اعتدت أجهزة الكمبيوتر أن تكون كبيرة بحجم الغرفة لكنه الآن في جيبك، على معصمك، ويمكن حتى زرعها داخل جسمك. كم ذلك رائع! قد تم تمكين هذا عن طريق تصغير الترانزستورات وهي مفاتيح صغيرة في الدارات في قلب أجهزة الكمبيوتر لدينا. وقد تحقق ذلك، من خلال عقود من التنمية وتقدمات مفاجئة، في العلوم والهندسة ومليارات الدولارات من الاستثمار. لكنه أعطانا كميات هائلة من الحوسبة، كميات هائلة من الذاكرة والثورة الرقمية التي نختبرها ونستمتع بها اليوم.
Computers used to be as big as a room. But now they fit in your pocket, on your wrist and can even be implanted inside of your body. How cool is that? And this has been enabled by the miniaturization of transistors, which are the tiny switches in the circuits at the heart of our computers. And it's been achieved through decades of development and breakthroughs in science and engineering and of billions of dollars of investment. But it's given us vast amounts of computing, huge amounts of memory and the digital revolution that we all experience and enjoy today.
ولكن الخبر السيء، نحن على وشك الوصول إلى حاجز طرق رقمي، باعتبار ان معدل تصغير الترانزستورات يتباطئ. وهذا ما يحدث بالضبط، في نفس الوقت الذي يكون فيه إبداعنا في البرمجيات يستمر بلا هوادة مع الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة. وأجهزتنا تعمل بانتظام على التعرف على الوجه أو تعزيز واقعنا أو حتى قيادة السيارات في طريقنا الفوضوي الغادر. إنه مذهل. لكن إذا لم نستمر مع شهية برنامجنا، ربما سنصل إلى نقطة في تطوير التكنولوجيا لدينا حيث أن الأشياء التي يمكننا القيام بها في البرمجيات يمكن أن تكون محدودة! من قِبل جهازنا الصلب.
But the bad news is, we're about to hit a digital roadblock, as the rate of miniaturization of transistors is slowing down. And this is happening at exactly the same time as our innovation in software is continuing relentlessly with artificial intelligence and big data. And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality or even drive cars down our treacherous, chaotic roads. It's amazing. But if we don't keep up with the appetite of our software, we could reach a point in the development of our technology where the things that we could do with software could, in fact, be limited by our hardware.
لقد عانينا جميعًا من الإحباط من هاتف ذكي قديم أو جهاز لوحي قديم يكدح ببطئ مع مرور الزمن، إلى أن يتوقف عن العمل، بسبب الوزن المتزايد باستمرار من تحديثات البرامج والميزات الجديدة. وقد عملت على ما يرام، فقط عندما اشتريناها منذ وقت ليس ببعيد. لكن، مهندسي البرمجيات الجياع قد أكلوا كامل قدرات الجهاز مع مرور الزمن. صناعة أشباه الموصلات، تدرك هذا جيداً، وتعمل على كل أنواع الحلول الإبداعية، مثل الذهاب إلى أبعد من الترانزستورات إلى الحوسبة الكمومية. أو حتى العمل مع الترانزستورات في البنى البديلة مثل الشبكات العصبية لصناعة دارات اكثر قوة و فعالية. لكن هذه المقاربات سوف تستغرق بعض الوقت، ونحن نبحث حقاً عن أكثر من ذلك بكثير لحل فوري لهذه المشكلة.
We've all experienced the frustration of an old smartphone or tablet grinding slowly to a halt over time under the ever-increasing weight of software updates and new features. And it worked just fine when we bought it not so long ago. But the hungry software engineers have eaten up all the hardware capacity over time. The semiconductor industry is very well aware of this and is working on all sorts of creative solutions, such as going beyond transistors to quantum computing or even working with transistors in alternative architectures such as neural networks to make more robust and efficient circuits. But these approaches will take quite some time, and we're really looking for a much more immediate solution to this problem.
