با اینکه آینده صنعت نیمه‌هادی روشن به نظر می‌رسد، اما هیچ‌کس با قطعیت نمی‌داند که به کدام سمت پیش خواهد رفت. جهت حرکت این صنعت به عوامل زیادی بستگی دارد. این مقاله به طور مختصر به چندین مورد از این عوامل پرداخته است که شامل موارد زیر می‌شود:
- آزمایش‌های جدید بر روی مواد نیمه‌هادی
- افزایش قیمت فلزات کمیاب
- پذیرش سریع‌تر فناوری‌های جدید در هوش مصنوعی (AI)، اینترنت اشیا (IoT) و حوزه‌های مرتبط
این عوامل و سایر موارد، بی‌تردید بر فروش صنعت نیمه‌هادی تأثیر خواهند گذاشت، فرصت‌هایی ایجاد خواهند کرد و چالش‌های جدیدی را به وجود خواهند آورد. امید است که با ارائه اطلاعاتی که در مقاله می‌آید، بازیگران اصلی و ذی‌نفعان بتوانند تصمیمات راهبردی بهتری بگیرند که در آینده به نفع کل صنعت نیمه‌هادی‌ها خواهد بود.
مواد رایج نیمه‌هادی و پیشرفت‌های اخیر
نیمه‌هادی‌ها ویژگی منحصربه‌فردی دارند که می‌توانند بسته به شرایط محیطی به‌عنوان عایق یا رسانا عمل کنند. دما، نور، جریان الکتریکی یا حتی میدان‌های الکتریکی می‌توانند بر خواص یک نیمه‌هادی تأثیر بگذارند. تعداد الکترون‌های ظرفیت در لایه الکترونی یک نیمه‌هادی، تعیین‌کننده قابلیت هدایت آن است.
این ویژگی خاص باعث شده است که نیمه‌هادی‌ها در فناوری‌های نوظهور نقش محوری داشته باشند و آینده صنعت نیمه‌هادی ها روشن باشد. بدون نیمه‌هادی‌ها، مدارهای مجتمع، ترانزیستورها، سلول‌های خورشیدی و بسیاری از مواد محاسباتی دیگر عملاً وجود نخواهند داشت. به همین دلیل، مواد نیمه‌هادی تأثیر بسزایی بر زنجیره تأمین محصولات محاسباتی و الکترونیکی دارند.
مواد نیمه‌هادی رایج
به طور سنتی، تولیدکنندگان از یکی از سه ماده نیمه‌هادی رایج استفاده کرده‌اند:
- ژرمانیوم
- سیلیکون
- و آرسنید گالیوم
ژرمانیوم که در سال 1886 کشف شد، نخستین نیمه‌هادی محسوب می‌شود. اما بعد از اینکه کشف شد سیلیکون هزینه بسیار کمتری دارد، ژرمانیوم از محبوبیت افتاد.
چهار الکترون ظرفیت سیلیکون به آن اجازه می‌دهد تا در دماهای بالا جریان الکتریسیته را هدایت کند. علاوه بر این، سیلیکون دومین عنصر فراوان در زمین است که آن را به پرکاربردترین ماده نیمه‌هادی تبدیل کرده است. سیلیکون همچنین در حالت بلوری خود، یعنی دی‌اکسید سیلیکون، خواص مکانیکی قوی‌ای دارد.
هنگامی که تولیدکنندگان نیاز به تقویت سیگنال‌های فرکانس بالا دارند، از ترکیبی به نام آرسنید گالیوم استفاده می‌کنند. اگرچه آرسنید گالیوم نیمه‌هادی قدرتمندی است، اما تولید آن نسبت به گزینه‌های دیگر بسیار گران‌تر است.
پیشرفت‌های اخیر در مواد نیمه‌هادی
در دهه‌های اخیر، دانشمندان در نوآوری‌های نیمه‌هادی پیشرفت‌های قابل توجهی داشته‌اند. پژوهشگران همواره با قانون مور همراه بوده‌اند؛ قانونی که می‌گوید تعداد مدارها روی یک میکروچیپ هر دو سال دو برابر می‌شود. آنها با آزمایش بر روی انواع مواد نیمه‌هادی به این هدف دست یافته‌اند.
