيين التقدم للحصول على ترخيص قبل أن يتمكنوا من شحن أي ماكينات إلى الشركة الصينية.
وتستثمر SMIC حوالي 70 في المائة من إيراداتها على واردات المعدات والمواد من الموردين الأمريكيين والأوروبيين واليابانيين ، وذلك وفقًا لمحلل الصناعة أندرو وانج. ومع ذلك ، فبينما تنتقل TSMC إلى إنتاج الشرائح بدقة تصنيع 5 نانومتر ، فإن أكثر عقدة عملية تستطيع SMIC تقديمها حالياً هي 14 نانومتر - والتي تحتوي على نصف عدد الترانزستورات مقارنة بعقدة 7 نانومتر. فبموجب إتفاقية Wassenaar، تُقيّد الولايات المتحدة وحلفاؤها تصدير تقنيات الاستخدام المزدوج إلى الدول الشيوعية ، مما يعني أن شركات مثل SMIC وصانعي الرقائق الآخرين الصينيين لا يمكنهم الوصول إلى أحدث تقنيات صناعة الرقائق، لأنهم لا يملكون المُعدّات أو المكونات اللازمة لذلك وعليهم الإعتماد على مواردهم وقُدراتهم التصنيعية الحالية.
فعلى سبيل المثال ، تم منع شحن آلات الطباعة الحجرية lithography machines الأكثر تقدمًا ، والتي تسمى الماسحات الضوئية EUV (وذلك لأنها تستخدم أشعة الليزر التي تعمل بأطوال موجية فوق بنفسجية مرتفعة في عمليات التصنيع)، إلى الصين. وتُعد تقنية EUV ضرورية للغاية لعقد تصنيع 7 نانومتر و 5 نانومتر. وهذا يعني أن SMIC يمكنها فقط استخدام آلات الجيل السابق ، المسماة DUV (تعمل بأطوال موجية فوق بنفسجية أقل)، وهو ما يجعل المسابك الصينية لا يمكنها إنتاج شرائح مع دقات تصنيعية أكثر تقدمًا من 14 نانومتر.
لذا وعلى الرغم من أن القدرة التنافسية لبائعي أشباه الموصلات في الصين قد تحسنت بشكل كبير جداً في السنوات الأخيرة ، إلا أن الصناعة لا تزال تعتمد بشكل كبير على المكونات الرئيسية من الغرب ، مما أدى إلى معدل اكتفاء ذاتي أقل من 20 في المائة ، وفقًا لتقرير صادر عن شركة Deloitte.حيث يُمثّل الإنتاج المحلي للدوائر المتكاملة في الصين 15.7% من الرقائق التي احتاجتها البلاد في عام 2019 ، وذلك وفقًا لشركة الأبحاث IC Insights.
وفي عام 2018 ، وطبقاً للإحصائيات المُتعلقة بسوق أشباه الموصلات، فإن أكبر 15 شركة تعمل في مجال أشباه الموصلات في العالم من حيث الإيرادات كانت من الولايات المتحدة وتايوان وأوروبا واليابان وكوريا الجنوبية على التوالي. أي أنه لم تكن هناك شركة صينية من البر الرئيسي في القائمة.
الشركة الأوروبية ASML، أحد أهم الشركات في صناعة أشباه الموصلات!
في صناعة أشباه الموصلات، تُعد الطباعة الحجرية أو الـ lithographyهي المرحلة الأكثر أهمية في عملية صناعة الرقائق ، حيث يتم استخدام الضوء لطباعة أنماط الدوائر الصغيرة (tiny circuit patterns) "أي الطرق التي ستسير فيها الكهرباء" على رقاقة السيليكون. حيث يُسقط الضوء من خلال جزء يسمى القناع ، ومن ثم تتقلص هذه الإضاءة من حيث الإنتشار ويتم تركيزها لرسم النمط أو التخطيط المُراد على رقاقة السيليكون الحساسة للضوء . وتُعتبر شركة ASML الهولندية حاليًا هي الشركة الوحيدة التي يمكنها توفير أنظمة الطباعة الحجرية الأكثر تقدمًا اللازمة لإنتاج رقائق لعقدة تصنيع7 نانومتر و 5 نانومتر.
