بدون این محصول آلمانی، اینترنت، اپل و انویدیا تعطیل می‌شوند

همین حالا که این کلمات را روی صفحه‌ی گوشی یا لپ‌تاپتان می‌خوانید، لحظه‌ای مکث کنید و آینه‌ای را تصور کنید که آن‌قدر صیقلی و صاف است که بلندترین برجستگی روی آن، از یک میلی‌متر هم کمتر است! شاید فکر کنید این توصیفِ یک جسم فضایی در فیلم‌های علمی‌تخیلی است، اما این دقیق‌ترین قطعه‌ای است که تا امروز به دست بشر ساخته شده؛ شاهکاری از شرکت آلمانی زایس که اگر نباشد، نه موبایلی در کار خواهد بود، نه اینترنتی و نه هوش مصنوعی‌ای.

حالا ما با تمدنی روبه‌رو هستیم که تمام زیربنای دیجیتالش، از هوش مصنوعی گرفته تا خودروهای خودرانِ آینده، روی دوشِ این قطعات فوق‌پیشرفته در اروپا سوار شده است. بیایید با هم ببینیم چگونه سرنوشت کل جهان مدرن به دقتِ تراشِ شیشه در یک کارخانه‌ی خاص گره خورده است.

یک تراشه، در ساده‌ترین تعریف از مجموعه‌ای از میلیاردها کلید خاموش و روشن تشکیل می‌شود: کلیدهایی که با نام «ترانزیستور» می‌شناسیم و وظیفه کنترل جریان الکترون‌ها را بر عهده دارند. ظاهراً با سازوکار ساده‌ای روبرو هستیم، ولی وقتی سراغ ابعاد می‌رویم، تصورات منطقی‌مان به هم می‌ریزد:

ابعاد یک ترانزیستور مدرن، به حدود یک ده‌هزارم ضخامت موی انسان می‌رسد و مهندسان موفق شده‌اند میلیاردها عدد از این ترانزیستورها را در فضایی کوچک‌تر از ناخن انگشت شما جای دهند. همین فشردگی و دقت، ساخت تراشه را به یکی از حیرت‌انگیزترین دستاوردهای تاریخ مهندسی بشر تبدیل می‌کند.

به همین دلیل، ساخت تراشه فراتر از فرایندی صنعتی، ترکیبی است از فیزیک نور، شیمی مواد، مهندسی مکانیک فوق‌دقیق و ریاضیات پیشرفته. هر نسل جدید از تراشه‌ها، با دقتی بالاتر از نسل قبل تولید می‌شود.

پس تراشه‌ها فقط محصول نهایی نیستند؛ آن‌ها حاصل زنجیره‌ای از فناوری‌های بسیار خاص‌اند که تعداد کمی از شرکت‌ها در جهان توانایی مشارکت در آن را دارند. و درست همین‌جا پای بازیگران خاص و کمتر شناخته‌شده‌ای به میان می‌آید؛ شرکت‌هایی که نامشان روی گوشی‌ها دیده نمی‌شود، اما بدون آن‌ها، هیچ گوشی، پردازنده یا ابرکامپیوتری وجود نخواهد داشت.

برای ساختن چنین ساختار ظریفی، مهندسان به تکنیکی روی آورده‌اند که بی‌شباهت به چاپ عکس‌های قدیمی نیست، اما با دقتی بسیار بالاتر؛ فرایندی که «لیتوگرافی» نام دارد.

در این روش، طرح و نقشه پردازنده با نور روی یک ویفر سیلیکونی تابانده می‌شود. سطح این ویفر با مواد شیمیایی حساس به نور پوشانده شده است. وقتی نور به این سطح برخورد می‌کند، طرح مدار روی آن «چاپ» می‌شود.

در نهایت این ویفر بزرگ برش می‌خورد و به صدها تراشه‌ی مستقل و کوچک تبدیل می‌شود که هرکدام بخشی از وظایف محاسباتی و کنترلی دستگاه‌های الکترونیکی امروزی را بر عهده دارند.

وقتی صحبت از لیتوگرافی پیشرفته می‌شود، ناگزیر به تنها شرکت می‌رسیم که توانسته ماشین‌هایی بسازد که دقت لازم برای تولید پیشرفته‌ترین تراشه‌های جهان را دارند: شرکت ASML.

در دنیای صنعت، انحصار معمولاً نتیجه‌ی پول یا نفوذ سیاسی است، اما انحصار ASML را می‌توانیم از جنس دیگری بدانیم؛ حاصل دهه‌ها شکست، آزمون، بن‌بست‌های فیزیکی و عبور از مرزهایی که بسیاری اصلاً به آن‌ها نزدیک هم نشدند. اگر فردا صبح کارخانه ASML تعطیل شود، پیشرفت قانون مور متوقف می‌شود و ساخت تراشه‌های جدید غیرممکن خواهد شد.