برای مثال، دانشمندان دوباره به استفاده از ژرمانیوم برای فناوری ترانزیستور توجه نشان داده‌اند. الکترون‌ها در ژرمانیوم چهار برابر سریع‌تر از سیلیکون حرکت می‌کنند و این امکان را فراهم می‌کند که سرعت بیشتری حاصل شود. علاوه بر این، تولیدکنندگان روی مواد نیمه‌هادی زیر نیز آزمایش‌هایی انجام داده‌اند:
- اکسید قلع (Tin oxide)
- نیترید گالیوم با قدرت بالا (High-power gallium nitride)
- مواد مبتنی بر آنتیمونید و بیسموتید (Antimonide-based and bismuthide-based materials)
- گرافن (Graphene)
- پیریت (Pyrite)
نحوه تولید دستگاه‌های نیمه‌هادی و تأمین مواد اولیه
فرآیند تولید دستگاه‌های نیمه‌هادی شامل صدها مرحله مختلف است. تولیدکنندگان نیمه‌هادی باید دقت و مهارت بالایی را در ساخت تراشه‌های نیمه‌هادی، ترانزیستورها و سایر محصولات نیمه‌هادی به کار گیرند. این فرآیند نیازمند هماهنگی پیچیده‌ای از تجهیزات و تکنیک‌هاست تا محصولات با کیفیت و کارآمد تولید شوند.
فرآیند ساخت دستگاه‌های نیمه‌هادی
برای تولید یک دستگاه نیمه‌هادی، تولیدکنندگان ابتدا باید یک «شمش (ingot)» نیمه‌هادی را گرم، برش، آسیاب و صیقل دهند تا آن را به شکلی نازک و شبیه به ویفر تبدیل کنند. سپس ویفر وارد فرآیندی به نام ماسک‌گذاری فوتورزیست می‌شود. در این مرحله، مدارهای بسیار پیچیده‌ای روی ویفر اعمال می‌شود که تکمیل آن ممکن است چندین ماه طول بکشد.
پس از آن، تولیدکنندگان ویفر را به فرآیند اچ شیمیایی وارد می‌کنند. این فرآیند باعث انتشار نواحی‌ای می‌شود که توسط فیلم فوتورزیست پوشش داده نشده‌اند. در نهایت، ویفر تحت فرآیند «دوپینگ (Doping)» قرار می‌گیرد. در این مرحله، عنصرهایی مانند بور یا فسفر به نیمه‌هادی اضافه می‌شوند تا هدایت الکتریکی آن تغییر کند.
تولیدکنندگان باید این مراحل را چندین بار تکرار کنند تا لایه‌های مختلفی که یک نیمه‌هادی را تشکیل می‌دهند، به طور کامل تکمیل شوند.
فلزات نادر و صنعت نیمه‌هادی
تولید نیمه‌هادی‌ها به موادی به نام فلزات کمیاب (Rare earth metal) بستگی دارد. این مواد نقش حیاتی در تولید بیشتر دستگاه‌های الکترونیکی ایفا می‌کنند. چین تقریباً تولید این فلزات را به انحصار خود درآورده است. با این حال، به دلیل تنش‌های تجاری میان ایالات متحده و چین، قیمت این فلزات افزایش یافته است.
بدون شک، این افزایش قیمت بر هر مرحله بعدی در زنجیره تأمین نیمه‌هادی‌ها نیز تأثیر می‌گذارد. تنها گذر زمان نشان خواهد داد که این تأثیرات در درازمدت چه اثری بر رهبران صنعت نیمه‌هادی‌ها خواهد داشت.
رهبران برجسته امروز و آینده صنعت نیمه‌هادی
نیمه‌هادی‌ها به دلیل ارتباط با صنعتی چند میلیارد دلاری، تنش‌های اقتصادی و سیاسی زیادی ایجاد می‌کنند. در حالی که ایالات متحده به‌طور تاریخی رهبری صنعت نیمه‌هادی را حفظ کرده است، رقبای بیشتری در کشورهای دیگر ظهور کرده‌اند.
