هذه بداية مقال أطول.
المحتوى: “

”

تُعد هذه المقالة جزءًا من سلسلة مستقبل مُستكشف، الدليل الأسبوعي من فريثينك للتكنولوجيا التي تُغيّر العالم. يمكنك الحصول على مقالات كهذه مباشرةً إلى صندوق بريدك الإلكتروني كل صباح سبت من خلال الاشتراك أعلاه.

ها هو عام 2034. جميع أجهزتك الإلكترونية، من سيارتك الكهربائية إلى هاتفك الذكي، تشحن بسرعة البرق، وأنت قادر على الاستفادة من أحدث تقنيات الذكاء الاصطناعي في المنزل والعمل دون أي قلق بشأن كمية الطاقة التي تستهلكها – كل ذلك بفضل جيل جديد من الرقائق الدقيقة التي تركت السيليكون في الماضي.

الجيل القادم من أشباه الموصلات

يمكن تصنيف المواد حسب مدى كفاءتها في توصيل الكهرباء – حيث تتدفق التيارات بسهولة عبر الموصلات، ولكن ليس عبر العوازل.

تقع أشباه الموصلات في مكان ما في المنتصف: يمكنها توصيل الكهرباء بسهولة، ولكن فقط تحت ظروف معينة. وقد جعل هذا استخدامها مفيدًا للغاية في الحوسبة – فبفضل أشباه الموصلات كأساس للرقائق الدقيقة، يمكننا التحكم في تدفق الكهرباء عبر أجهزتنا، مما يجعل كل السحر يحدث.

سيطرت السيليكون على الرقائق وصناعة التكنولوجيا منذ نشأتها – ومن هنا جاء اسم “وادي السيليكون” – ولكنها قد لا تكون أفضل مادة لتكنولوجيا المستقبل. لشرح السبب، دعونا نلقي نظرة على كيفية عمل الرقائق، وتحديات التكنولوجيا اليوم، والمواد التي يمكن أن تحل محل السيليكون غدًا.

أين كنا

تُعبأ الرقائق الدقيقة بمفاتيح صغيرة جدًا، تُسمى “الترانزستورات”، تُترجم نقرات لوحة المفاتيح وبرامجنا البرمجية إلى لغة الحواسيب: الشفرة الثنائية. إذا كان المفتاح مُشغّلاً، فيمكن للكهرباء أن تتدفق – وهذا هو 1. وإذا كان مُطفأً، فلا يمكن للكهرباء أن تتدفق – وهذا هو 0. كل ما تفعله الحواسيب الحديثة في نهاية المطاف يعود إلى هذه المفاتيح.

لعقود من الزمن، قمنا بتحسين الحواسيب عن طريق زيادة كثافة الترانزستورات على الرقائق الدقيقة – بينما كانت أول رقاقة دقيقة تحتوي على ترانزستور واحد فقط، يمكننا الآن حزم مليارات من هذه المفاتيح الصغيرة في رقاقة بحجم ظفر الإبهام.

لقد صنعت أول رقاقة دقيقة من الجرمانيوم، لكن صناعة التكنولوجيا سرعان ما أدركت أن السيليكون كان مادة أفضل لصنع الرقائق.

كان السّبب الرئيسيّ هو أنّ السيليكون أكثر وفرة، ممّا يجعله أرخص، لكنّه يتمتّع أيضاً بنقطة انصهار أعلى، ممّا يعني أنّه يعمل بشكل أفضل عند درجات حرارة أعلى. كما يسهل “منشط” السيليكون بموادّ أخرى، ممّا يوفّر للمهندسين العديد من الطرق لضبط ناقليّته.

أين نحن الآن

إنّ الاستراتيجيّة الكلاسيكيّة المتمثّلة في تصغير الترانزستورات باستمرار في الرقائق السيليكونيّة لخلق حواسيب أسرع وأكثر قوّة بدأت تفشلنا.

“حتى مع عمل السيليكون في هذه الأبعاد الصغيرة للغاية، إلا أن كفاءة الطاقة اللازمة لإجراء عملية حسابية واحدة في ازدياد، وهذا يجعله غير مستدام على الإطلاق،” كما صرح ديب جاريوالا، أستاذ الهندسة في جامعة بنسلفانيا، لصحيفة وول ستريت جورنال في عام 2022. “من الناحية الطاقية، لم يعد هذا منطقياً.”

نحتاج إلى حل مشكلة الاستدامة هذه إذا أردنا مواصلة تحسين تقنياتنا دون التسبب في مزيد من الضرر للبيئة، وقد دفع البحث عن الحلول بعض الباحثين إلى إلقاء نظرة فاحصة على الرقائق المصنوعة من مواد أشباه موصلات أخرى غير السيليكون، بما في ذلك نيتريد الغاليوم، وهو مركب مصنوع من الغاليوم والنيتروجين.