دستگاه‌های لیتوگرافی ASML شبیه ماشین‌های معمول کارخانه‌ای نیستند. هر کدام از آن‌ها مجموعه‌ای عظیم از سیستم‌های نوری، مکانیکی، الکترونیکی و نرم‌افزاری‌اند که باید هم‌زمان و با هماهنگی کامل کار کنند.

اما پیچیدگی فقط در اندازه و تعداد قطعات خلاصه نمی‌شود. این ماشین‌ها باید بتوانند الگوهایی را روی ویفر ثبت کنند که ابعادشان به چند نانومتر می‌رسد، آن هم با تکرارپذیری بالا و بدون کوچک‌ترین خطا. برای رسیدن به چنین دقتی، همه‌چیز باید کنترل شود: دما، لرزش، فشار هوا، حتی نویزهای الکترومغناطیسی اطراف دستگاه.

در نسل‌های قبلی ماشین‌های تراشه‌سازی، ASML از لنزهای بسیار پیشرفته برای متمرکزکردن نور فرابنفش معمولی و چاپ مدارها استفاده می‌کرد. لنزها کارشان را خوب بلد بودند؛ نور را می‌گرفتند و روی نقطه موردنظر متمرکز می‌کردند.

اما با کوچک‌تر شدن ترانزیستورها، این روش به بن‌بست رسید. نور دیگر توان لازم را برای تفکیک جزئیات نداشت. صنعت به نقطه‌ای رسید که یا باید نوع نور را عوض می‌کرد، یا پیشرفت متوقف می‌شد.

ASML مسیری را انتخاب کرد که هیچ‌کس پیش از آن در مقیاس صنعتی نرفته بود: استفاده از نور فرابنفش شدید یا EUV. این تصمیم همه‌چیز را تغییر داد و درعین‌حال، چالش تازه‌ای را به‌وجود آورد که حل آن از توان یک شرکت به‌تنهایی خارج بود: دانشی که مستقیماً به اپتیک، سطح و دقت‌های فراتر از استانداردهای صنعتی مربوط می‌شد.

برای درک اینکه چرا صنعت تراشه‌سازی ناگهان مسیرش را تغییر داد، باید به سراغ «نور» برویم. برای چاپ مدارهای کوچک‌تر، ما به نوری با طول‌موج کوتاه‌تر نیاز داریم. EUV با طول‌موج بسیار کوتاهش این مسئله را حل می‌کند و به همین دلیل دستگاه لیتوگرافی می‌تواند با آن جزئیات بسیار ریز را روی تراشه ثبت کند.

ولی مشکل اینجاست که نور فرابنفش شدید تقریباً از شیشه عبور نمی‌کند. هر لنزی که سر راه EUV قرار بگیرد، نور را جذب می‌کند و عملاً چیزی به ویفر نمی‌رسد.

اینجا بود که ASML با مشکلی وجودی روبرو شد. لنزهای قدیمی همان ابزارهایی که دهه‌ها قلب سیستم‌های نوری بودند، دیگر کارایی نداشتند. در این شرایط، تنها راه باقی‌مانده استفاده از آینه بود؛ اما نه آینه‌هایی که تصویر صورت ما را بازتاب می‌دهند. سیستم EUV به مجموعه‌ای از آینه‌های بسیار خاص نیاز دارد که بتوانند این نور سرکش را بدون جذب‌شدن، با دقتی بی‌نقص هدایت کنند.

به‌این‌ترتیب صحنه برای ورود شرکت آلمانی زایس (Zeiss) آماده شد؛ شرکتی که تخصصش نه در ساخت تراشه، بلکه در رام‌کردن نور بود و درعین‌حال تنها شرکتی بود که جرئت کرد مسئولیت ساخت سیستم نوریِ تمام‌آینه‌ای را بر عهده بگیرد.

در ماشین‌های پیشرفته‌ی لیتوگرافی، نور EUV در یک محفظه‌ی خلأ حرکت می‌کند و از میان زنجیره‌ای از آینه‌های منحنی رد می‌شود. هر آینه، مسیر نور را کمی تغییر می‌دهد و آن را متمرکزتر می‌کند تا در نهایت، الگوی مدار دقیقاً روی سطح ویفر بنشیند. کل این مسیر باید بدون هوا انجام شود، چون حتی مولکول‌های هوا هم می‌توانند EUV را تضعیف کنند.