رهبری آمریکا در بازار نیمه‌هادی‌ها
طبق گزارش انجمن صنعت نیمه‌هادی (SIA)، ایالات متحده 46 درصد از سهم بازار جهانی فروش نیمه‌هادی‌ها را در اختیار دارد. شرکت‌های زیر به ترتیب سهم بازار در سال 2020، پنج رهبر برتر صنعت نیمه‌هادی‌ها هستند:
- اینتل (241.88 میلیارد دلار)
- سامسونگ (221.6 میلیارد دلار)
- انویدیا (152.88 میلیارد دلار)
- Texas Instruments (113.83 میلیارد دلار)
- Broadcom (108.13 میلیارد دلار)
از میان این شرکت‌ها، سامسونگ در کره جنوبی مستقر است و سایر شرکت‌ها در ایالات متحده قرار دارند. اگرچه ایالات متحده همچنان برتری خود را در صنعت نیمه‌رسانا حفظ کرده و به عنوان یکی از پیشتازان این حوزه شناخته می‌شود، در سال 2019 کارشناسان و تحلیلگران حوزه فناوری توجه ویژه‌ای به چین به‌عنوان بازیگر بزرگ بعدی در این صنعت کردند. این توجه به دلیل رشد چشمگیر و سریع فناوری در چین و سرمایه‌گذاری‌های گسترده‌ای بود که دولت و بخش خصوصی در تحقیق و توسعه صورت داده بودند.
چین با هدف کاهش وابستگی به واردات فناوری و قطعات نیمه‌رسانا، برنامه‌هایی را برای توسعه توانمندی‌های داخلی خود در این حوزه آغاز کرده است. شرکت‌های بزرگی مانند سیلیکون ویلی و دیگر کمپانی‌های چینی با دریافت حمایت‌های مالی و تسهیلات دولت، به شدت در تلاش برای نوآوری و پیشرفت در صنعت نیمه‌رسانا هستند.
تحولات در فناوری و کاربردهای نیمه‌هادی
با اشباع بازار گوشی‌های هوشمند، نوآوران باید به دنبال فناوری‌ها و کاربردهای جدید نیمه‌هادی باشند تا سودآوری بلندمدت خود را افزایش دهند.
هوش مصنوعی، اینترنت اشیا و رشد فناوری‌های نیمه‌هادی
آینده صنعت نیمه‌هادی و هوش مصنوعی به طرز قابل توجهی به هم وابستهاند. به طور خاص هوش مصنوعی مولد پیشران صنعت نیمه‌هادی خواهد بود. هوش مصنوعی (AI) و اینترنت اشیا (IoT) موج جدیدی از نوآوری را در صنعت نیمه‌هادی ایجاد کرده‌اند. تولیدکنندگانی که بتوانند نیازهای هر دو حوزه AI و IoT را در تأمین تراشه‌های نیمه‌هادی برآورده کنند، احتمالاً در بازارهای آینده جایگاه برتری خواهند داشت.
علاوه بر این، پیاده‌سازی شبکه‌های نسل پنجم (5G) و نسل ششم (6G) همزمان با افزایش تقاضا برای دستگاه‌های محاسباتی سریع‌تر و با کارایی بالاتر صورت گرفته است. تولیدکنندگان نیمه‌هادی فرصت‌های بزرگی برای ورود به این بازار جدید دارند، به شرطی که نوآوری بتواند با تقاضای مصرف‌کنندگان همگام باشد.
در نهایت، فناوری‌های نیمه‌هادی به پژوهشگران این امکان را داده است که از دستگاه‌های تشخیص بمب تا عینک‌های هوشمند را توسعه دهند. طبق گزارش IRDS™، نیمه‌هادی‌ها بر همه چیز از مراکز داده و خانه‌ها و شهرهای هوشمند گرفته تا شبکه‌های پرسرعت و صنعت خودروسازی تأثیر می‌گذارند.
