احتمالا این روزها بارها عبارت ریزتراشه یا میکروچیپ را در اخبار مربوط به دنیای فناوری شنیده‌اید و به احتمال زیاد متوجه این مسئله هم شده‌اید که در گذشته، دستگاه‌های الکترونیکی مثل کامپیوترها و تلویزیون‌ها بسیار بزرگ‌تر بودند، جای زیادی را اشغال می‌کردند و درعین‌حال توانایی پردازش و کارایی کمتری هم داشتند؛ اما در حال حاضر این وسایل نه‌تنها حجم و وزن کمتری دارند؛ بلکه قادر به انجام عملیات و فرایندهای پیچیده‌تری هم هستند. در این مقاله با ما باشید تا با اصلی‌ترین عامل این تغییر و تحول؛ یعنی ساخت و کاربرد میکروچیپ‌ها، بیشتر آشنا شوید و آینده پیش روی این فناوری را بهتر تجسم کنید.
ریز تراشه چیست؟
میکروچیپ، ریزتراشه کامپیوتری یا (IC) واحدی از مدارهای مجتمع بسیار ریزی هستند که در درون خود مدارهای الکترونیکی ظریف ولی قدرتمندی دارند. این مدارهای مینیاتوری معمولاً بر روی یک قطعه تخت از جنس مواد نیمه‌هادی مانند سیلیکون که به آن تراشه می‌گویند، قرار می‌گیرند. این مدارها نه‌تنها اندازه کوچکی دارند؛ بلکه سریع‌تر و ارزان‌تر هم هستند.
کاربرد آن ها در انواع مختلف وسایل الکترونیکی موجب افزایش کارایی و کاهش حجم و وزن آن‌ها شده است. میکروچیپ‌ها به دلیل اندازه کوچک و هزینه پایین و کارایی فوق‌العاده، بخش جدانشدنی ساختار جوامع مدرن به‌حساب می‌آیند و تقریباً در تمام تجهیزات الکترونیکی استفاده می‌شوند. کامپیوترها، تلفن‌های همراه و اکثر لوازم‌خانگی بدون ساخت از آن ها نمی‌توانستند تا این حد پیشرفت کنند و باقیمتی مناسب در دسترس عموم قرار بگیرند.
نسبت به تراشه‌های دهه هفتاد میلادی، امروزه میکروچیپ‌ها با ابعادی در حد ناخن انسان هزاران برابر ظرفیت و توانایی پردازش بیشتری دارند و به‌شدت درحال‌توسعه و پیشرفت هم هستند. مزیت دیگر میکروچیپ‌ها مصرف کم انرژی در آن‌هاست؛ اما برای اینکه هزینه ساخت آن‌ها به‌صرفه باشد باید در حجم و تعداد بالا تولید شوند.
تاریخچه ریز تراشه ها
اولین میکروچیپ توسط شخصی به نام جک کیلبی (Jack Kilby) در سال ۱۹6۵ ساخته شد. او یک مهندس الکترونیک بود که با اختراع خود چهره تاریخ فناوری مدرن را به‌کلی تغییر داد. با ساخت ریزتراشه‌ها امکان کوچک‌سازی و استفاده بیشتر از لوازم الکترونیکی فراهم شد. فقط اندازه اولین کامپیوترها که تنها برای عملیاتی بسیار ابتدایی، فضایی در حد یک اتاق بزرگ را اشغال می‌کردند، به یادآورید و بعد به لپ‌تاپ‌های امروزی نگاه کنید که به لطف میکروچیپ‌ها در کیف جا می‌شوند و قادر به انجام کارهای بسیار پیچیده‌تری هستند.
کیلبی در سال ۲۰۰۰ به خاطر این اختراع برنده جایزه نوبل فیزیک شد. اولین تراشه‌ای که با همکاری تام یرگان (Tom Yeargan) ساخته بود در خانه حراج کریستیز در معرض فروش قرار گرفت؛ ولی در کمال تعجب کسی آن را نخرید.