چالش اصلی اما سطح آینه‌هاست. اگر سطح آینه حتی در حد چند اتم ناهموار باشد، تصویر نهایی دچار خطا می‌شود. در مقیاس نانومتر، نقص‌هایی که برای چشم انسان کاملاً نامرئی‌اند، می‌توانند کل تراشه را از کار بیندازند. به همین دلیل، این آینه‌ها باید به سطحی برسند که در مهندسی، به آن «فراهمواری افراطی» می‌گویند.

اگر کوچک‌ترین نقصی روی این آینه باشد، تصویر مدار درست نقش نمی‌بندد و تراشه کار نخواهد کرد. زایس عملاً صاف‌ترین سطح روی کره زمین را خلق کرده است.

به‌علاوه این آینه‌ها باید شکل منحنی بسیار دقیقی هم داشته باشند تا مسیر نور را مرحله‌به‌مرحله اصلاح کنند. هر انحنا بادقت محاسبه می‌شود و هر لایه‌ی پوششی با ضخامت کنترل‌شده روی سطح قرار می‌گیرد تا بازتاب به بیشترین مقدار ممکن برسد.

ولی صاف بودن به‌تنهایی کافی نیست. این آینه‌ها باید در حین کار، زیر بمباران نوری شدید، ثابت بمانند و نور را با دقتی باورنکردنی به نقطه بعدی پرتاب کنند. پایداری مکانیکی این سیستم باید مطلق باشد.

مهندسان زایس و ASML برای توصیف دقت این آینه‌ها از مثال جالبی استفاده می‌کنند: اگر یکی از این آینه‌ها پرتوی لیزری را منحرف کند و آن پرتو به سمت ماه نشانه برود، خطای آن‌قدر کم خواهد بود که می‌توان نقطه‌ای به اندازه‌ی یک توپ پینگ‌پنگ را هدف گرفت. این مثال، نه برای نمایش قدرت، بلکه برای نشان‌دادن مقیاس خطاست؛ خطایی که عملاً به صفر نزدیک می‌شود.

اینجا روشن می‌شود چرا آینه‌های Zeiss فقط قطعه‌ای از دستگاه نیستند، بلکه تعیین می‌کنند دستگاه اصلاً قابل‌استفاده باشد یا نه.

در میانه‌ی دهه‌ی ۲۰۱۰، ASML به‌خوبی می‌دانست که موفقیت ماشین‌های EUV فقط به مهندسی داخلی خودش وابسته نیست. بخش حیاتی این سیستم‌ها، همان جایی بود که شرکت دیگری فرمان را در دست داشت: اپتیک. برای همین، همکاری میان ASML و Zeiss دیگر صرفاً رابطه‌ی تأمین‌کننده و مشتری نبود؛ به یک وابستگی استراتژیک تبدیل شده بود.

سال ۲۰۱۶، ASML این واقعیت را رسمی کرد و با پرداخت حدود یک میلیارد یورو، ۲۵ درصد از سهام واحد Carl Zeiss SMT را خرید؛ بخشی از زایس که به‌طور اختصاصی روی اپتیک لیتوگرافی نیمه‌رسانا کار می‌کند. این سرمایه‌گذاری فقط تزریق پول نبود؛ پیامی روشن به کل صنعت داشت: آینده‌ی لیتوگرافی پیشرفته، مسیر مشترکی است که این دو شرکت با هم طی می‌کنند.

از بیرون شاید این همکاری شبیه یک اتحاد تجاری معمولی به نظر برسد، اما در عمل، اثر آن بسیار عمیق‌تر است. هر شرکتی که بخواهد وارد این حوزه شود؛ اکوسیستمی کامل را مقابل خود می‌بیند که سال‌ها جلوتر حرکت می‌کند.

امروز هیچ شرکت دیگری در جهان وجود ندارد که بتواند چنین سیستم نوری پیچیده‌ای بسازد و هیچ شرکت دیگری هم نیست که بتواند چنین ماشینی را مونتاژ کند. این دو بازیگر تأثیرگذار با هم انحصاری را شکل داده‌اند که شکستنش تقریباً ناممکن است.

وقتی یک تراشه‌ی پیشرفته به بازار می‌رسد، نام سازنده‌ی نهایی آن معمولاً روی جعبه دیده می‌شود؛ اما مسیر واقعی تولید، خیلی زودتر و در جایی کاملاً متفاوت آغاز شده است. تقریباً تمام تراشه‌هایی که امروز در بالاترین سطح فناوری ساخته می‌شوند، از یک زنجیره‌ی مشخص عبور می‌کنند که نقطه‌ی مرکزی آن، ماشین‌های EUV است.

در رأس این زنجیره، شرکت TSMC تایوان قرار دارد؛ بزرگ‌ترین تولیدکننده‌ی تراشه‌های پیشرفته در جهان. این شرکت سهمی بیش از ۹۰ درصد از تولید تراشه‌هایی را در اختیار دارد که با برترین فناوری‌های موجود ساخته می‌شوند.

