كان قانون CHIPS والعلوم الذي أقرته الولايات المتحدة العام الماضي خطوة أولى مهمة نحو تنشيط إنتاج أشباه الموصلات المحلي. تناقش المقالة بعض الأهداف المتوخاة لهذا البرنامج في وثيقة “رؤية للنجاح: مرافق التصنيع التجاري” التي نشرتها المعاهد الوطنية للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في 28 فبراير 2023.
خلفية
تعتبر رقائق أشباه الموصلات جزءًا أساسيًا من أي بلد متقدم تقنيًا. يتضمن كل جانب من جوانب الحياة الحديثة تقريبًا هذه الرقائق ، من الهواتف الذكية وشبكات الهاتف المحمول والأجهزة المنزلية والسيارات والنقل التجاري والأجهزة الطبية وتوليد الطاقة وتوزيعها والدفاع العسكري وما إلى ذلك لتحفيز إنتاج الرقائق المحلية ، خصص قانون CHIPS 52.7 مليار دولار في تمويل وزارة التجارة الأمريكية ووزارة الدفاع ووزارة الخارجية والمؤسسة الوطنية للعلوم. مكتب برنامج CHIPS في وزارة التجارة مسؤول عن تخصيص 39 مليار دولار لدعم إنتاج أشباه الموصلات داخل الولايات المتحدة وهو جزء من NIST. تم فتح فرص التمويل الأولية في وقت سابق من هذا العام لبناء وتوسيع وتحديث المرافق التي تخلق تصنيعًا أماميًا وخلفيًا لأشباه الموصلات في العديد من القطاعات الرئيسية التي سيتم تفصيلها أدناه.
رؤية للنجاح
توضح وثيقة الرؤية للنجاح التي نشرتها NIST بالتفصيل بعض الأهداف لإدارة التمويل الأولي بموجب قانون CHIPS. سيتم إبراز أربع فئات مميزة في هذا المستند.
منطق رائد
تشكل الرقائق المنطقية المتقدمة المتطورة العقول الحاسوبية الأساسية للرقائق المستخدمة في الهواتف الذكية والخوادم وأجهزة الكمبيوتر العملاقة. هذه أجزاء مهمة من البنية التحتية للولايات المتحدة بالإضافة إلى دفاعها العسكري. تعتمد التقنيات الرئيسية في المستقبل مثل الذكاء الاصطناعي (AI) والتكنولوجيا الحيوية على كميات كبيرة من العمليات الحسابية عالية السرعة التي يتم تمكينها بواسطة هذه الرقائق. إن التعريف الدقيق للميزة الرائدة من حيث العقدة التكنولوجية غير واضح ، ولكن معظم أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية الحديثة تستخدم تقنيات فرعية 28 نانومتر ، حيث ينتج أكبر مسبك TSMC في العالم 7 نانومتر وتنتج سامسونج الآن شرائح 3 نانومتر. يتيح تقليص الحد الأدنى لحجم الميزة بعض الفوائد الأساسية مثل السرعات العالية و / أو تقليل استهلاك الطاقة وزيادة كثافة البوابة.
لقد نجح نموذج أعمال مسبك اللعب الخالص الذي اعتمدته العديد من شركات تصنيع الرقائق في آسيا في توليد طلب كبير على هذه الشركات حيث اتبعت العديد من شركات الرقائق في الولايات المتحدة نهج fabless. ساعدت الدورة الإيجابية للاستثمارات الكبيرة للدخل المكتسب في البحث والتطوير هذه المسابك على قيادة الطريق في تطوير عقد التكنولوجيا المتقدمة. ونتيجة لذلك ، فإن معظم إنتاج الرقائق المنطقية المتقدمة يتم حاليًا في هذه المسابك الآسيوية.
حدد مكتب برنامج CHIPS الهدف المتمثل في امتلاك الولايات المتحدة على الأقل مجموعتين جديدتين واسعتي النطاق من الوحدات المنطقية الرائدة. يمكن أن تكون المجموعة عبارة عن فابس متعددة في منطقة مدمجة جغرافيًا. ستتمتع هذه المجموعات بمجموعة المهارات والمرافق لتطوير التوسع المستمر والبحث والتطوير. سيتم تشجيع شركات Fabless داخل الولايات المتحدة على شراء الرقائق من هذه المجموعات ، مما يؤدي إلى زيادة الطلب والحفاظ على هذه المنتجات الجاهزة. بالإضافة إلى ذلك ، سيتمكن الجيش الأمريكي من الوصول إلى رقائق آمنة مصنوعة في هذه القوات المسلحة البوروندية ، مما يضمن إمدادات مستقرة لهذه الحاجة الماسة. يعطي الشكل 1 مثالًا تصويريًا لما يمكن أن تبدو عليه مجموعة الفاب.
تغليف متقدم
التجميع والاختبار والتعبئة (ATP) ضرورية لعملية تصنيع رقاقة أشباه الموصلات الخلفية. اليوم ، كما هو الحال بالنسبة للواجهة الأمامية المتقدمة ، توجد معظم منشآت ATP في آسيا. لن يتم إعطاء الأولوية للتغليف التقليدي ، المستخدم في معظم الرقائق التجارية ، ضمن هذه الأهداف التي حددتها NIST. وبدلاً من ذلك ، سيدعم مكتب البرنامج العمل الجاري لضمان الإنتاج مع الحلفاء والشركاء في المرافق الموجودة في آسيا وضمان القدرة الكافية. سوف يستثمر مكتب البرنامج في تطوير مرافق تعبئة متطورة للرقائق محليًا. تتضمن التعبئة والتغليف المتقدمة استخدام تقنيات ومواد جديدة لزيادة الأداء ، والنمطية ، وقدرة الطاقة ، وأداء المنطق المتقدم ، والذاكرة ، ورقائق أشباه موصلات الطاقة.
