على مدى عقود من الزمان، كان تقلص حجم الترانزستورات سبباً في زيادة هائلة في قوة الحوسبة، ولكن هذه الأيام تقترب من نهايتها. والسؤال الآن هو: إلى أين نذهب الآن؟ إن التصميم ثلاثي الأبعاد يشكل جزءاً رئيسياً من الإجابة.
كيف استمرت أجهزة الكمبيوتر في التزايد بسرعة؟
تتكون معالجات الكمبيوتر كلها من ترانزستورات ـ وهي التي تمكن أجهزة الكمبيوتر من أداء “عمليات منطقية”، أي مقارنة الأرقام والتلاعب بها. وإذا جمعت ما يكفي منها، فسوف تصل في النهاية إلى ما نحن عليه اليوم: أجهزة كمبيوتر قادرة على تسجيل الصوت، والتقاط الصور ومعالجتها، وإجراء العمليات الحسابية، وعرض ألعاب الفيديو، وحتى التحدث إلينا.
بصفة عامة، كلما زاد عدد الترانزستورات لديك، أصبح جهاز الكمبيوتر الخاص بك أكثر ذكاءً وكفاءة.
عندما تم اختراع الترانزستورات لأول مرة (حوالي عام 1950)، كان عرض الترانزستور الواحد حوالي 2 سم (حوالي 1 بوصة) وكان يبدو أشبه بدعامة من فيلم رعب خيال علمي أكثر من كونه قطعة تقنية وظيفية. اليوم، الأمور مختلفة. يبلغ عرض الترانزستورات الحديثة عمومًا أقل من 60 نانومترًا (النانومتر هو واحد على المليار من المتر)، وهو تقليص في الحجم يعادل تقريبًا تقليص حجم القمر إلى حجم الليمون. كانت الترانزستورات تتقلص بشكل موثوق منذ اختراعها لأول مرة، بحيث يتضاعف عدد الترانزستورات التي يمكننا حشرها في مساحة معينة تقريبًا كل 18 إلى 24 شهرًا، وهي الظاهرة التي يطلق عليها عادة قانون مور.
لقد أصبح بوسعنا الآن أن نجمع مليارات الترانزستورات في معالج دقيق بحجم قطعة نقود معدنية، وقد مكن هذا أجهزة الكمبيوتر من التحول من آلات هائلة الحجم تشغل مبانٍ بأكملها إلى أجهزة صغيرة بما يكفي لحملها في جيبك. ولكن هناك مشكلة: الترانزستورات أصبحت أصغر مما ينبغي.
لماذا لا يمكن للترانزستورات أن تصبح أصغر حجمًا؟
مع صغر حجم الترانزستورات، أصبح تصنيعها بشكل موثوق أكثر صعوبة. وحتى أفضل الطرق المتاحة تؤدي إلى إهدار الموارد، رغم أن هذا ليس بالأمر السيئ دائمًا. على سبيل المثال، إذا كنت تحاول تصنيع وحدة معالجة مركزية مكونة من 16 نواة ولم تنجح سوى نصف النوى، فيمكنك ببساطة تعطيل النوى المعيبة وبيعها كوحدة معالجة مركزية مكونة من 8 نوى – دون أي ضرر.
ومع ذلك، في بعض الأحيان تؤثر العيوب على شيء بالغ الأهمية، ويجب التخلص من الجهاز بالكامل. ومع صغر حجم الترانزستورات، أصبحت هذه المشكلة أكثر خطورة.
وبعيداً عن المخاوف المتعلقة بالتصنيع، فإن التأثير الغريب الناجم عن ميكانيكا الكم ـ النفق الكمومي ـ يصبح مشكلة شائعة إلى حد كبير عندما نتحدث عن الدوائر النانوية. ويؤدي النفق الكمومي إلى ذهاب الإلكترونات أحياناً إلى أماكن لا تستطيع الوصول إليها عادة، وهذا يجعل من الصعب إنشاء معالجات تعمل بشكل موثوق.
يمكن أن تصبح الرقائق أوسع لاستيعاب المزيد من الترانزستورات، ولكن هذا يؤدي إلى تفاقم تحديات التصنيع بشكل خطير، ويجعل تصميم الرقائق الدقيقة أكثر تعقيدًا.
إن الجمع بين زيادة صعوبة التصنيع والحدود الأساسية للفيزياء قد يقودنا تقريبًا إلى نهاية قانون مور، ولكن مع الطلب المتزايد على أجهزة كمبيوتر أفضل وأذكى وأسرع، إلى أين نحن ذاهبون؟
الترانزستورات ثلاثية الأبعاد قادمة لإنقاذ قانون مور
إن الترانزستورات الموجودة على شريحة تشبه إلى حد ما مدينة جزيرة تتألف من مباني من طابق واحد. فلا يمكنك أن تجعل المباني صغيرة إلى هذا الحد قبل أن تصبح غير صالحة للاستخدام، ولأنك تعيش على جزيرة، فلا يمكنك أن تمتد إلى الخارج إلى الأبد. ومثلها كمثل المدن الجزرية، يجري تصميم الترانزستورات الحديثة للاستفادة من المساحة الرأسية. فبدلاً من ربطها في مستوى مستو، يمكن ترتيبها رأسياً معاً للسماح بترتيب “الأشياء” في نفس المساحة.
CFET هو أحد التصميمات ثلاثية الأبعاد التي من المرجح أن نراها بحلول أوائل ثلاثينيات القرن الحادي والعشرين أو نحو ذلك.
“التوسع،” س. لياو وآخرون، TSMC)
ولكن مهما كنا أذكياء في تصميم الترانزستورات في المستقبل، فلا مفر من حقيقة مفادها أن نهاية قانون مور تقترب في وقت أقرب مما يتمنى أي شخص. والترانزستورات ثلاثية الأبعاد هي إحدى الطرق التي يمكننا من خلالها تجنب المشكلة مؤقتًا، ولكنها ليست سوى جزء من الصورة. وهناك تركيز أكبر على تصميم المعالجات التي تتفوق في مهام محددة ــ مثل وحدات المعالجة العصبية (NPUs) مع تطبيقات الذكاء الاصطناعي ــ لتعظيم الأداء. وهناك أيضًا احتمال أن تتمتع المواد الجديدة بخصائص أفضل تسمح للترانزستورات من الجيل التالي بالانكماش بشكل أكبر، أو أن يؤدي الاختراق في الحوسبة الكمومية إلى جعلها أكثر فائدة للتطبيقات اليومية، ولكن لا توجد ضمانات. وهذه خيارات قد تكون محدودة في نهاية المطاف بقوانين الفيزياء.