نقلة “ATOM2CHIP” تمهّد لعصر الإلكترونيات الذرريّة

لماذا ننظر إلى ما وراء السيليكون؟

لقد ظلت شرائح السيليكون حجر الأساس في الحوسبة لعدة عقود، لكنها تقترب اليوم من حدودها الفيزيائية من حيث التصغير وتحرير الطاقة. عند مقايضة الأداء بالطاقة، يبرز السؤال: كيف نواصل التطور بعد أن اقتربنا من حدّ النانومتر؟

هنا تأتي المواد ثنائية الأبعاد — مثل طبقات أحادية الذرّة — كمرشحة واعدة. هذه المواد تتميز بأنها نحيفة للغاية وتُظهر خصائص كهروإلكترونية فريدة لا تُتاح في المواد التقليدية. لكن الانتقال من تجارب مختبرية إلى تصنيع فعلي على شرائح السيليكون أعاقت تطبيقها في الأجهزة العملية.

في هذا السياق، قدَّم فريق بحثي بجامعة فودان إنجازًا عمليًا يُدعى ATOM2CHIP، يخوّل دمج هذه المواد الذرية مع البنية السيليكونية التقليدية بطريقة وظيفية وقابلة للتطبيق. وقد رُقِد هذا الإنجاز في شريحة ذاكرة فلاش متكاملة.

دمج المواد الذرية والشرائح السيليكونية: الإنجاز والتفاصيل التقنية

1. ما هو ATOM2CHIP ببساطة؟

تقنية ATOM2CHIP — أو “من الجهاز الذري إلى الشريحة” — تمثّل منهجاً متكاملاً لدمج مكون ذي طبقة ذرية مفردة (2D) مع شريحة CMOS سيليكون. الفكرة الأساسية هي أن يُدمَج جزء الذاكرة الذرية مباشرة على سطح السيليكون، بحيث تعمل الذرات كخلايا ذاكرة متطورة، دون أن تُعطّل البنية الأساسية للرقاقة السيليكونية.

2. التحديات التي تواجه الدمج وكيف تغلّبوا عليها

• خشونة سطح السيليكون: سطح الرقاقة السيليكونية غير مستوٍ بدرجة النانومتر، في حين أن المادة الذرية تكون شديدة الحساسية حتى لتغيّر طفيف.
• الإجهاد الميكانيكي والقصّ: إذا وُضِعت المادة الذرية على سطح متعرج، قد تتشوه أو تتمزّق.
• التوافق الكهربائي والمنطقي: المواد الذرية تعمل بمبادئ مختلفة أحيانًا، ويكون من الصعب جعلها “تتحدّث” نفس لغة دوائر CMOS التقليدية.
• التغليف والحماية: أثناء التعبئة والتغليف، الحرارة أو الشحنات الكهروستاتيكية يمكن أن تدمر المادة الذرية الدقيقة.

لقد اعتمد فريق فودان عدة حلول مبتكرة:

• عملية الالتصاق المطابقة (conformal adhesion) التي تسمح للمادة الذرية أن تلتف فوق تضاريس السطح السيليكوني بسلاسة دون انقطاع أو تشقّق.
• هندسة التغليف الخاصة التي تقلل الإجهاد الحراري والميكانيكي، مع حماية من الشحنات الكهربية (ESD).
• تصميم معياري ثلاثي الأبعاد لتحويل الفوارق بين المواد إلى واجهات تنسيقية بدلاً من كونها عائقًا مباشرًا.
• تصميم متكامل عبر المنصات (cross-platform) يربط الإشارات بين الذرات ودوائر CMOS، مع مراعاة فروق الجهد والممانعة والتوقيت

3. نتائج الأداء: ما الذي حقّقوه عمليًا؟

الشريحة التي أنتجوها هي شريحة ذاكرة فلاش NOR بسعة 1 كيلوبايت، مدمجة مع منطق CMOS للتحكّم الكامل. وهي ليست مجرد تجربة أوليّة، بل شريحة متكاملة.