وجهتنا (ربما)

تختلف أشباه الموصلات في الموصلية، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى شيء يسمى “فجوة النطاق”.

في حين أن البروتونات والنيوترونات مُكدّسة داخل نواة الذرة، تدور الإلكترونات حولها. ولكي يُوصل مادة ما الكهرباء، يجب أن تتمكن تلك الإلكترونات من القفز من منطقة تُسمى “نطاق التكافؤ” إلى أخرى تُسمى “نطاق التوصيل”. وأقل طاقة تُحفز هذه الحركة هي “فجوة النطاق” الخاصة بالمادة.

في الموصلات، تتداخل المنطقتان، ولا توجد أي فجوة نطاق – تتحرك الإلكترونات عبر تلك المواد بحرية. أما في العوازل، فتكون فجوة النطاق كبيرة جدًا لدرجة أنه حتى لو طبقت الكثير من الطاقة على المادة، فسيكون من الصعب على الإلكترونات التدفق عبرها.

تقع أشباه الموصلات في المنتصف. فالسليكون، على سبيل المثال، لديه فجوة نطاق قدرها 1.12 إلكترون فولت (eV). ومع ذلك، فإن نترات الغاليوم لديها فجوة نطاق قدرها 3.4 eV، مما يجعلها “أشباه موصلات ذات فجوة نطاق واسعة” (WBGS).

تقع مركبات واسعة فجوة النطاق (WBGSs) أقرب قليلاً إلى العوازل على طيف الموصلية، ولأن نقل الإلكترونات بين النطاقين في هذه المواد يتطلب طاقة أكبر، فإن الرقائق المصنوعة منها ليست مثالية للتطبيقات منخفضة الجهد للغاية.

ومع ذلك، يمكن لمركبات واسعة فجوة النطاق (WBGSs) أن تعمل عند جهد ودرجات حرارة وترددات طاقة أعلى من أشباه الموصلات مثل السيليكون، ويمكن للأجهزة التي تستخدمها أن تعمل بشكل أسرع وأكثر كفاءة.

وقالت راشيل أوليفر، مديرة مركز كامبريدج لنيتريد الغاليوم، لـ Freethink: “إذا أمسكت يوماً بشاحن هاتف محمول، ستجده دافئاً، وهذه هي الطاقة المهدرة في السيليكون. أما شاحن نيتريد الغاليوم فسيكون أكثر برودة عند اللمس – فهو يهدر طاقة أقل بكثير”.

استُخدِمَ الغاليوم ومركباته في التكنولوجيا لعقودٍ من الزمن – فهو موجود في المصابيح الثنائية الباعثة للضوء، والليزر، ورادارات الجيش، والأقمار الصناعية، والخلايا الشمسية، وأكثر من ذلك – لكن نتريد الغاليوم هو محور تركيز الباحثين حاليًا الذين يبحثون عن طرق لجعل التكنولوجيا أكثر قوة وكفاءة في استهلاك الطاقة.

كما أشار أوليفر، فإن شواحن الهواتف المصنوعة من نتريد الغاليوم [[LINK14]]متوفرة بالفعل، كما يبحث الباحثون أيضًا عن استخدام هذه المادة لتطوير شواحن أسرع للسيارات الكهربائية، متغلبين على المشكلة الرئيسية التي يواجهها المستهلكون مع السيارات الكهربائية.

قال أوليفر: “إن شحن أشياء مثل السيارة الكهربائية يصبح أسرع بكثير. أي شيء يحتاج إلى طاقة محمولة، يحتاج إلى شحن سريع، فإن نتريد الغاليوم مهمٌّ محتمل لذلك”.

يمكن أن يحسّن نتريد الغاليوم أيضًا الرادار في الطائرات العسكرية والطائرات بدون طيار، مما يسمح لها بتحديد الأهداف والتهديدات من مسافات أكبر، وجعل الخوادم في مراكز البيانات أكثر كفاءة، وهو أمر ضروري لجعل ثورة الذكاء الاصطناعي ميسورة التكلفة ومستدامة.

يمكن أن تحسّن رقائق نتريد الغاليوم سياراتنا الكهربائية، ومراكز البيانات، والهواتف الذكية، وشبكات الطاقة، وأكثر من ذلك.