تُسمّى هذه الأجهزة ماسحات EUVالضوئية ، وتُستخدم الطباعة الحجرية EUV الضوء بطول موجي يبلغ 13.5 نانومتر فقط (مستوى الأشعة السينية تقريبًا) ، وهو ما يقل بنحو 14 مرة عن الطباعة الحجرية DUV (الأشعة فوق البنفسجية العميقة) ، التي تستخدم ضوءًا يبلغ قياسه 193 نانومترًا. تتوفر آلات DUV من الموردين اليابانيين Nikon و Canon لكن ASML هي المورد الوحيد لـ EUV ، وكما أشرنا فهي غير مُتاحة لصانعي الرقائق الصينيين بسبب قيود التصدير التي تفرضها الحكومات الغربية.
ما هو مُستقبل صناعة أشباه الموصلات ؟
خلال احتفال الصين بالذكرى الأربعين لتعيين شنتشن كأول منطقة اقتصادية خاصة في الصين، قال الرئيس الصيني شي جين بينغ إن البلاد "يجب أن تتخذ طريقًا نحو الاعتماد على الذات" ، مما يعني "أن تصبح مستقلة في حملة الابتكار لدينا". . وقد قال وي شاوجون ، الأستاذ بجامعة تسينغهوا في قسم الإلكترونيات الدقيقة والإلكترونيات النانوية تعقيباً على ذلك، "إن فكرة البدء من الصفر لتحقيق الاعتماد على الذات في صناعة الرقائق كانت "غير واقعية" لأن سلسلة توريد التكنولوجيا العالمية بالفعل متكاملة للغاية".
ومن هذ الجانب فقد تباينت الآراء بشكل كبير، حيث يرى البعض صعوبة المُهمة وأن الصين مُتأخرة بحوالي عشر سنوات عن باقي العالم، في حين رأي البعض أنها يُمكنها أن تقوم باستقطاب الشركات العالمية لعمل مصانع خاصة بها في الصين والإعتماد على السوق الخاص بها في جلب رؤوس الأموال.
ومع عدم الإستقرار الحالي في السوق وسلسلة التوريد الخاصة بصناعة أشباه الموصلات والتي أثّر بشكل كبير في إستقرارها العديد من العوامل مثل وباء COVID-19 وإنفراد شركة TSMC تقريباً في الريادة في هذا السوق الشره، والخوف من عدم قدرة TSMC على الوفاء بجميع الطلبات التصنيعية للشركات التي تتعامل معها، يبقى السؤال المُحيّر المطروح على طاولة النقاش هو " ما هو مصير صناعة أشباه الموصلات في الأعوام التالية ؟".
فلابد بكل حال أن يتم إيجاد حلول أكثر واقعية من إقصاء بعض الدول من حيز السوق الدولي لتوفير معروض أكبر من الشرائح للشركات الأُخرى. فبالرغم من أن إقصاء الصين قد ساعد بالتأكيد على تقليل الطلب على الشرائح الأكثر تقدُّماً إلا أن الطلب لازال يتزايد وقد يتفاقم قريباً مرة أُخرى، وهو ما يجب مُعالجته عن طريق توفير مصانع ومسابك أكثر. فلا شك أن صناعة أشباه الموصلات -وبسبب تواجدها في كل شئ حولنا تقريباً- هي أحد أكثر الصناعات الحساسة في العلاقات الدولية بين الدول (يمكنك مراجعة التوتر الحاصل بين الدول على غرار الأزمة الأخيرة)، وهو ما يجعل التعامل مع السوق الخاص بها أمر شديد الخطورة. بل يجعلها الذراع التي تُحرّك العالم !.
