تركز الولايات المتحدة على تنشيط “الشرائح الرقيقة” للبقاء في طليعة التكنولوجيا

لأكثر من 50 عامًا ، استخدم مصممو رقائق الكمبيوتر بشكل أساسي تكتيكًا واحدًا لتعزيز الأداء: لقد قاموا بتقليص المكونات الإلكترونية لتعبئة المزيد من الطاقة على كل قطعة من السيليكون.

ثم منذ أكثر من عقد من الزمان ، بدأ المهندسون في شركة Advanced Micro Devices لصناعة الرقائق في العمل بفكرة جذرية. بدلاً من تصميم معالج دقيق واحد كبير بأعداد هائلة من الترانزستورات الصغيرة ، فقد تصوروا إنشاء معالج واحد من رقائق أصغر يتم تجميعها معًا بإحكام ليعمل مثل دماغ إلكتروني واحد.

هذا المفهوم ، الذي يطلق عليه أحيانًا chiplets ، اشتعل بشكل كبير ، حيث قدمت AMD و Apple و Amazon و Tesla و IBM و Intel مثل هذه المنتجات. اكتسبت Chiplets زخمًا سريعًا لأن تصنيع الرقائق الأصغر أرخص ، بينما يمكن أن تتفوق حزم منها على أداء أي شريحة مفردة من السيليكون.

منذ ذلك الحين ، أصبحت الاستراتيجية ، القائمة على تقنية التغليف المتقدمة ، أداة أساسية لتمكين التقدم في أشباه الموصلات. وهو يمثل أحد أكبر التحولات منذ سنوات في صناعة تقود الابتكارات في مجالات مثل الذكاء الاصطناعي والسيارات ذاتية القيادة والمعدات العسكرية.

قال سوبرامانيان آير ، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس ، الذي ساعد في ريادة مفهوم الرقائق: “التغليف هو المكان الذي سيكون فيه الحدث”. “إنه يحدث لأنه لا توجد طريقة أخرى في الواقع.”

المهم هو أن مثل هذه التعبئة والتغليف ، مثل صنع الرقائق نفسها ، تهيمن عليها بشكل كبير الشركات في آسيا. على الرغم من أن الولايات المتحدة تمثل حوالي 12 في المائة من إنتاج أشباه الموصلات العالمي ، فإن الشركات الأمريكية توفر 3 في المائة فقط من عبوات الرقائق ، وفقًا لاتحاد تجاري IPC.

لقد هبطت هذه القضية الآن في خضم عملية صنع السياسة الصناعية في الولايات المتحدة. يُنظر إلى قانون CHIPS ، وهو حزمة دعم بقيمة 52 مليار دولار مرت الصيف الماضي ، على أنه تحرك الرئيس بايدن لتنشيط صناعة الرقائق المحلية من خلال توفير الأموال لبناء مصانع أكثر تطوراً تسمى “fabs”. لكن جزءًا منه كان يهدف أيضًا إلى تأجيج مصانع التعبئة والتغليف المتقدمة في الولايات المتحدة للاستحواذ على المزيد من هذه العملية الأساسية.

قالت وزيرة التجارة جينا ريموندو ، في خطاب ألقاه في جامعة جورج تاون في فبراير: “مع تقلص حجم الرقائق ، أصبحت الطريقة التي ترتب بها الرقائق ، وهي التغليف ، أكثر أهمية ونحتاج إليها في أمريكا”.

تقبل وزارة التجارة الآن طلبات منح التصنيع من قانون CHIPS ، بما في ذلك مصانع تغليف الرقائق. كما أنها تخصص التمويل لبرنامج بحثي خاص بالتغليف المتقدم.

تتحرك بعض شركات تغليف الرقائق بسرعة للحصول على التمويل. إحداها هي شركة Integra Technologies في ويتشيتا بولاية كانساس ، التي أعلنت عن خطط لتوسيع بقيمة 1.8 مليار دولار هناك ، لكنها قالت إن ذلك مرهون بتلقي الإعانات الفيدرالية. قالت Amkor Technology ، وهي خدمة تغليف في أريزونا لديها معظم عملياتها في آسيا ، إنها تتحدث إلى العملاء والمسؤولين الحكوميين حول وجود إنتاج أمريكي.