الهدف المتصور في تقرير NIST Vision for Success هو أن تمتلك الولايات المتحدة العديد من مرافق التعبئة والتغليف المتقدمة ذات الحجم الكبير ، بقيادة كل من مصنعي الأجهزة وكذلك شركات التجميع والاختبار. سيكون لدى مصنعي الرقائق في الولايات المتحدة خيارات لاستخدام مرافق التعبئة والتغليف المتقدمة هذه أو تلك الموجودة على مستوى العالم في البلدان الحليفة.
ذاكرة رائدة
على عكس الرقائق المنطقية ، تعتبر رقائق الذاكرة عملاً سلعيًا. يجعل التوحيد القياسي وقابلية التشغيل البيني الأجهزة أقل ملكية ، وبالتالي فهي تواجه ضغوطًا قوية على الأسعار. يمكن للأحجام الكبيرة والتكنولوجيا المتطورة ضمان نجاح الأعمال.
هدف مكتب برنامج CHIPS هو أنه بحلول نهاية العقد ، سيكون لدى الولايات المتحدة إنتاج كبير لشرائح DRAM يكون منافسًا اقتصاديًا. تعد أجهزة DRAM عالية الكثافة ضرورية لتقنيات الجيل التالي مثل الحوسبة الفائقة. يعد الابتكار في تكنولوجيا التغليف ، بما في ذلك التغليف المشترك للذاكرة الحيوية والرقائق المنطقية ، جانبًا مهمًا آخر من جوانب التطوير.
رقائق الجيل الحالي والعقدة الناضجة والمتخصصة
تعتمد تقنيات السيارات والطبية والفضاء والصناعية بشكل كبير على عقد تقنية الأجهزة الناضجة ، والتي يمكن تعريفها على أنها ذات حجم ميزة أدنى> 90 نانومتر ، وفي كثير من الحالات يتجاوز 180 نانومتر (انظر الشكل 2). سلط جائحة COVID-19 الضوء على هشاشة سلاسل التوريد المتعلقة بإنتاجها ، مما أدى إلى نقص وزيادة الأسعار في السيارات والمعدات الطبية والمنتجات المنزلية مثل فتحات أبواب المرآب وما إلى ذلك. تمثل شرق آسيا مرة أخرى غالبية الإنتاج العالمي. غالبًا ما تكون هذه المنتجات القديمة غير قابلة للتبديل بين مختلف مصنعي الرقائق ، مما يؤدي إلى اختناقات محتملة.
يهدف مكتب برنامج CHIPS إلى زيادة إنتاج شرائح العقد الناضجة من الجيل الحالي والتي تعتبر أكثر أهمية بالنسبة للأمن الاقتصادي والوطني للولايات المتحدة ، بما في ذلك في تطبيقات مثل الدفاع والطب والسيارات والفضاء. ويشمل ذلك أيضًا العمل مع جميع البلدان والشركاء لزيادة إنتاج الرقائق وتحسين سلسلة التوريد مع تنسيق الجهود لتقليل مخاطر الإنتاج الزائد. تعتبر خطوط التصنيع المرنة ، التي يمكن تحويلها لإنتاج بعض منتجات العقد الناضجة بناءً على قيود السعة ، هدفًا أيضًا.
تلعب أشباه الموصلات المركبة مثل كربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN) دورًا حيويًا متزايدًا في التقنيات الخضراء الناشئة ، بما في ذلك المركبات الكهربائية (EVs) والبنية التحتية المرتبطة بها للشحن والبنية التحتية لشبكة الطاقة وتحويل الطاقة المتجددة والتخزين. أجهزة SiC و GaN أيضًا بشكل بارز في بعض تطبيقات تحويل الطاقة المدنية والدفاعية وتطبيقات الاتصالات اللاسلكية. إن عازل السيليكون المستنفد بالكامل (FDSOI) هو تقنية مهمة أخرى لتطبيقات الدفاع. يشجع مكتب برنامج CHIPS المزيد من الاستثمارات في هذه التقنيات الهامة.
الاستنتاجات
بالإضافة إلى الأهداف المذكورة أعلاه ، سيطلق مكتب برنامج CHIPS فرص تمويل منفصلة في عام 2023 لمرافق المواد ومعدات التصنيع ومنشآت البحث والتطوير. هذه تشكل جزءًا أساسيًا من البنية التحتية الجديدة للقوات المسلحة البوروندية. ستصدر وزارة التجارة الأمريكية أيضًا استراتيجية لإنشاء المركز الوطني لتكنولوجيا أشباه الموصلات ، والذي تم تخصيص 11 مليار دولار له وفقًا لقانون CHIPS الذي تم تمريره العام الماضي. سيتم أيضًا إنشاء وزارة الدفاع الإلكترونيات الدقيقة ، والتي ستتمثل أهدافها في تمكين الانتقال من المختبر إلى المختبر لابتكارات البحث والتطوير. الهدف طويل المدى هو الحصول على بنية تحتية محلية لإنتاج الرقائق تكون قادرة على المنافسة اقتصاديًا وتقنيًا ، وتعزز مرونة سلسلة التوريد ، وتبني القيادة التكنولوجية للولايات المتحدة.