همکاری نیمه‌هادی‌ها و هوش مصنوعی در کاربردهای آینده
به این موضوع در مقاله‌های «نیمه‌هادی‌ها و هوش مصنوعی» و «تأثیر هوش مصنوعی مولد در صنعت نیمه‌هادی» مفصل پرداخته‌ایم. صنعت هوش مصنوعی (AI) از زمان توسعه اولیه آن در دهه ۱۹۵۰ به سرعت رشد کرده است. مخلص کلام اینکه در آینده صنعت نیمه‌هادی و هوش مصنوعی باید به طور همزمان تکامل یابند تا به حداکثر سودآوری برسند.
کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند که ارزش بازار هوش مصنوعی تا سال ۲۰۲۷ به ۷۳۳.۷ میلیارد دلار برسد. این رشد بدون شک تقاضا برای مدارهای مجتمع، پردازنده‌ها و حسگرهای پیشرفته را افزایش خواهد داد که همگی به آینده صنعت نیمه‌هادی وابسته هستند.
رشد هوش مصنوعی و تأثیر آن بر بخش نیمه‌هادی
از آنجا که هوش مصنوعی به رایانه‌ها این امکان را می‌دهد که «فکر کنند» و «یاد بگیرند»، فناوری نیمه‌هادی باید برای این نیازهای منحصر به فرد تطبیق یابد. به جای اولویت دادن به سرعت و قدرت، تولیدکنندگان نیمه‌هادی باید تمرکز خود را بر کارایی معطوف کنند.
در حال حاضر، پژوهشگران تراشه‌هایی ساخته‌اند که شبیه به سیناپس‌های انسانی عمل می‌کنند و به‌جای اینکه به طور مداوم روشن بمانند تنها در صورت نیاز فعال می‌شوند. علاوه بر این، فناوری حافظه غیر فرار (Nonvolatile) امکان ذخیره‌سازی داده‌ها حتی در حالت خاموش را فراهم می‌کند. ترکیب این فناوری با منطق پردازش، به تراشه‌ها اجازه می‌دهد تا خود را با نیازهای هوش مصنوعی تطبیق دهند.
با این حال، تراشه‌های هوش مصنوعی فعلی نسبتاً بزرگ و پرهزینه هستند. برای اینکه محصولات هوش مصنوعی برای مصرف‌کنندگان روزمره قابل استفاده باشند، نیاز به نوآوری بیشتری در این حوزه وجود دارد.
صنایع هوش مصنوعی تحت تأثیر فناوری نیمه‌هادی
در آینده، هوش مصنوعی به طور اجتناب‌ناپذیری روش کار دنیای ما را تغییر خواهد داد. در حال حاضر، پژوهشگران و توسعه‌دهندگان هوش مصنوعی به طور قابل توجهی بازارهای زیر را تحت تأثیر قرار داده‌اند:
- صنعت خودرو
- خدمات مالی
- بهداشت و درمان
- رسانه‌ها
- خرده‌فروشی
- صنعت
- ساخت‌وساز
- و کشاورزی
هوش مصنوعی در کنار اینترنت اشیا (IoT)، باعث افزایش تقاضا و نوآوری در بخش نیمه‌هادی خواهد شد.
فرصت‌های نوظهور برای نیمه‌هادی‌ها در اینترنت اشیا (IoT)
اینترنت اشیا (IoT) بر تبدیل اشیای معمولی به دستگاه‌های هوشمند متمرکز است؛ از اجاق‌های متصل به اینترنت گرفته تا پارچه‌های هوشمند و حتی دستگاه‌های پزشکی. جالب‌تر اینکه، راه‌حل‌های IoT از نظر اقتصادی شاید حتی فرصت‌های بیشتری نسبت به هوش مصنوعی (AI) ایجاد کنند.