بعدازآن، شرکت‌های پیشرو زیادی در دنیا به ساخت این تراشه‌ها و پیشرفتشان کمک کردند. امروزه نام کمپانی‌های بزرگی در این صنعت به چشم می‌خورد که بهترین و باکیفیت‌ترین میکروچیپ‌ها را با تکیه‌بر دانش و تجربه مهندسان حرفه‌ای، ساخته و تحولات عظیمی در کاربرد ریزتراشه‌ها به وجود می‌آورند؛ شرکت‌هایی مانند موارد زیر:
INTEL ،TSMC Samsung ،Micron Technology ،UMC ،Broadcom، NVIDIA
ریز تراشه ها چگونه ساخته می شوند ؟
در قسمت قبل اشاره کردیم که در ساخت آن ها از مواد نیمه رسانا مانند سیلیکون و تا حدی ژرمانیوم استفاده می‌شود و به‌طورمعمول، مراحل زیر طی می‌شود:
- خالص‌سازی: سیلیکون از شن و ماسه به دست می‌آید. طی فرآیندی با پاک‌سازی و جداسازی ناخالصی‌ها، درجه خلوص سیلیکون مورداستفاده در میکروچیپ را به 99.999% می‌رسانند.
- ساخت شمش: سیلیکون خالص‌شده را در قالب‌های 100 کیلوگرمی به شمش تبدیل می‌کنند.
- ساخت ویفر سیلیکونی: شمش‌های به‌دست‌آمده را معمولاً به ضخامت 0.5 میلی‌متر یا کمتر برش می‌زنند که به آن ویفر سیلیکونی می‌گویند.
- لیتوگرافی: در این مرحله الگوهای متنوع مداری به‌وسیله مایعی قرمزرنگ به نام لاک نوری روی سطح ویفرهای سیلیکونی کشیده می‌شوند تا در آینده مدارهای الکترونیکی روی آن‌ها قرار گیرند.
- کاشت یون: بازهم لاک نوری روی ویفرها ریخته شده و یون‌ها با سرعتی حدود 300 هزار کیلومتر بر ساعت به آن برخورد می‌کنند و خواص شیمیایی ویفر را تغییر می‌دهند.
- ساخت ترانزیستورها و میکروچیپ‌ها: سوراخ‌هایی در لایه عایق به وجود آمده ایجاد می‌شود که با ماده مسی پرشده و آماده اتصال ترانزیستورها می‌شوند.
- پاک‌سازی نهایی: در انتها با محلول سولفات مس، آبکاری الکتریکی صورت می‌گیرد و مواد اضافی روی تراشه‌ها پاک می‌شود. لایه‌های مختلف فلزی با الگوهای ویژه روی ویفرها تولیدشده و آی سی‌ها را می‌سازند.
اجزای یک ریز تراشه
بعد از ساخت تراشه‌های سیلیکونی، وقت آن است که اجزای الکترونیکی مانند ترانزیستورها و خازن‌ها و سایر ملزومات با اتصالات پیچیده‌ای روی این تراشه‌ها قرارگرفته و ساخت آن ها را تکمیل کنند. میکروچیپ‌ها معمولاً بسته به نوع و عملکرد خود دارای اجزای متنوعی هستند که در ادامه چند نمونه از آن‌ها را نام می‌بریم:
- ترانزیستور
ترانزیستورها مانند کلیدهایی در مدار هستند که سیگنال‌های الکتریکی را کنترل، تولید و یا تقویت می‌کنند. می‌توان با ترکیب ترانزیستورها در یک گیت منطقی، خروجی‌های متنوعی دریافت کرد. - مقاومت‌ها
معمولاً برای تنظیم یا محدود کردن جریان‌های الکتریکی در مدار به کار می‌روند تا ولتاژ مناسب دستگاه را تأمین کنند. سیگنال‌های الکتریکی توسط مقاومت‌ها در درون ترانزیستورها کنترل‌شده و به حرکت درمی‌آیند. - خازن‌ها
برای ذخیره الکتریسیته به‌صورت میدان الکترواستاتیک به کار می‌روند. آن‌ها معمولاً به همراه ترانزیستورها در رم های پویا (DRAM)، برای کمک به ذخیره‌سازی داده‌ها استفاده می‌شوند. - دیودها
اجزای تخصصی در تراشه‌ها هستند که مسئولیت هدایت جریان الکتریکی در یک‌جهت خاص را به عهده‌دارند. دیودها می‌توانند جریان الکتریکی را مسدود کنند یا به جریان درآورند. معمولاً در میکروچیپ‌های کلیدهای یکسو کننده، تنظیم‌کننده‌های ولتاژ و تعدیل‌کننده‌های سیگنال به کار می‌روند.