TSMC با استفاده از همین فناوری توانسته به لیتوگرافی ۵ نانومتری و حالا ۳ نانومتری دست پیدا کند. این اعداد یعنی سرعت بیشتر و مصرف انرژی کمتر. این زنجیره تأمین، مسیر یک‌طرفه‌ای است که از آلمان و هلند شروع می‌شود و به تایوان می‌رسد.

هر شرکت دیگری در دنیا که بخواهد در لبه تکنولوژی حرکت کند، چاره‌ای جز عبور از این دروازه مشترک ندارد.

پویش پورمحمد

پروژه سری چین لو رفت؛ ساخت ممنوعه‌ترین دستگاه دنیا با قطعات بازیافتی

مطالعه '8

قدرت بی‌رقیب این تکنولوژی، توجه سیاست‌مداران را هم جلب کرد و در سال‌های اخیر، ایالات متحده با تحریم‌ها و کنترل صادرات تلاش کرده تا دسترسی چین را به این فناوری حیاتی قطع کند. اگر چین به ماشین‌های EUV دسترسی پیدا می‌کرد، می‌توانست در ساخت سلاح‌های هوشمند، هوش مصنوعی و زیرساخت‌های نظامی پیشرفت غیرمنتظره‌ای داشته باشد. به همین دلیل، فشار سنگینی به ASML وارد شد تا فروش پیشرفته‌ترین ماشین‌هایش به چین را متوقف کند.

گرچه مدتی پیش خبرهایی منتشر شد مبنی بر اینکه چین نمونه‌ی اولیه دستگاه EUV خود را توسعه داده و به مرحله‌ی آزمایش رسانده است، اما بخش اپتیکی و دسترسی‌نداشتن به سیستم‌های نوری زایس، هنوز مهم‌ترین ضعف این دستگاه به شمار می‌رود.

شاید فکر کنید با رسیدن به این سطح از دقت، زایس و ASML خیالشان راحت شده، اما در دنیای فناوری «توقف» معنایی ندارد. زایس هم‌اکنون روی نسل بعدی اپتیک‌ها کار می‌کند و کلیدواژه این مرحله جدید، «روزنه عددی» (Numerical Aperture) یا همان NA است.

به‌این‌ترتیب رقابت فعلی دیگر بر سر قدرت خام نیست، بلکه بر سر «دقت» است. زایس با پروژه High-NA تلاش می‌کند مرزهای فیزیک نور را باز هم عقب‌تر ببرد تا تراشه‌هایی ساخته شوند که امروز حتی تصورش برایمان دشوار است.

چرا ما به این‌همه قدرت پردازشی نیاز داریم؟ شاید چون سبک زندگی بشر خیلی سریع تغییر می‌کند. ما در آستانه دورانی قرار داریم که خودروهای خودران در خیابان‌ها تردد می‌کنند، هوش مصنوعی مکالمات و کارهای روزمره را مدیریت می‌کند و شبکه‌های 5G و نسل‌های بعد از آن، همه چیز را به هم متصل می‌کنند.

بنابراین، نیاز به ماشین‌های لیتوگرافی پیشرفته‌تر نه‌تنها کم نمی‌شود، بلکه به‌صورت انفجاری رشد خواهد کرد. ماشین‌هایی که خودشان زاییده فناوری هستند، حالا باید پیشرفته‌ترین فناوری‌های آینده را بسازند.

حالا دوباره به گوشی موبایل یا لپ‌تاپ‌تان نگاه کنید. شاید فقط صفحه‌نمایش و بدنه‌ای پلاستیکی یا فلزی را ببینید، ولی حالا می‌دانید مهم‌ترین بخش پردازشی این لوازم الکتریکی با چه سازوکار فناورانه‌ای توسعه می‌یابد:

داستانی که از یک کارخانه اپتیک در آلمان شروع می‌شود، جایی که صاف‌ترین آینه‌های جهان نور را هدایت می‌کنند؛ به هلند می‌رود تا در پیچیده‌ترین ماشین‌های ساخت بشر مونتاژ شود؛ و درنهایت به تایوان می‌رسد تا بر ویفرهای سیلیکونی نقش ببندد.

این زنجیره قدرت، واقعیت جهان امروز ماست. برخی از تعیین‌کننده‌ترین ابزارهای قرن بیست و یکم، در اتاق‌های سکوت و تمیز کارخانه‌هایی ساخته می‌شوند که نور را به داده تبدیل می‌کنند و دنیای دیجیتال ما، روی شانه‌های نامرئی این آینه‌ها ایستاده است.