رقائق التغليف معًا ليست مفهومًا جديدًا ، والشرائح ليست سوى أحدث تكرار لتلك الفكرة ، باستخدام التطورات التكنولوجية التي تساعد على حشر الرقائق معًا – إما جنبًا إلى جنب أو مكدسة فوق بعضها البعض – جنبًا إلى جنب مع التوصيلات الكهربائية الأسرع بينها .

قال ريتشارد أوتي ، الرئيس التنفيذي لشركة Promex Industries ، وهي خدمة تغليف للرقائق في سانتا كلارا ، بكاليفورنيا: “إن الشيء الفريد في chiplets هو الطريقة التي يتم توصيلها بها كهربائيًا”.

لا تستطيع الرقائق فعل أي شيء بدون وسيلة لتوصيلها بمكونات أخرى ، مما يعني أنها بحاجة إلى وضعها في نوع من العبوات التي يمكنها حمل إشارات كهربائية. تبدأ هذه العملية بعد أن تكمل المصانع المرحلة الأولية من التصنيع ، والتي قد تنتج مئات الرقائق على رقاقة السيليكون. بمجرد تقطيع تلك الرقاقة إلى شرائح ، يتم عادةً ربط الرقائق الفردية بطبقة أساسية أساسية تسمى الركيزة ، والتي يمكنها توصيل الإشارات الكهربائية.

يتم بعد ذلك تغليف هذه التركيبة بالبلاستيك الواقي ، لتشكيل حزمة يمكن توصيلها بلوحة دائرة ضرورية للاتصال بالمكونات الأخرى في النظام.

تطلبت هذه العمليات في الأصل الكثير من العمالة اليدوية ، مما دفع شركات وادي السيليكون إلى تحويل التعبئة والتغليف إلى البلدان ذات الأجور المنخفضة في آسيا منذ أكثر من 50 عامًا. عادةً ما يتم نقل معظم الرقائق إلى خدمات التغليف في دول مثل تايوان وماليزيا وكوريا الجنوبية والصين.

منذ ذلك الحين ، اكتسب التقدم في التعبئة والتغليف أهمية بسبب تناقص العوائد من قانون مور ، وهو التعبير المختصر لتصغير الرقائق الذي أدى لعقود من الزمان إلى التقدم في وادي السيليكون. تم تسميته باسم جوردون مور ، المؤسس المشارك لشركة إنتل ، الذي وصفت ورقته البحثية عام 1965 مدى سرعة الشركات في مضاعفة عدد الترانزستورات على شريحة نموذجية ، مما أدى إلى تحسين الأداء بتكلفة أقل.

لكن في هذه الأيام ، ليست الترانزستورات الأصغر أرخص بالضرورة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن بناء مصانع للرقائق المتطورة يمكن أن يكلف ما بين 10 إلى 20 مليار دولار. تعتبر الرقائق الكبيرة والمعقدة أيضًا مكلفة في التصميم وتميل إلى وجود المزيد من عيوب التصنيع ، حتى مع رغبة الشركات في مجالات مثل الذكاء الاصطناعي التوليدي في الحصول على ترانزستورات أكثر مما يسمح به حاليًا أكبر ماكينات تصنيع الرقائق.

قال أنيرود ديفجان ، الرئيس التنفيذي لشركة Cadence Design Systems ، التي تُستخدم برامجها في تصميم الرقائق التقليدية والمنتجات ذات نمط الرقائق: “الاستجابة الطبيعية لذلك هي وضع المزيد من الأشياء في حزمة واحدة”.

وقالت شركة Synopsys ، وهي شركة منافسة ، إنها كانت تتعقب أكثر من 140 مشروعًا للعملاء بناءً على تغليف عدة شرائح معًا. ما يصل إلى 80 في المائة من المعالجات الدقيقة ستستخدم تصميمات على غرار الرقائق بحلول عام 2027 ، وفقًا لشركة أبحاث السوق Yole Group.

اليوم ، عادةً ما تصمم الشركات جميع وحدات Chiplets في حزمة جنبًا إلى جنب مع تقنية الاتصال الخاصة بها. لكن المجموعات الصناعية تعمل على المعايير الفنية حتى تتمكن الشركات من تجميع المنتجات بسهولة أكبر من الألواح الخشبية التي تأتي من صانعين مختلفين.

