لا شك أن صناعة اشباه الموصّلات أصبحت محطّ أنظار الكثيرين من المتابعين لعالم التقنية في الفترة الأخيرة. ولعل السبب الأكبر في ذلك هو النقص الحاصل في المكونات، والذي بدوره أدّى إلى الإهتمام الكبير بهذه السوق الذي أثّر على أغلب الصناعات حول العالم تقريباً.

وبما أننا شارفنا على الدخول في عام 2022، فإن أنظار الكثير من المتابعين للتقنية الآن تتوجه نحو دقات التصنيع التالية في التسلسل الهرمي وهي دقّتي 5nm و 3nm . وبما أن شركة TSMC أو شركة تايوان لتصنيع اشباه الموصلات هي الرائد الأول لهذه الصناعة في الوقت الحالي، فدعونا نُلقي بنظرة فاحصة على التطور الذي حل بسوق أشباه الموصلات من هذه الناحية. لنعرف معاً إلى أي مدى وصل تطوير دقّتي تصنيع 3nm و  5nm المُرتقبتين .

كما يعلم الكثير منكم، فشركة Foundry TSMC تُعتبر حالياً أحد أكثر الشركات العالمية التي يتم تداولها علنًا من حيث القيمة في آسيا، متجاوزةً بذلك تكتل التكنولوجي  Tencent. ولعل أحد أهم الأسباب التي أدّت إلى وصول شركة TSMC لهذه القيمة السوقية المرتفعة هو الإقبال الكبير على مُنتجاتها (وهو ما ذكرتهITHome  من خلال موقع Wccftech ) أن خطوط التجميع 5 نانومتر للشركة محجوزة بالكامل وتعمل بكامل طاقتها في الوقت الحالي. كما ويقول تقرير جديد إن عملية تصنيع أو إنتاج TSMC 3 نانومتر الأحدث والتي سترى النور العام المقبل محجوزة بالكامل أيضًا.

أحد الأسباب الرئيسية في هذا التقاتل على القدرة التصنيعية للشركة هو نقص الرقائق العالمي، حيث كان على TSMC إعطاء الأولوية لعملائها ذوي الدخل المرتفع مثل شركة Apple التي قيل إنها قدّمت طلبًا للمسبك لتصنيع 100 مليون شريحة  A15 Bionic. سيتم تصنيع هذه الرقائق باستخدام عقدة تصنيع N5P وهي نسخة مطورة من العقدة الأساسية 5nm  المستخدمة لبناء شرائح A14 Bionic التي تستخدمها سلسلة هواتف iPhone 12 .

في عالم أشباه الموصلات - وكما أشرنا في مقال سابق - كلما انخفضت عقدة عملية التصنيع، زاد عدد الترانزستورات التي يمكن استخدامها في الشريحة.  وكلما زاد عدد الترانزستورات، زادت قوة الشريحة وكفاءتها في استخدام الطاقة. ووفقًا لقانون مور ، الذي سمي على اسم ملاحظة قام بها المؤسس المشارك لشركة إنتل جوردون مور في عام 1965 وتم تنقيحها في السبعينيات من القرن الماضي،  يجب أن يتضاعف عدد الترانزستورات التي تتناسب مع الملم المربع كل عامين عن طريق إجراء تقليل في عقدة عملية التصنيع في نفس الوقت.

أين وصلت شركات التقنية مع دقة تصنيع 5nm

تُعتبر دقة تصنيع شباه الموصلات 5nm هي الدقة الأحدث التي بدأت الدخول أخيراً في مرحلة الإنتاج الكمّي من الشركات أو المسابك الكُبرى. وهما في الحقيقة مسبكين أو شركتين تحديداً TSMC و Samsung. وبالرغم من السبق التقني الذي تتمتع به TSMC التي دخلت بالفعل في مرحلة الإنتاج الكمي منذ فترة، بل وبدأنا برؤية مُنتجات تتمتع بدقة التصنيع هذه على أرض الواقع مثل مُعالجات M1 من Apple مثلاً، إلا أن سامسونج ليست مُتخلّفة كثيراً من هذه الناحية.