إليك أبرز بيانات الأداء:

من الجدير بالذكر أن هذه الأرقام تتجاوز كثيرًا قدرات بعض رقائق الفلاش التقليدية من حيث الكفاءة والطاقة المطلوبة.

لماذا يُعد الإنجاز ثوريًا؟

أ. التقدّم من المختبر إلى النظام

حتى الآن، معظم الأبحاث في المواد الثنائية الأبعاد كانت محصورة في تجارب موضعيّة أو شرائح بسيطة منفصلة، وليس ضمن بنية متكاملة. إنجاز فودان هو خطوة نادرة تُظهِر إمكانية تفعيل المواد الذرية داخل هيكل معياري كامل يتضمّن معالجة وإدارة الذواكر.

ب. كفاءة أعلى بحجم أصغر

التحوّل إلى المواد الذرية يعني أنك تستخدم أقل قدر ممكن من المادة للحصول على وظيفة ما. وهذا يتيح تقليل الحجم، وخفض الطاقة، وزيادة الكثافة بشكل يفوق الكثير من تقنيات النانو المعتادة.

ج. مواصلة “قانون مور” بمفهوم جديد

عندما تصبح الشرائح تُبنى على مستوى الذرات، يصبح التحدي ليس في الزّوم (التصغير)، بل في إعادة التفكير بالهندسة من الأساس. هذا الإنجاز يُعدّ تجسيدًا لما قد يُصبح معيارًا جديدًا بعد عصور السيليكون.

د. فتح الباب لتطبيقات جديدة

هذا النوع من الشرائح يمكن أن يُستخدم في:

• الأجهزة القابلة للارتداء فائقة الرقة ببطاريات تدوم طويلاً
• وحدات ذكية مدمجة في النسيج أو الجلد
• وحدات معالجة ذكاء اصطناعي صغيرة وفعالة
• ذاكرات متطورة للمركّبات الفضائية أو الأجهزة التي تتطلّب كفاءة طاقة عالية

نقاط القلق والتحديات التي لا تزال قائمة

• تكلفة التصنيع الضخم: تقنيات الدمج الذري متطورة وصعبة، وقد تكون مكلفة لتطبيقها على نطاق صناعي واسع.
• التكرارية والموثوقية في الإنتاج الكبير: الحفاظ على جودة عالية عبر ملايين الرقائق يحتاج ضمانات ضخمة.
• التحوّل الصناعي: المصنّعون يحتاجون إلى تكييف خطوط الإنتاج والتكنولوجيا لتأييد المواد الذرية.
• التوافق مع المعالجات والمنطق المعقد: حتى الآن يُركّزون على الذواكر، لكن دمج وحدات معالجة مستقلة (CPU، GPU) يواجه تعقيدات أكبر.
• التحوّل في معايير الصناعة: يجب أن تتغيّر المعايير والمواصفات لتضم هذا النوع من الشرائح، وهو أمر يحتاج إلى موافقات ومعايير دولية.

ما أهمية هذا الإنجاز لنا كقراء؟

ما حققه فريق فودان ليس مجرد خطوة تقنية، بل نقطة تحوّل في تاريخ الإلكترونيات. لقد بدأنا ندخل عصر الذكاء الذري، حيث البناء على مستوى الذرات سيصبح القاعدة، لا الاستثناء.

كمهتم بالتكنولوجيا أو كمستخدم نهائي، هذا يعني:

• أجهزة أصغر وأخفّ وأكثر كفاءة
• استهلاك طاقة أقل، مما يطيل عمر البطاريات
• إمكانيات ذكاء اصطناعي مضمّنة في أماكن صغيرة
• قد نرى في المستقبل القريب أجهزة تعمل بدون تبريد نشط أو مع حرارة منخفضة

لكن هذا الأمر لن يتحقق بين ليلة وضحاها؛ الطريق طويل من المختبر إلى الهاتف الذكي أو الكمبيوتر المحمول الذي نحمله اليوم.

المصدر:

مجلة Nature.