ترانزستور جديد قد يستبدل 75% من مكونات أشباه الموصلات

كلما حملنا هاتفاً أخف وزناً وأسرع استجابة، ننسى أن داخله مدينة كاملة من الترانزستورات المتكدسة. هذه المدينة تكبر كل عام، وتزداد تعقيداً مع كل ميزة ذكاء اصطناعي جديدة. اليوم، يحاول فريق بحثي من جامعة بوهانغ للعلوم والتكنولوجيا في كوريا الجنوبية إعادة التفكير في هذا التعقيد من جذوره، عبر ترانزستور واحد قد يغني عن ثلاثة أرباع المكونات في بعض الدوائر.

صنّاع أشباه الموصلات يعيشون معادلة دقيقة: أداء أعلى، استهلاك طاقة أقل، ومساحة أصغر. لتحقيق ذلك، تُقسّم المهام داخل الشريحة الإلكترونية إلى عدد هائل من الترانزستورات والدوائر المنطقية، ما يرفع الكثافة ويزيد التحديات الحرارية والتصنيعية.

ومع توسع تطبيقات التعلم الآلي والحوسبة الطرفية في الساعات الذكية والحساسات القابلة للارتداء، لم يعد تقليص الحجم مجرد رفاهية تصميم، بل ضرورة تشغيلية تتعلق بالحرارة والعمر الافتراضي للبطارية.

الفكرة التي قدمها باحثو POSTECH بسيطة من حيث المبدأ، لكنها عميقة تقنياً: بدلاً من إضافة المزيد من المكونات، لماذا لا نُعيد تصميم الترانزستور نفسه ليؤدي أكثر من وظيفة؟ الجهاز الجديد يعتمد على طبقات رقيقة من أكسيد الزنك والتيلوريوم، ويمكن تصنيعه عند درجات حرارة منخفضة نسبياً، ما يجعله مناسباً لعمليات التصنيع المتقدمة متعددة الطبقات.

الأهم أن الترانزستور لا يتبع السلوك التقليدي الذي يزداد فيه التيار طردياً مع الجهد. بل جرى تصميمه لإظهار ما يُعرف بظاهرة النقل التفاضلي السالب، حيث ينخفض التيار رغم استمرار ارتفاع الجهد. والأكثر لفتاً أن الفريق حقق ما يشبه القمتين في نفس الجهاز، وهي حالة تمنحه مرونة أكبر في معالجة الإشارات.

لفهم الأثر، بنى الباحثون دائرة لمضاعفة التردد أربع مرات. هذا النوع من العمليات يتطلب عادة عدة ترانزستورات مرتبة بعناية داخل بنية معقدة. النسخة الجديدة أنجزت المهمة باستخدام ترانزستور واحد فقط، مع تقليل عدد المكونات بنسبة تصل إلى 75% وزيادة سرعة المعالجة خلال دورة الإشارة الواحدة بمقدار أربعة أضعاف وفق نتائج الاختبارات.

العالم يتجه نحو رقاقات أكثر كثافة عبر تقنيات التغليف المتقدم والتكديس الثلاثي الأبعاد. لكن الحرارة تبقى العدو الصامت. المواد القادرة على العمل والتشكّل تحت حدود حرارية منخفضة تمنح المهندسين هامشاً أوسع للمناورة، خصوصاً عند إضافة طبقات جديدة فوق دوائر مكتملة.

إذا أثبتت هذه المقاربة قابليتها للتوسع الصناعي، فقد نرى شرائح أصغر، أبسط بنيوياً، لكنها أقوى في تطبيقات الذكاء الاصطناعي والأجهزة القابلة للارتداء والحوسبة المدمجة.

يبقى السؤال الأهم هو قابلية التصنيع على نطاق واسع. كثير من الابتكارات في فيزياء أشباه الموصلات تتألق في المختبر، لكنها تصطدم بتعقيدات الإنتاج التجاري وسلاسل التوريد. مع ذلك، فإن إعادة تعريف وظيفة الترانزستور نفسه تمثل اتجاهاً لافتاً في صناعة وصلت إلى حدود تقليص الأبعاد التقليدية.

ربما لا نشعر قريباً بوجود أكسيد الزنك أو التيلوريوم داخل أجهزتنا، لكن أي خطوة تخفف التعقيد عن قلب الشريحة، تعني أجهزة أهدأ، أبرد، وأقدر على مواكبة الطموح المتزايد للذكاء الاصطناعي دون التضحية بالحجم أو عمر البطارية.

في النهاية، المستقبل لا يعتمد دائماً على إضافة المزيد، بل أحياناً على أداء المهام نفسها بذكاء أكبر وعدد أقل من الأجزاء.