فرصت‌های تولیدکنندگان نیمه‌هادی در فناوری IoT
طبق تحلیل‌ها، IoT می‌تواند تا سال 2025 درآمدی بین 3.9 تا 11.1 تریلیون دلار ایجاد کند. با رشد گوشی‌های هوشمند، اینترنت اشیا به‌طور طبیعی با نوآوری‌های نیمه‌هادی همسو است. نیمه‌هادی‌ها و IoT تاکنون صنایع زیر را متحول کرده‌اند:
- فناوری‌های پوشیدنی
- لوازم هوشمند خانگی
- الکترونیک پزشکی
- اتوماسیون صنعتی
- وسایل نقلیه خودران
- کنترل ترافیک
چالش‌های IoT و نیمه‌هادی‌ها
با وجود پیش‌بینی‌های مثبت بازار، بسیاری از شرکت‌های نیمه‌هادی در سرمایه‌گذاری روی پژوهش‌های مربوط به IoT در بخش‌های شخصی و صنعتی تردید دارند. به طور تاریخی، دستگاه‌های IoT حجم فروش کندتری داشته و استانداردهای ثابت و یکسانی میان محصولات ندارند.
امنیت و حفظ حریم خصوصی نیز نگرانی دیگری است. به‌طور ذاتی، برنامه‌های IoT داده‌های شخصی را از افراد جمع‌آوری می‌کنند و مشخص کردن اینکه چه کسی مدیریت این داده‌ها را به عهده دارد، چالشی چندلایه برای صنعت به وجود آورده است.
چالش‌های جدیدی که رشد صنعت نیمه‌هادی‌ها را کند می‌کند
در چند دهه اخیر، درخواست مصرف‌کنندگان ثابت مانده: «بهتر، سریع‌تر، ارزان‌تر!» این تقاضاهای مداوم، تولیدکنندگان نیمه‌هادی را به بهبود کارایی تولید وادار کرده است.
زنجیره تأمین در تولید نیمه‌هادی‌ها
به طور خاص، تولیدکنندگان باید بر بهبود و ساده‌سازی زنجیره تأمین و فرآیندهای خود تمرکز کنند. زمان تحویل دستگاه‌های نیمه‌هادی می‌تواند تا 28 هفته طول بکشد. کاهش این زمان‌ها فرصت‌های زیادی برای افزایش کارایی و سودآوری ایجاد می‌کند. این به معنای بازسازی یا نوسازی کارخانه‌ها و کارگاه‌های تولیدی است. انجام این اقدامات باعث می‌شود که تولیدکنندگان بتوانند با رقبا همگام شوند یا حتی از آنها پیشی بگیرند.
باید توجه داشت که کارایی داخلی می‌تواند سود را افزایش دهد، اما برای حفظ جایگاه در نوآوری، پژوهشگران باید با قانون مور (Moore’s Law) که افزایش مداوم تعداد ترانزیستورها بر روی تراشه را پیش‌بینی می‌کند، روبرو شوند. بر اساس قانون مور تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه با مساحت ثابت هر ۲ سال، به‌طور تقریبی دو برابر می‌شود.
آینده عملکرد نیمه‌هادی‌ها در نزدیک شدن به محدودیت‌های قانون مور
فناوری نیمه‌هادی به سرعت به مرزهای قانون مور (Moore’s Law) نزدیک می‌شود. تولیدکنندگان باید روش‌های جدیدی برای بهبود عملکرد آینده نیمه‌هادی‌ها پیدا کنند. برای این منظور، دو رویکرد «مور بیشتر (More Moore)» و «بیشتر از مور (More than Moore)» پیشنهاد شده است.
نوآوری از طریق مور بیشتر (More Moore)
«مور بیشتر» بر روی کاهش اندازه اجزای فیزیکی در حالی که تراکم و عملکرد را بهبود می‌بخشد، متمرکز است. این رویکرد با اصول قانون مور همسو است. با این حال، مقیاس‌گذاری هندسی در نهایت به محدودیت‌های خود خواهد رسید، زیرا تراشه‌ها به سطوح اتمی نزدیک می‌شوند. در عوض، مقیاس‌گذاری معادل (Equivalent scaling) به ادغام طراحی سه‌بعدی (3D) و جستجوی مواد جدید برای تأثیرگذاری بر عملکرد الکتریکی می‌پردازد.