وطبقاً لمصادر في الصناعة، يُقال إن TSMC تعمل جاهدة حالياً لإنتاج شريحة 16 A3 Bionic 2022nm لمجموعة أجهزة iPhone 14 القادم بحلول النصف الثاني من هذا العام أو بداية العام القادم. لذا فمع هذا الوضع الحالي من ناحية الطلب، فقد يحتاج المصنعون الذين لا يستطيعون الطلب من TSMC إلى التفكير في العمل مع مسابك  Samsung Foundry. وبالحديث عن سامسونج، يقول بعض الخُبراء في الصناعة إن تقنيات تصنيع Samsung أدنى من تلك التي تمتلكها مسابك TSMC ، غير أن شركات مثل Qualcomm ، التي تستخدم Samsung لتصنيع شرائحSnapdragon 888 SoC ، قد لا تكون قادرة على تقديم طلبات مع  TSMC بسبب الوضع الحالي المُتكدّس لدى الشركة التايوانية.

وقياساً على ذلك، وإذا أُتيحت أية فرص للقدرة أو الوفرة التصنيعية في TSMC بحلول نهاية عام 2022 ، فهناك حديث عن انتقال Qualcomm إلى المسبك لإنتاج شرائح Snapdragon 898 Plus باستخدام عقدة عملية 4nm . ولكن وبالنسبة للوقت الحالي فإن مسابك Samsung هي التي تُنتج مجموعة شرائح Qualcomm Snapdragon 888 باستخدام عملية تصنيع 5 نانومتر.  هذا وبالحديث عن دقات التصنيع الأُخرى المرتقبة ، فقد قالت كل من TSMC و Samsung إن لديهما خرائط طريق تصل إلى دقة تصنيع 2 نانومتر حتى، التي بالمناسبة قد سبقتهم إليها شركة IBM على الأقل من ناحية التخطيط، حيث أنه في مايو الماضي صنعت شركة IBM أول شريحة بدقة تصنيع 2 نانومتر. لذلك فباستخدام بنية Gate-All-Around (GAA) ، ستكون IBM قادرة على "تثبيت 50 مليار ترانزستور في مساحة تقارب حجم ظفر الإصبع."

هذا وقد قالت شركة  IBM تعليقاً على ذلك "أنه من الناحية النظرية ، يُمكن لعملية المُعالجة ذات الـ 2 نانومتر المستخدمة في الهواتف المحمولة أن تضاعف عمر بطارية الهواتف المحمولة بأربعة أضعاف مقارنة بعملية تصنيع أو معالجة 7 نانومتر ، مثل iPhone 11 و Samsung Galaxy S10 و  Google.Pixel 5. وذلك استنادًا إلى متوسط الاستخدام، يعني هذا أن الهاتف سيحتاج إلى الشحن مرة واحدة فقط كل أربعة أيام.". بالطبع هذه التصريحات كما أشارت الشركة نفسها هي أرقام نظرية، حيث ان الشركة في الحقيقة ليست حاضرة بشكل كبير في صناعة الهواتف الذكية لنأخذ هذه الأرقام على محمل الجد على أرض الواقع.

ولتوضيح الأمر بشكل أكبر، دعونا نوضح لك كيف نما عدد الترانزستورات داخل رقائق Apple على مر السنين. ولنبدأ هذه القائمة مع معالج A8 من عام 2014 ، والذي حمل في طيّاته 2 مليار ترانزستور وتم تصنيعه باستخدام عقدة تصنيع20nm  . أما بالنسبة لسلسلة هواتف  iPhone 6والتي أتت بعد ذلك بعامين، فقد تم تجهيز معالج A10 Fusion ، الذي تم بناؤه باستخدام عقدة معالجة TSMC 16 نانومتر ، بـ 328 مليار ترانزستور وتم استخدامه مع هواتف أُخرى مثل iPhone 7 و  iPhone 7 Plus.