السبب في أن معدل التصغير من الترانزستورات يتباطئ بسبب التعقيد المتزايد في عملية التصنيع. الترانزستور كان جهاز ضخم كبير، حتى اختراع الدائرة المتكاملة على أساس رقائق السيليكون النقية البلورية. وبعد 50 سنة من التطوير المستمر، يمكننا الآن تحقيق ترانزستور بأبعاد تصل الى 10 نانومتر. يمكنك احتواء أكثر من مليار من الترانزستورات في ملليمتر مربع واحد من السيليكون. ولوضع هذا في منظور: ثخن شعرة الإنسان 100 ميكرون. خلية دم حمراء، وهي غير مرئية في الأساس، هو ثمانية ميكرون، ويمكنك وضع 12 عبر عرض شعر الانسان. لكن الترانزستور، في المقارنة، أصغر بكثير، في جزء صغير جدا من الميكرون. يمكنك أن تضع أكثر من 260 من الترانزستورات عبر خلية دم حمراء واحدة أو أكثر من 3000 عبر عرض شعر الانسان. انها حقا تكنولوجيا نانو لا تصدق! وهي في جيبك الآن. وبالاضافة الى الفائدة الواضحة في القدرة على وضع المزيد من الترانزستورات الأصغر على رقاقة. الترانزستورات الأصغر هي مفاتيح أسرع، و الترانزستورات الأصغر هي أيضاً مفاتيح أكثر كفاءة.
The reason why the rate of miniaturization of transistors is slowing down is due to the ever-increasing complexity of the manufacturing process. The transistor used to be a big, bulky device, until the invent of the integrated circuit based on pure crystalline silicon wafers. And after 50 years of continuous development, we can now achieve transistor features dimensions down to 10 nanometers. You can fit more than a billion transistors in a single square millimeter of silicon. And to put this into perspective: a human hair is 100 microns across. A red blood cell, which is essentially invisible, is eight microns across, and you can place 12 across the width of a human hair. But a transistor, in comparison, is much smaller, at a tiny fraction of a micron across. You could place more than 260 transistors across a single red blood cell or more than 3,000 across the width of a human hair. It really is incredible nanotechnology in your pocket right now. And besides the obvious benefit of being able to place more, smaller transistors on a chip, smaller transistors are faster switches, and smaller transistors are also more efficient switches.
لذلك أعطانا هذا الجمع الإلكترونيات ذات تكلفة أقل، أداء أعلى و كفاءة أعلى التي نستمتع بها جميعنا اليوم.
So this combination has given us lower cost, higher performance and higher efficiency electronics that we all enjoy today.
لتصنيع هذه الدوائر المتكاملة، تم بناء الترانزستورات طبقة تلو طبقة على رقاقة السيليكون النقية البلورية. وبمعنى أبسط، كل ميزة صغيرة من الدارة تم اسقاطها على سطح رقاقة السيليكون وسجلت في مادة حساسة للضوء ومن ثم حفر خلال المواد الحساسة للضوء لترك النمط في الطبقات السفلية. و هذه العملية تتحسن بشكل كبير على مرّ السنين لإعطاء اداء الالكترونيات التي نملكها اليوم.
To manufacture these integrated circuits, the transistors are built up layer by layer, on a pure crystalline silicon wafer. And in an oversimplified sense, every tiny feature of the circuit is projected onto the surface of the silicon wafer and recorded in a light-sensitive material and then etched through the light-sensitive material to leave the pattern in the underlying layers. And this process has been dramatically improved over the years to give the electronics performance we have today.