تنوع از طریق بیشتر از مور (More than Moore)
بر خلاف «مور بیشتر»، «بیشتر از مور» به دنبال فناوری‌های جایگزین خارج از چارچوب قانون مور است. این نوآوری‌ها شامل موارد زیر است:
- سیستم در بسته (System in Package | SIP)
- روشنایی حالت جامد (Solid-state lighting)
- توابع یکپارچه فرکانس رادیویی (Integrated radio frequency functions)
- فناوری‌های ارگانیک (Organic technology)
انتظارات مصرف‌کنندگان ممکن است به نوآوری‌های قرن گذشته فشار بیاورد، اما در نهایت، «بیشتر از مور» ممکن است به واقع آینده صنعت نیمه‌هادی ها باشد.
چشم‌انداز بازار نیمه‌هادی‌ها
قرن گذشته برای صنعت نیمه‌هادی‌ها بسیار سودمند بوده است. در سال ۲۰۱۹، بازار جهانی دچار افت شد. با اینکه چشم‌انداز اولیه برای سال ۲۰۲۰ امیدوارکننده بود، شیوع پاندمی کرونا باعث کندی رشد صنعت شد. با این حال پیش‌بینی‌ها برای صنعت نیمه‌هادی در سال‌های آتی نشان‌دهنده بازگشت به وضعیت عادی است. چرا بازار و جهان به تدریج به حالت طبیعی خود برمی‌گردند.
فرصت‌های آینده در بخش نیمه‌هادی
با وجود بحث‌های فراوان و جذاب درباره پایان قانون مور، که به دلیل محدودیت‌های فیزیکی و اقتصادی در زمینه کاهش اندازه ترانزیستورها به‌وجود آمده است، آینده همچنان فرصت‌های بزرگی برای صنعت نیمه‌هادی‌ها به همراه دارد. تاریخ صنعت نیمه‌هادی‌ها به وضوح نشان داده است که این صنعت با توانایی شگرف خود در غلبه بر موانع اقتصادی و علمی، قادر است به پیشرفت‌های مستمر دست یابد و در مسیر نوآوری و توسعه فناوری‌ها گام بردارد.
رهبران این صنعت بی‌نظیر باید خود را برای بهره‌برداری از پیشرفت‌های بزرگ در زمینه فناوری‌های نوین مانند هوش مصنوعی (AI)، اینترنت اشیا (IoT) و شبکه‌های پرسرعت نسل پنجم و ششم آماده کنند. این فناوری‌ها نه تنها به عنوان اهرم‌های قدرت برای پیشبرد فعالیت‌های مختلف در صنایع گوناگون مطرح هستند، بلکه به افزایش کارایی و بهینه‌سازی فرآیندها کمک می‌کنند. در این راستا، پژوهشگران و دانشمندان باید بر روی روش‌ها و فناوری‌های جدیدی تمرکز کنند که توانایی بهبود و ارتقاء کارایی نیمه‌هادی‌ها را دارند؛ این شامل جستجو برای راهکارهایی است که بتوانند درون چارچوب قانون مور و همچنین فراتر از آن، نوآوری‌هایی ارائه دهند.
نیمه‌هادی‌ها به عنوان بخش جدایی‌ناپذیر از تکنولوژی‌های امروز، راه را برای بسیاری از دستاوردها هموار کرده‌اند. از دستگاه‌های الکترونیکی روزمره گرفته تا تکنولوژی‌های پیشرفته در علوم پزشکی و فضایی، وابستگی روزافزون به نیمه‌هادی‌ها همواره وجود داشته و این روند در آینده نیز ادامه خواهد داشت. بنابراین، نه تنها صنعت نیمه‌هادی‌ها به عنوان ستون فقرات فناوری‌های مدرن به شمار می‌رود، بلکه انتظار می‌رود که با توجه به دگرگونی‌های سریع در فناوری‌های مختلف، به‌زودی شاهد رشد و نوآوری‌های جدیدی در این زمینه باشیم که می‌تواند نقش بسزایی در شکل‌گیری آینده فناوری و زندگی بشر ایفا کند.
امتیاز بازدیدکنندگان
حتماً امتیاز بدهید