وبالقفز فترة زمنية أكبر، فقد تم إنتاج شريحة 13 A2019 Bionic باستخدام عقدة تصنيع 7nm من TSMC والتي احتوت على 8.5 مليار ترانزستور. وقد كانت هذه الشريحة هي تلك المستخدمة في نطاق هواتف iPhone 11. ولا يمكننا أن ننسى شريحة A14 Bionic المستخدمة حاليًا ، وهي أول شريحة بدقة تصنيع 5 نانومتر تُستخدم مع هاتف  iPhone، والتي أتت مع 11.8 مليار ترانزستور. تتمتع هذه الشرائح بالقدرة على تشغيل أول هواتف iOS التي تدعم اتصال 5G .

بعد ذلك تأتي شريحة أو معالج  M1، وهو أقوى شريحة من شركة Apple مستخدمة حاليًا مع 16 مليار ترانزستور بداخلها. وعلى الرغم من أنه لم يتم استخدامها مع هواتف iPhone حتى الآن ، فإن مجموعة شرائح M1 هي الشريحة الرئيسية ذات دقة تصنيع 5 نانومتر لآخر أجهزة iPad Pro (2021) وبعض طرازات Mac التي تحتوي على 16 مليار ترانزستور بالداخل. لذا فكما أشرنا في البداية، كلما زاد عدد الترانزستورات في الشريحة ، زادت قوة هذه الشريحة وكفاءتها في استخدام الطاقة.

الجدير بالذكر أيضاً أن هناك بعض الشركات الأُخرى التي قد تُطوّر مُنتجاتها على دقة التصنيع المذكورة. من هذه الشركات يظهر أمامنا كلاً من AMD و NVIDIA اللذان يتوقع الكثيرين أن نرى الأجيال القادمة من البطاقات الرسومية والمُعالجات الخاصة بهما مع تلك الدقة المذكورة. فعلى حسب ما قام المسرب greymon55 بنشره منذ فترة، من المفترض أن تأتي المعمارية الجديدة Ada Lovelace بدقة الـ 5 نانومتر التي ستقوم شركة TSMC بتصنيعها، ويقر أيضاً بأن تصميم هذه المعالجات الرسومية تم العمل عليه بالفعل. المسرب ليس متأكد من نية NVIDIA في استخدام دقة تصنيع الـ N5 أم الـ N5P، لكن من المؤكد أنها ستأتي بدقة تصنيع الـ 5 نانومتر.

أين وصلت شركات التقنية مع دقة تصنيع 3nm

شركة TSMC تقود القافلة

وبالإنتقال لدقة تصنيع 3nm فإن الوضع تقريباً مُشابه إلى حد كبير. فقد قامت آبل وإنتل بحجز طلبات لتصنيع تصميمات الرقائق الخاصة بهما باستخدام أحدث تقنيات الطباعة الحجرية من TSMC بدقة تصنيع 3nm المرتقبة في عام 2022، وذلك وفقًا لمؤشر  Nikkei Asia. وكما أشرنا منذ قليل فشركة Apple هي عميل لمسابك TSMC منذ فترة طويلة، واستخدمتها جنبًا إلى جنب مع Samsung لإنتاج شرائح لأجهزة iPhone و iPad والآن أجهزة  Mac.

ووفقًا لأحد التقارير ، تقوم شركة أشباه الموصلات التايوانية العملاقة بإعداد عقدة 3 نانومتر للإطلاق قبل نهاية النصف الثاني من هذا العام، مع عدم وضوح التاريخ الصحيح للدخول في عملية الإنتاج الكمي. الجدير بالذكر أيضاً أنه من المفترض أن تكون سعة تصنيع الرقاقات المتوقعة للعقدة الجديدة حوالي 30.000 رقاقة في الشهر ، ومع التوسع في السعة المتوقع أن يصل إلى حوالي 105.000 رقاقة في الشهر في عام 2023. وهذا مشابه للأعداد الحالية للشرائح بدقة 5 نانومتر والتي تبلغ القدرة التصنيعية لها 105.000 رقاقة في الشهر ، والتي كانت 90.000 رقاقة قبل بضعة أشهر فقط في الربع الرابع من عام 2020.