ریز تراشه‌ها چگونه کار می‌کنند؟
با مراحل ساخت و اجزای تشکیل‌دهنده میکروچیپ‌ها آشنا شدید و حالا شاید بخواهید بدانید اصولاً آن‌ها چطور کار می‌کنند. درواقع این کاربرد هر میکروچیپ است که چگونگی عملکرد آن را تعیین می‌کند. هر کدام از آن ها بنا بر وظیفه‌ای که قرار است به عهده بگیرند از میلیون‌ها ترانزیستور، خازن، مدارهای الکترونیکی و غیره تشکیل‌شده است. تمام این قطعات در فضایی به‌اندازه چند میلی‌متر جا می‌گیرند. مدارهای الکترونیکی مخصوص هرکدام توسط متخصصان و مهندسان، طراحی و پیاده‌سازی می‌شود که با جریان سریع الکتریسیته از بین این مدارها، عملیاتی که به عهده‌دارند را انجام می‌دهند.
اندازه ریز تراشه‌ها
اصلی‌ترین و اساسی‌ترین ویژگی میکروچیپ‌ها، اندازه کوچک آن‌هاست که باعث به وجود آمدن دستگاه‌های الکترونیکی کوچک و سبک شده است. اجزای این تراشه‌ها آن‌قدر کوچک‌اند که مقیاس اندازه‌گیری‌شان، نانومتر (nm) است. بسیاری از این قطعات با ابعادی کمتر از 10 نانومتر، این امکان را فراهم می‌کنند که میلیاردها مؤلفه از آن‌ها روی تنها یک تراشه کوچک قرار بگیرند.
به‌طور مثال، می‌توان 50 میلیارد ترانزیستور را روی یک تراشه به‌اندازه ناخن انسان جا داد. IBM در سال 2021 یک میکروچیپ 2 نانومتری با عرضی کمتر از DNA انسانی ساخت و به بازار عرضه کرد.
انواع ریز تراشه
امروزه شاهد کاربرد ریزتراشه‌ها در طیف وسیعی از وسایل الکترونیکی مانند رایانه‌ها، تلفن‌های هوشمند، سوئیچ‌های شبکه و اینترنت، لوازم مختلف خانگی، خودروها، هواپیماها و میلیون‌ها سیستم الکترونیکی دیگر هستیم. این تراشه‌ها انواع بسیار متنوعی دارند ولی به‌طورکلی در دودسته جا می‌گیرند؛ در ادامه آن‌ها را معرفی می‌کنیم:
1. میکروچیپ‌های مبتنی بر منطق (Logic)
تمام کارهای سنگین و پردازش‌های پیچیده به عهده این دسته از میکروچیپ‌هاست. از رایج‌ترین و پرکاربردترین آن‌ها می‌توان میکروچیپ واحد پردازش مرکزی یا همان CPU را نام برد. تراشه‌های تخصصی‌تری مانند واحد پردازش گرافیکی (GPU) و پردازنده‌های شبکه‌های عصبی نیز متعلق به این دسته هستند.
2. میکروچیپ‌های مبتنی بر حافظه (Memory)
این نوع از میکروچیپ‌ها وظیفه ذخیره‌سازی داده‌های مختلف را چه به‌صورت موقت یا دائمی به عهده‌دارند. DRAM یک نمونه رایج از نوع حافظه موقت است که با قطع برق داده‌ها را پاک می‌کند؛ و فلش NAND نیز حافظه دائمی که از این آی‌سی‌ها استفاده می‌کند.
البته باید توجه داشت که خیلی از میکروچیپ‌ها هر دو کاربرد فوق را به‌طور هم‌زمان در درون خوددارند؛ مانند آی سی های یک سیستم (SoC) که به‌طور گسترده بر روی گوشی‌های هوشمند به کار گرفته‌شده و یا تراشه ASIC که برای اهداف خاصی مانند تجهیزات پزشکی یا خودروهای سفارشی استفاده می‌شوند.
کاربرد ریز تراشه‌ها چیست؟
تا اینجای مقاله با بعضی از کاربردهای میکروچیپ آشنا شدید و میدانید که در انواع و اقسام مختلف لوازم الکترونیکی به کار می‌روند. در ادامه بعضی از این کاربردها را بر اساس نوع تراشه معرفی می‌کنیم:
1. کاربرد میکروچیپ‌های حافظه
همان‌طور که گفتیم این چیپ ها دارای مدارهایی هستند که اطلاعات را به‌طور موقت یا دائمی ذخیره می‌کنند؛ مانند:
- فلش مموری ها
- RCM
- RAM در رایانه‌ها
2. کاربرد میکروچیپ‌های حافظه
این چیپ ها عملیات پیچیده و پردازش اطلاعات مختلف را انجام داده و در اکثر لوازم الکترونیکی هوشمند به کار گرفته می‌شوند؛ مانند:
- سرورهای اینترنتی
- لپ‌تاپ‌ها و رایانه‌ها
- تلفن‌های هوشمند
- لوازم‌خانگی هوشمند
3. میکروچیپ‌های مبدل داده
این مدل از چیپ ها عموماً در حس‌گرهای الکترونیکی به کار می‌روند و توانایی تبدیل اطلاعات ورودی به نوع دیگری از داده رادارند. مثلاً می‌توانند در یک دستگاه، داده‌های آنالوگ را به دیجیتال تبدیل کنند.