فلماذا تُبنى صناعة الرقائق الدقيقة حول السيليكون، إذا كان نتريد الغاليوم متفوقًا بطرق مختلفة وكان موجودًا منذ فترة؟ الجواب، كالعادة، هو التكلفة: رقائق نتريد الغاليوم أكثر تكلفة وتعقيدًا في التصنيع. إن خفض التكاليف مع زيادة الإنتاج سيستغرق وقتًا، لكن الحكومة الأمريكية تحاول المساعدة في إطلاق هذه الصناعة الناشئة.

في فبراير 2024، قامت بمنح شركة تصنيع أشباه الموصلات جلوبال فاوندريز 1.5 مليار دولار بموجب قانون رقائق وعلوم لزيادة نطاق تصنيع الرقائق في الولايات المتحدة.

سيتم تخصيص جزء من هذه الأموال لترقية منشأة تصنيع في فيرمونت لتصبح قادرة على تصنيع أشباه موصلات نترات الغاليوم بكميات كبيرة – وهو أمر لا يحدث بعد في أي مكان في الولايات المتحدة. ستُستخدم هذه أشباه الموصلات في السيارات الكهربائية، ومراكز البيانات، والهواتف الذكية، وشبكات الطاقة، وغيرها من التقنيات، وفقًا لإعلان التمويل.

حتى لو تمكنت الولايات المتحدة من تنظيم جميع عمليات التصنيع لديها، فلن تتمكن من تصنيع رقائق نترات الغاليوم بدون غاليوم، وفي الوقت الحالي، فإن سلسلة التوريد متذبذبة.

تستورد الولايات المتحدة كل غاليومها، والصين هي موردها الرئيسي.

لا يُعدّ الغاليوم عنصراً نادراً للغاية — إذ يوجد منه في قشرة الأرض ما يقارب كمية النحاس — لكن على عكس النحاس، لا يتواجد في رواسب كبيرة يمكن استخراجها. ومع ذلك، يمكن العثور عليه بكميات صغيرة في نفس الخامات التي تحتوي على الألومنيوم والزنك، لذلك يتم جمع الغاليوم عند معالجة الصخور لاستخراج هذه العناصر.

اعتباراً من عام 2022، كانت الصين تُنتج حوالي 90% من غاليوم العالم. وفي الوقت نفسه، لم تُنتج الولايات المتحدة أي غاليوم منذ الثمانينيات — فهي تستورد 53% من غاليومها من الصين والنصف الآخر من دول أخرى.

في يوليو 2023، أعلنت الصين [[LINK25]]أنها ستبدأ في تقييد تصدير الغاليوم ومادة أخرى، وهي الجرمانيوم، لأسباب تتعلق بالأمن القومي. وكان يُعتقد على نطاق واسع أن هذا جاء ردًا على إعلان الولايات المتحدة [[LINK26]]في أكتوبر 2022 أنها ستقيد تصدير الرقائق الدقيقة، والآلات المستخدمة في تصنيعها، إلى الصين. (تُعد مقابلة فريفينك مع المؤرخ كريس ميلر مصدرًا ممتازًا لمزيد من المعلومات حول “حرب الرقائق” الجارية بين القوتين العظميين.)

لا تمنع قواعد الصين منعًا باتًا تصدير الغاليوم إلى الولايات المتحدة، لكنها تتطلب من المشترين المحتملين التقدم بطلب للحصول على ترخيص يجب أن تحصل على موافقة الحكومة الصينية.

من شبه المؤكد أن شركات الدفاع الأمريكية ستُرفض طلباتها، خاصةً إذا كانت مدرجة على قائمة الكيانات غير الموثوق بها الصينية، ولكن حتى الآن، يبدو أن أثر هذه القيود على معظم شركات صناعة الرقائق اقتصر على ارتفاع أسعار الجاليوم وزيادة أوقات التسليم للطلبات، بدلاً من حدوث نقص، على الرغم من أنه من الممكن أن تختار الصين تشديد قبضتها على هذه المادة في المستقبل.

لطالما علمت الولايات المتحدة أن الاعتماد بشكل كبير على الصين للحصول على المعادن الحيوية أمر محفوف بالمخاطر – خلال نزاع عام 2010 مع اليابان، منعت الصين مؤقتًا تصدير معادن الأرض النادرة إلى اليابان – وكانت تبحث بالفعل عن طرق لتعزيز سلسلة التوريد الخاصة بها عندما أعلنت الصين عن هذه القيود في عام 2023.

يحتوي رواسب في تكساس على 36500 طن من الجاليوم – ما يقرب من 50 ضعف ما أنتجته الصين في عام 2022.

تشمل الخيارات استيراد الغاليوم من دول أخرى، مثل كندا، إذا استطاعت زيادة إنتاجها بشكل كافٍ، واستعادة المادة من النفايات الإلكترونية المعاد تدويرها — حيث تقوم وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA) بتمويل أبحاث للقيام بذلك.