ولكن من ناحية أخرى ، فإن شركة Intel ستستخدم قدرات TSMC التصنيعية لإنتاج بعض رقائق المستهلكين الخاصة بها لأول مرة، وهو أمر كانت تقوم به الشركة عادةً في مسابكها الخاصة على الرغم من استخدام TSMC لبعض خطوط إنتاجها الأخرى.  والسبب في ذلك بالطبع كما يعلم الجميع هو تأخر Intel نفسها في عمليات التصنيع التي تأرجحت معها لفترة من الزمن، وهو ما جعلها تلجأ لشركة TSMC لتوفير الوقت والدخول في المنافسة مع AMD حتى وصول مسابكها لمرحلة النضج مع الدقات الجديدة بدلاً من الإنتظار وإعطاء AMD فرصة أكبر للحاق بها.

شركة Apple أحد الزبائن الأكبر

ستحقق رقائق 3 نانومتر الجديدة مكاسب رائعة في الأداء والكفاءة لكل من تصميمات Apple و Intel ، وهذا بالطبع تحسين ناتج عن دقة التصنيع فقط، قبل الأخذ بعين الاعتبار أن الجيل التالي من التحسينات المعمارية في تصميم الشرائح نفسها سيُقدّم هو الآخر المزيد من التحسينات.  فعلى سبيل المثال، ستشهد النسخة القادمة من التحسينات (والتي يُطلق عليها البعض M2 كاسم للنسخة الجديدة من المعالج) مع مُعالج Apple M1 المصطنع على عملية TSMC الحالية 5 نانومتر مكاسب في الأداء تصل إلى 10 إلى 15 بالمائة فقط من خلال التحول إلى عملية تصنيع 3 نانومتر الجديدة.

كما ستشهد مكاسب الكفاءة في إستهلاك الطاقة لـ M1 الذي سينتقل إلى عملية تصنيع 3 نانومتر من 5 نانومتر أيضًا مكاسب في الكفاءة تتراوح من 25 إلى 30 في المائة.  بالطبع هناك بعض الأقاويل التي تُشير أن أبل قد تلجأ لدقة تصنيع 4nm بدلاً من الدقة الأحدث، غير أن بعض التسريبات والتصريحات الأُخرى التي تتحدث عن حجز Apple جزء كبير من القدرة التصنيعية لدقة 3nm قد يعني عكس ذلك.

وعلى كل حال، يُقال إن طلبات Apple للرقائق المصنوعة باستخدام عملية تصنيع  TSMCالأحدث 3 نانومتر تخص واحدًا أو أكثر من أجهزة iPad الخاصة بها. ومع ذلك ، من المتوقع أن توفر بنية الرقاقة الجديدة من Apple أداءً إضافيًا ومكاسب في الكفاءة بالإضافة إلى ما يمكن أن تقدمه عملية 4 نانومتر.  لذا فحقيقة شريحة Apple M2 المستندة إلى A15 والمصنوعة على عملية تصنيع 3 نانومتر أو 4nm لا تزال أمراً يدور في مطحنة الشائعات.

وفي المُقابل، ليس من الواضح بالضبط ما هي الرقاقة أو الرقائق التي تريد Intel أن تصنعها TSMC لها، لكن يُمكننا القول أو الإفتراض أنها ستكون مُنتجات مستندة إلى معمارية x86 على الرغم من أن الشركة أعلنت مؤخرًا عن خطط لبناء أول رقائق RISC-V على أساس تصميمات SiFive ، وقالت إنتل إنها ستصنع على خطوط إنتاج 7 نانومتر الخاصة بها.  وبهذا الصدد تقول مصادر Nikkei Asia أنه قد يكون هناك على الأقل تصميمين مختلفين للشرائح أحدهما يستهدف أجهزة الكمبيوتر المحمولة والآخر على الخوادم.

وبالنظر إلى التوجه الأخير لإنتل مع التصميمات الهجينة التي تسعى الشركة لفرضها على السوق، فإن الكثير من المُراقبين يظن أن الشركة قد تتوجه بشكل أكبر لمعمارية ARM للإستفادة من الميزات الخاصة بها. ولكن في المُقابل، وعلى الرغم من أن تصميمات شرائح x86 ليست فعالة بطبيعتها في استهلاك الطاقة مثل الرقائق القائمة على RISC مثل تلك المصنوعة باستخدام تصميمات Arm ، إلا أن شريحة x86 على عملية 3 نانومتر لا تزال عروضاً قوية.