4. میکروچیپ‌های گرافیکی
همان‌طور که از نامش پیداست با کمک این چیپ ها پردازش‌های گرافیکی انجام می‌گیرد و همچنین می‌توانند خروجی گرافیکی ارائه دهند؛ مانند صفحات نمایش انواع رایانه و تلویزیون‌ها.
5. میکروچیپ‌های در صنعت خودروسازی
امروزه میکروچیپ‌ها کاربردهای فراوانی در صنعت خودروسازی دارند و عملاً این صنعت بدون آن‌ها نمی‌تواند به حیات خود ادامه دهد. از سیستم برقی درون خودروها گرفته تا انواع سنسورها و قطعات الکتریکی دیگر درون آن ها از این چیپ‌ها استفاده می‌شود.
قدرت پردازش ریز تراشه‌ها
قدرت محاسباتی و پردازش این تراشه‌ها از سال 1965 تا سال 2015 یک تریلیون برابر افزایش‌یافته است. تصور کنید که رایانه‌ای که مأموریت هدایت سفینه آپولو به ماه را داشت تنها 32768 بیت حافظه RAM و 589824 بیت حافظه ROM داشت درحالی‌که امروزه یک تلفن همراه هوشمند صد هزار برابر قدرتمند پردازش بیشتری دارد، مقدار RAM آن، یک‌میلیون برابر و ROM آن، هفت میلیون برابر بیشتر است.
در عصر حاضر، میکروچیپ‌ها به ما امکان استفاده از واقعیت مجازی و هوش مصنوعی را می‌دهند که نیاز به پردازش و ذخیره‌سازی اطلاعات فوق‌العاده زیادی دارند که درگذشته به‌هیچ‌وجه امکان‌پذیر نبود. اتصالات اینترنت 5G و الگوریتم‌های یادگیری عمیق به چنان قدرتی برای پردازش نیاز دارند که تنها با دستیابی به فنّاوری ساخت این تراشه‌ها می‌توانستیم به آن‌ها دست‌یابیم. از طرفی تمام این محاسبات پیچیده، داده‌های زیادی هم تولید می‌کنند که ذخیره و بازیابی آن‌ها بدون این چیپ ها غیرممکن است؛ بنا بر یک سری برآوردها تا سال 2025، در هر سال 175 زتابایت (ZB) تقریباً معادل 175 میلیارد ترابایت (TB) داده تولید خواهد شد. اگر می‌خواستیم این مقدار اطلاعات را همچنان بر روی DVD ها ذخیره کنیم، زنجیره ای از آن‌ها به وجود می‌آمد که می‌توانست 222 بار دور زمین بچرخد.
قانون مور چیست؟
گوردون مور (Moore) از بنیان‌گذاران شرکت اینتل در سال 1965 اعلام کرد که پیچیدگی استفاده از ترانزیستورها روی یک تراشه با اندازه ثابت، طی هر دو سال تقریباً دو برابر می‌شود. معیار اندازه‌گیری این پیچیدگی نیز تعداد ترانزیستورها در واحد سطح بیان شد؛ این روند کم‌وبیش تا سال‌های بعد ادامه داشت و به‌نوعی معیاری برای پیش‌بینی آینده صنعت میکروالکترونیک بود.
چندین سال بعد، این قانون اشکال دیگری به خود گرفت و حتی نرخ دو برابری به جای هر دو سال، به هر 18 ماه بدل شد. طبیعی است که این دو برابر شدن تعداد ترانزیستورها به معنی نصف شدن ابعاد آن‌ها بود و می‌توان پیش‌بینی کرد که ازنظر محدودیت‌های فیزیکی بعد از طی مدت‌زمان مشخصی، دیگر امکان این نصف شدن ابعاد وجود نخواهد داشت و این یعنی پایان قانون مور. این قانون همچنان تا سال 2020 معتبر بود ولی در حال حاضر به انتهای آن رسیده‌ایم. امروزه از روش‌های جایگزین دیگری برای پیش‌بینی آینده این صنعت استفاده می‌شود؛ مانند محاسبات کوانتومی و یا محاسبات زیستی. آنچه قابل پیش‌بینی است، این است که در آینده‌ای نه‌چندان دور دیگر خبری از تراشه‌ها و CPU های امروزی هم نخواهد بود و به‌کلی تغییر شکل خواهند داد.