تُستخدم التكنولوجيا الجديدة في الغالب الآن لتحقيق الأداء الفائق. طرحت إنتل مؤخرًا معالجًا يسمى Ponte Vecchio مع 47 رقاقة chiplets سيتم استخدامه في كمبيوتر عملاق قوي في مختبر Argonne National Laboratory بالقرب من شيكاغو.

في يناير ، كشفت AMD عن خطط لمنتج غير عادي ، MI300 ، الذي يجمع بين chiplets للحسابات القياسية مع آخرين مصمم لرسومات الكمبيوتر ، إلى جانب مجموعة كبيرة من رقائق الذاكرة. يحتوي هذا المعالج ، الذي يهدف إلى تشغيل كمبيوتر عملاق آخر متقدم في مختبر لورانس ليفرمور الوطني ، على 146 مليار ترانزستور ، مقارنة بعشرات المليارات لمعظم الرقائق التقليدية المتقدمة.

قال Sam Naffziger ، نائب رئيس AMD الأول ، إنه لم يكن من قبيل البطولات الاربع أن تراهن الشركة على أعمالها في مجال الرقائق لأجهزة كمبيوتر الخادم على أجهزة chiplets. وقال إن تعقيدات التغليف كانت عقبة رئيسية ، تم التغلب عليها في النهاية بمساعدة شريك لم يكشف عنه.

لكن chiplets قد أتت ثمارها من أجل AMD. باعت الشركة أكثر من 12 مليون شريحة بناءً على الفكرة منذ عام 2017 ، وفقًا لـ Mercury Research ، وأصبحت لاعباً رئيسياً في المعالجات الدقيقة التي تعمل على تشغيل الويب.

لا تزال خدمات التغليف بحاجة إلى الآخرين لتزويد الركائز التي تتطلبها الألواح الخشبية للاتصال بألواح الدوائر وبعضها البعض. إحدى الشركات التي تقود طفرة الرقائق هي شركة Taiwan Semiconductor Manufacturing Company ، التي تصنع بالفعل رقائق لـ AMD ومئات غيرها وتقدم ركيزة متطورة قائمة على السيليكون تسمى interposer.

تعمل إنتل على تطوير تقنية مماثلة ، بالإضافة إلى تحسين ركائز بلاستيكية تقليدية أقل تكلفة في نهج يفضله البعض مثل شركة وادي السيليكون الناشئة إليان. تعمل إنتل أيضًا على تطوير نماذج تغليف جديدة في إطار برنامج البنتاغون وتأمل في الفوز بدعم قانون CHIPs لمصنع تعبئة تجريبي جديد.

لكن الولايات المتحدة ليس لديها صناع رئيسيون لتلك الركائز ، التي يتم إنتاجها بشكل أساسي في آسيا وتطورت من التقنيات المستخدمة في تصنيع لوحات الدوائر. كما تركت العديد من الشركات الأمريكية هذه الأعمال ، وهناك قلق آخر من أن المجموعات الصناعية تأمل في أن تحفز التمويل الفيدرالي لمساعدة موردي مجالس الإدارة على البدء في صنع ركائز.

في مارس ، أصدر السيد بايدن قرارًا بأن التغليف المتقدم وإنتاج لوحات الدارات الكهربائية المحلية ضروريان للأمن القومي ، وأعلن عن تمويل بقيمة 50 مليون دولار من قانون الإنتاج الدفاعي للشركات الأمريكية والكندية في تلك المجالات.

قال أندرياس أولوفسون ، الذي أدار جهودًا بحثية بوزارة الدفاع في هذا المجال قبل تأسيس شركة تغليف ناشئة تسمى Zero ASIC ، حتى مع مثل هذه الإعانات ، فإن تجميع كل العناصر المطلوبة لتقليل اعتماد الولايات المتحدة على الشركات الآسيوية “يمثل تحديًا كبيرًا”. “ليس لديك موردون. ليس لديك قوة عاملة. ليس لديك معدات. عليك أن تبدأ من الصفر نوعًا ما “.

آنا سوانسون ساهم في إعداد التقارير.