كما يُعد إنشاء مصدر محلي للغاليوم الخام خيارًا.

تقول شركة نيرستار ومقرها هولندا إنها تستطيع استخراج ما يكفي من الغاليوم في مصنع الزنك الخاص بها في تينيسي لتلبية 80% من احتياجات أمريكا الحالية، لكنها تقول إن بناء منشأة المعالجة سيكلف ما يصل إلى 190 مليون دولار — وهي تجري حاليًا محادثات مع الحكومة الأمريكية بشأن تمويل التوسعة.

كما يُعد رواسب معدنية في راوند توب، تكساس، مصدرًا محتملاً للغاليوم. في عام 2021، أفاد المسح الجيولوجي الأمريكي بأنه يحتوي على ما يقدر بـ 36500 طن من المعدن — على سبيل المثال، أنتجت الصين 750 طنًا من الغاليوم في عام 2022.

كما هو معتاد، فإن كمية الجاليوم الموجودة ضئيلة للغاية ومنتشرة على نطاق واسع، ولكن في مارس 2024، اكتشفت شركة المواد الحرجة الأمريكية [[LINK37]]رواسب تحتوي على تركيزات عالية نسبياً من الجاليوم عالي الجودة في غابة Bitterroot الوطنية في مونتانا.

لا يتم استخراج أي من الجاليوم الموجود في تكساس أو مونتانا حالياً، ولكن الباحثين في مختبر أيداهو الوطني وشركة المواد الحرجة الأمريكية يعملون معاً على تطوير طريقة صديقة للبيئة لاستخراج هذه المادة.

قال مارتن كوبال، رئيس مركز تصوير الأجهزة الحرارية والموثوقية في جامعة بريستول، لـ Freethink: “هناك بدائل – السؤال هو ‘هل هناك من على استعداد لاستثمار الأموال اللازمة للاستخراج؟’ “. “الاستقلال عن الصين ممكن بالتأكيد إذا كان هناك من على استعداد لإنفاق المال”.

لا يعتبر الغاليوم الخيار الوحيد للولايات المتحدة لتحسين الرقائق الدقيقة – فهناك مواد لا تخضع لسيطرة الصين يمكن استخدامها لتصنيع رقائق أكثر تطوراً، وفي بعض الحالات، قد تتفوق حتى على الخيارات القائمة على الغاليوم.

في أكتوبر 2024، حصلت شركة وولفسبييد لصناعة الرقائق على ما يصل إلى 750 مليون دولار من خلال قانون الرقائق لبناء أكبر منشأة تصنيع في الولايات المتحدة للرقائق المصنوعة من كربيد السيليكون (وهو أيضاً من المواد ذات الإنتاج العالمي المحدود)، والذي يعتبر أكثر تكلفة من نترات الغاليوم، ولكنه قد يكون أفضل لبعض التطبيقات، مثل مزارع الطاقة الشمسية عالية القدرة.

قال أوليفر لـ فريثينك: “هناك نطاقات جهد يعمل فيها نترات الغاليوم بشكل جيد جدًا، ونطاقات جهد أخرى يعمل فيها كربيد السيليكون بشكل أفضل. لذلك يعتمد الأمر على مقدار الجهد، ومقدار الطاقة التي تحاول التعامل معها”.

كما تمول الولايات المتحدة أبحاثًا في مجال رقائق أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق واسعة للغاية، والتي تتميز بفجوات نطاق أكبر من 3.4 إلكترون فولت. وتشمل هذه المجموعة الألماس، ونترات الألومنيوم، ونترات البورون، وعلى الرغم من أن هذه المواد قد تكون باهظة الثمن وصعبة المعالجة، إلا أن الرقائق المصنوعة منها قد تُمكّن في يوم من الأيام من إمكانيات جديدة رائعة، بتكلفة بيئية أقل.

قال أوليفر: “إذا كنت تتحدث عن أنواع الجهد التي قد تُعالَج من أجل طاقة الرياح البحرية التي يتم نقلها وتحويلها إلى الشبكة البرية، فقد لا تتمكن نترات الغاليوم من التعامل معها لأنها لا تستطيع التعامل مع حجم هذه الفولتية”. “ستتمكن مواد فجوة النطاق واسعة للغاية مثل نترات الألومنيوم من ذلك.”

نُشرت هذه المقالة في الأصل بواسطة موقعنا الشقيق، فريثينك.

[[LINK46]]

هذا القسم الأخير من مقال أطول. [[LINK46]]

اشترك في نشرة Smarter Faster

نشرة أسبوعية تعرض أهم الأفكار من أذكى الناس