کاشت ریز تراشه در بدن انسان
برای ایمپلنت یا کاشت میکرو تراشه‌ها در بدن انسان یا جانداران دیگر، معمولاً یک دستگاه مدار مجتمع یا فرستنده RFID را درون بدن یا زیرپوست انسان قرار می‌دهند. این نوع کاشت، معمولاً دارای یک شناسه منحصربه‌فرد است که می‌تواند اطلاعات موجود در یک پایگاه داده خارجی را بخواند یا اطلاعاتی در آن ذخیره کند؛ اطلاعاتی مانند سوابق پزشکی، آلرژی‌ها و داروهای مصرفی، اطلاعات شخصی و اطلاعات تماس و هزاران داده دیگر. در ادامه فهرستی از مهم‌ترین کاربرد ریزتراشه‌های کاشته شده در بدن انسان را شرح می‌دهیم:
- کارت‌های دسترسی و هویت دیجیتال
این کاشت ها با استانداردهای مختلف NFC ISO برای دسترسی به درب ورودی ساختمان‌ها یا خودروها انجام می‌شوند و از طریق فناوری‌های پیشرفته درون میکروچیپ‌ها، امنیت لازم برای عدم جعل هویت در کارت‌های بانکی را فراهم کرده و ورود انحصاری شمارا تضمین می‌کنند. مثلاً در استکهلم، یکی از ادارات از کاشت RFID برای کارمندان خود جهت عبور از درب‌های امنیتی، کار با دستگاه‌های کپی و پرداخت هزینه ناهار استفاده می‌کند. - مدارک پزشکی
استفاده از آن در بدن برای مصارف پزشکی مزایا و خطرات بالقوه‌ای دارد و همچنان در دست بررسی و تحقیق است. FDA سازمان غذا و دارو، در سال 2004 بیانه‌ای منتشر کرد و در آن کنترل‌های ویژه‌ای برای بازاریابی و استفاده از این چیپ ها ارائه داد. معمولاً این تراشه‌ها کمک می‌کنند تا دسترسی به سوابق پزشکی و نیازهای بیمار، سریع‌تر صورت بگیرد، مخصوصاً در بیماران مبتلابه زوال عقل می‌تواند بسیار مفید و کاربردی باشد. امروزه این چیپ ها قابلیت اتصال به اینترنت را هم دارند و به‌راحتی قابل‌استفاده‌اند. ایمپلنت‌های پیشگیری از بارداری هم از دیگر کاربردهای پزشکی است.
آینده فناوری ریز تراشه‌ها
دانشمندان و مهندسان، آینده‌ای بسیار روشن درزمینهٔ ساخت و کاربرد ریزتراشه‌ها پیش‌بینی می‌کنند. امروزه خیلی از کشورها از کاشت میکروچیپ در بدن انسان‌ها و حیوانات برای ردیابی و ذخیره اطلاعات هویتی و پزشکی استفاده می‌کنند و در آینده نیز استفاده از آن به‌عنوان تلفن همراه اصلاً بعید به نظر نمی‌رسد و احتمال دارد که نحوه برقراری ارتباط‌های تلفنی را به‌کلی متحول کند.
همچنین درزمینهٔ پزشکی نیز امیدواری‌های زیادی در این صنعت به چشم می‌خورد ازجمله تشخیص سریع انواع بیماری‌ها، کنترل حال بیماران در هرلحظه از شبانه‌روز و ارسال به‌موقع کمک‌های اورژانسی در صورت نیاز. ایلان ماسک نیز اخیراً در حال بررسی و ساخت میکروچیپی است که در مغز کاشته شود و بتواند انواع مختلفی از بیمارها را تشخیص داده و درمان کند.
کلام آخر
در این مقاله، به زبانی ساده به‌طور مفصل در مورد ریزتراشه و نحوه ساخت و کاربردهایش برایتان توضیحاتی دادیم و چشم‌اندازی از آینده این صنعت را به تصویر کشیدیم. امیدواریم با خواندن این مقاله هر چه بیشتر با این اختراع کاربردی و اساسی عصر دیجیتال آشنا شده باشید و به اهمیت آن پی برده باشید. خوشحال می‌شویم که نظرات و سؤالات خود را در قسمت کامنت ها با ما و دیگر خوانندگان به اشتراک بگذارید.