حظيت شركة MediaTek بتصميم شرائح الهواتف الذكية بالثناء على شركة Taiwan Semiconductor Manufacturing Company فقط في عرض تقديمي في أكبر ندوة تقنية عقدتها شركة تصنيع الرقائق في العالم. وقالت إن نجاح أحدث معالجات ميديا ​​تيك “متجذر في العمل الذي قام به شركاؤنا في TSMC معنا”.

لكن سي سي وي ، الرئيس التنفيذي لشركة TSMC ، شعر بالذهول عندما أظهر العرض أن تصغيرها الإضافي للرقاقة – لإنشاء دوائر بعرض حوالي 4 مليارات من المتر – لم ينتج عنه سوى زيادة بنسبة 2 في المائة في الأداء.

“عندما رأيت [that]قال وي.

يصطدم صانعو الرقائق بقوانين الفيزياء وهم يسعون جاهدين لجعل أشباه الموصلات أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة ، من أجل تمكين التطبيقات المتطورة بسرعة من الألعاب المتطورة على الهواتف الذكية إلى الخوادم المستخدمة لمحاكاة تغير المناخ.

بعد خمسة وسبعين عامًا من اختراع الترانزستور ، وهو مفتاح يتحكم في التيار الكهربائي ويشكل قلب كل أشباه موصلات ، المبدأ القائل بأن عدد الترانزستورات المعبأة في كل شريحة سيتضاعف كل عامين ، مما يتيح النمو الهائل لقوة الحوسبة ، ينهار. تقليصها يزداد صعوبة.

“إن مجرد الاعتماد على الترانزستورات لم يعد كافياً لتلبية مطالبنا اليوم والوفاء بها [the requirements of] المنتجات التي تصممها “، قال وي لجمهور من عملاء TSMC.

في عام 1965 ، لاحظ جوردون مور ، المؤسس المشارك لشركة Fairchild Semiconductor ولاحقًا Intel ، تضاعف عدد الترانزستور لكل شريحة كل 24 شهرًا وتوقع هذا النمو المتسارع للعقد التالي. ظل ما يسمى بقانون مور صحيحًا لفترة أطول بكثير مما توقعه مخترعه – يمكن لجهاز IC واحد أن يحتوي على ما يصل إلى 100 مليار ترانزستور اليوم ، وفقًا لـ TSMC – لكنه وصل الآن إلى الحد الأقصى.

هذا التحدي المتمثل في إيجاد بدائل تقنية يجعل المنافسة بين أكبر مصنعي الرقائق في العالم أكثر صعوبة ، على الرغم من أن TSMC لديها ريادة واضحة في تكنولوجيا التصنيع في الوقت الحالي.

ساعد نموذج الأعمال الخاص بالمسبك الخاص بتصنيع أشباه الموصلات فقط لتصاميم الشركات الأخرى في الاستحواذ على أكثر من نصف السوق العالمية للرقائق المصنوعة حسب الطلب ، مع تصنيع أكثر من 12000 منتج مختلف وعلاقات هندسية وثيقة مع أكثر من 500 عميل.

في السابق ، أهدرت إنتل ريادتها التصنيعية على TSMC بسلسلة من العثرات في آخر عمليتين انتقاليتين لعقد العملية ، ويُعتقد الآن أنها متأخرة بحوالي عامين. لكن المحللين يقولون إن هذا يمكن أن يتغير ، خاصة وأن الحكومات من الولايات المتحدة إلى اليابان تدفع صانعي الرقائق إلى توطين الإنتاج بإعانات كبيرة يمكن أن تفضل إنتل وشركة TSMC المنافسة الرئيسية الأخرى سامسونغ.

“[TSMC] يمكن أن تتعثر. قال كريس ميلر ، المؤرخ الاقتصادي في جامعة تافتس الذي كتب كتابًا عن تاريخ صناعة الرقائق ، نظرًا لأن الانتقال إلى العقدة التكنولوجية التالية أصبح أكثر صعوبة ، فقد يتعثر أي شخص. “أو ، إذا كانت التحولات التالية لعقدة تقنية العملية أصعب مما نتوقع ، فقد تصبح ميزة TSMC أقل أهمية.”