شركة Samsung تحاول اللحاق بالسباق

خلال المكالمة الجماعية للأرباح في الربع الثاني من العام الحالي، قالت سامسونج إنها تخطط لبدء الإنتاج الضخم للرقائق باستخدام عقدتها العملية من الجيل الأول 3 نانومتر في العام المقبل. وقالت الشركة أيضًا إنها في طريقها لتطوير عقدتها العملية من الجيل الثاني لدقة التصنيع 3 نانومتر للإنتاج الضخم للرقائق في عام 2023. وحيث كشفت الشركة التايوانية TSMC العام الماضي عن خطط لبناء مصنع شرائح بقيمة 12 مليار دولار في ولاية أريزونا الأمريكية، والذي من المتوقع أن يبدأ العمل في عام 2024.  ففي مايو من هذا العام ، أعلنت شركة Samsung عن خطة استثمارية بقيمة 17 مليار دولار لبناء مصنع سبك في أمريكا. وبالرغم من أن سامسونج قد تكون مُتأخرة قليلاً عن TSMC في السبق مع عمليات التصنيع الحديثة، إلا أنها المنافس الوحيد في الوقت الحالي الذي يمتلك القدرة على اللحاق بالعملاق التايواني، حيث أنها هي الشركة الوحيدة التي تستطيع الإنتاج الكمّي للشرائح بدقة تصنيع 5nm بعد TSMC.

شركة Intel

أما بالنسبة لشركة Intel نفسها، فقد أدّت مشكلات عقدة التصنيع الخاصة بها إلى تأخير شرائح 10 نانومتر بشكل متكرر في السنوات الأخيرة،  وهو ما عطّل الشركة بالتالي عن المنافسة في سباق أيّاً من دقات التصنيع الأحدث و الانتقال إلى عقد 7 نانومتر و 5 نانومتر وبالطبع 3nm. وفي حين أن الاستفادة من TSMC لرقائق المستهلكين الخاصة بها قد يكون بمثابة خطوة مريرة تحاول إنتل إبتلاعها كونها تملك مسابكها الخاصة، إلا أنها ستسمح لها بالعودة إلى اللعبة بشرائح مصنعة باستخدام أحدث تقنيات الطباعة الحجرية. ومع قيام إنتل بالاستعانة بمصادر خارجية على الأقل لإنتاج بعض الرقائق الخاصة بها ، فإن ذلك سمح لها بفتح نشاطها الخاص بخدمات السباكة الشبيهة بما تفعله TSMC ، وهو أمر سيُساعد على الحفاظ على إبقاء خطوط الإنتاج الخاصة بها مشغولة على الأقل في صناعة الرقائق ذات دقّات التصنيع الأكبر لأطراف ثالثة.

يأتي التنافس بين TSMC و Samsung في الوقت الذي تحاول فيه الولايات المتحدة تعزيز إنتاجها المحلي من الرقائق لمواجهة النفوذ الصيني المتزايد. وكجزء من هذه الجهود ، أعلنت إنتل في مارس عن خطة استثمارية بقيمة 20 مليار دولار لبناء مصنعين جديدين لتصنيع الرقائق والانطلاق في أعمال السباكة ، وقال المحللون إن دخول إنتل إلى سوق المسابك باستخدام أحدث تقنياتها سوف يتم التعامل معه بشكل خاص.

حيث أن هذه الخطوة قد تُسدد ضربة لشركة Samsung التي تكافح من أجل تضييق الفجوة مع  TSMC. وقال الرئيس التنفيذي لشركة إنتل ، بات غيلسنجر ، الأسبوع الماضي ، إن الشركة تهدف إلى أن تصبح أفضل لاعب في صناعة المسبك في العالم بحلول عام 2025 من خلال الاستثمار بكثافة في هذا العمل. وقال إن الشركة قد ضمنت بالفعل شركة Qualcomm Inc وغيرها من شركات أشباه الموصلات كعملاء لها.