كافح صانعو الرقائق تباطؤ قانون مور بنجاح لأكثر من عقد من الزمان. عندما واجهت مشاكل تعبئة المزيد من الترانزستورات ، بدأوا في تكديسهم فوق بعضهم البعض. يقومون أيضًا بتعبئة شرائح مختلفة معًا على قطعة واحدة من السيليكون ، بدلاً من اللوحة الأم للكمبيوتر الشخصي – تستخدم TSMC تقنية الحزم متعددة القوالب لصنع Epyc ، معالج مركز بيانات AMD.

لكن الصناعة مجبرة الآن على النظر في تحسينات أخرى. نظرًا لأن ما يسمى بعملية FinFET المستخدمة خلال العقد الماضي لم تعد قادرة على تحقيق مكاسب كافية في السرعة والقوة ، فهي تعتمد بنية ترانزستور جديدة.

بدءًا من N2 – جيل الرقائق التي تخطط TSMC لإنتاجها بكميات كبيرة اعتبارًا من عام 2025 – ستستخدم تقنية تسميها Nanosheet والتي تُعرف أيضًا باسم Gate-All-Around (GAA).

تحت هذه البنية ، فإن بوابة الترانزستور ، التي تتحكم في تدفق الكهرباء عبر قنوات الدائرة ، تحيط بالقنوات تمامًا بدلاً من أن تكون من ثلاث جهات ، كما في الحل السابق. قال كيفن زانج ، نائب الرئيس في TSMC ، إن هذا يزيد من السطح ويسمح للجهاز بالعمل بجهد منخفض جدًا وتحقيق مكاسب في كفاءة الطاقة.

ومع ذلك ، فقد ثبت أن عملية الانتقال صعبة. كافحت شركة Samsung ، التي حاولت ريادة GAA في الجيل N3 ، لزيادة عائدها – نسبة الرقائق غير المعيبة التي يتم إنتاجها. بدأ الإنتاج الضخم في يونيو في N3 – قبل TSMC مباشرة ، والتي من المقرر أن تبدأ الإنتاج بكميات كبيرة قبل نهاية العام.

مشكلة العائد في Samsung تجعلها تكافح لجذب عملاء كبار لإنتاج الرقائق المتطورة. لا يتوقع المحللون اعتمادها السابق لـ GAA لمساعدتها على اللحاق بـ TSMC في أي وقت قريب ، لكنهم قالوا إنه يمكن أن يجتذب عملاء كبار مثل Google و Tesla بمجرد تقديم عملية GAA N3 من الجيل الثاني العام المقبل وتأمين عائد ثابت.

أشار التنفيذيون في TSMC إلى أن قرارهم بالالتزام بالعمارة السابقة في N3 يؤتي ثماره. قال تشانغ: “لقد سمح لنا بإدخال N3 إلى السوق بشكل أسرع”. قالت الشركة إنها تحقق “عوائد جيدة” ، وطلب العملاء على N3 قوي جدًا لدرجة أنها تضع ضغطًا على قدرتها الهندسية. لدى TSMC التزامات من Apple و Intel و AMD والعديد من العملاء الآخرين لـ N3.

وفي الوقت نفسه ، وضعت إنتل هدفًا طموحًا يتمثل في مطابقة تقنية معالجة TSMC بحلول عام 2024 وتجاوزها بعد عام – على الرغم من استمرار الانزلاق في سعر سهمها يُظهر أن وول ستريت ليست مقتنعة بعد بإمكانية إصلاح أخطاءها السابقة واللحاق بها. تتقدم تكنولوجيا TSMC المتهورة بحلول ذلك الوقت. تخطط شركة تصنيع الرقائق الأمريكية لإجراء تبديل متأخر إلى معدات التصنيع EUV الأكثر تقدمًا العام المقبل واعتماد نسختها الخاصة من GAA في عام 2024 ، لإنتاج شريحة بميزات بعرض 2 نانومتر.

ولكن بقدر ما تثق TSMC في موقعها الريادي الآن ، تلوح في الأفق تحديات أكبر في المستقبل. يتوقع صانعو الرقائق أن الأدوات والمواد الرئيسية المستخدمة في صناعة أشباه الموصلات لعقود من الزمان ستحتاج إلى تغيير كبير أو حتى استبدالها قبل فترة طويلة ، وفي النهاية سيتم ترقيم أيام السيليكون نفسه ، المادة الأساسية للصناعة منذ بدايتها.