ولكن مع تصاغر الترانزستورات، نحن نقترب حقا من القيود المادية لتقنية التصنيع هذه. أحدث الأنظمة للقيام بهذا التنميط أصبحت معقدة للغاية يقال أن تكلفتها أكثر من 100 مليون دولار لكل منها. ومصانع أشباه الموصلات تحتوي على العشرات من هذه الآلات. لذلك الناس يسألون بجدية: هل هذا النهج طويل الأجل؟ لكننا نعتقد أنه يمكننا القيام بتصنيع هذه الرقاقات بطريقة مختلفة تماماً وأكثر فعالية بالكلفة باستخدام الهندسة الجزيئية، وتقليد الطبيعة نزولا الى أبعاد النانو من الترانزستورات لدينا.
But as the transistor features get smaller and smaller, we're really approaching the physical limitations of this manufacturing technique. The latest systems for doing this patterning have become so complex that they reportedly cost more than 100 million dollars each. And semiconductor factories contain dozens of these machines. So people are seriously questioning: Is this approach long-term viable? But we believe we can do this chip manufacturing in a totally different and much more cost-effective way using molecular engineering and mimicking nature down at the nanoscale dimensions of our transistors.
كما قلت، التصنيع التقليدي يأخذ كل ميزة صغيرة من الدائرة و يسقطها على السيليكون. ولكن إذا نظرت إلى هيكل الدائرة متكاملة، مصفوفات الترانزستور، يتم تكرار العديد من الميزات ملايين المرات. انها بنية دورية للغاية. لذلك نحن نريد الاستفادة من هذا التكرار الدوري في تقنيتنا البديلة في التصنيع. نريد استخدام مواد التجميع الذاتي لتشكيل الهياكل الدورية بشكل طبيعي التي نحتاجها للترانزستورات لدينا. نحن نفعل هذا مع المواد، ثم المواد تفعل العمل الشاق من الزخرفة الجميلة، بدلاً من الدخول في إسقاط التكنولوجيا إلى حدودها و تجاوزها. ينظر إلى التجميع الذاتي في الطبيعة في العديد من الأماكن المختلفة، من الأغشية الدهنية إلى هياكل الخلية، لذلك نحن نعرف أنه يمكن أن يكون حلا قويا. إذا كانت جيدة بما فيه الكفاية للطبيعة، يجب أن تكون جيدة بما فيه الكفاية لنا لذلك نحن نريد أن نأخذ هذا الحدوث الطبيعي التجميع الذاتي المتين واستخدامها لتصنيع تكنولوجيا أشباه الموصلات.
As I said, the conventional manufacturing takes every tiny feature of the circuit and projects it onto the silicon. But if you look at the structure of an integrated circuit, the transistor arrays, many of the features are repeated millions of times. It's a highly periodic structure. So we want to take advantage of this periodicity in our alternative manufacturing technique. We want to use self-assembling materials to naturally form the periodic structures that we need for our transistors. We do this with the materials, then the materials do the hard work of the fine patterning, rather than pushing the projection technology to its limits and beyond. Self-assembly is seen in nature in many different places, from lipid membranes to cell structures, so we do know it can be a robust solution. If it's good enough for nature, it should be good enough for us. So we want to take this naturally occurring, robust self-assembly and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.
نوع واحد من مواد التجميع الذاتي،، يطلق عليه كتلة البوليمر المشتركة، يتكون من سلسلتين بوليمر فقط و طوله بضع عشرات من النانومتر. لكن هذه السلاسل تكره بعضها البعض. إنهم يصدون بعضهم البعض، يشبه إلى حد كبير النفط والماء أو ابني وابنتي المراهقين.
One type of self-assemble material -- it's called a block co-polymer -- consists of two polymer chains just a few tens of nanometers in length. But these chains hate each other. They repel each other, very much like oil and water or my teenage son and daughter.
(ضحك)
(Laughter)
لكننا نربطهم بقسوة معاً، يشكل في ثناياه عوامل الإحباط في النظام، كما يحاولون الانفصال عن بعضهم البعض. وفي المواد السائبة، هناك مليارات من هؤلاء، والمكونات المماثلة حاولت أن تلتصق ببعضها البعض، والمكونات المعارضة تحاول الانفصال عن بعضها البعض في نفس الوقت. وهذا له إحباط داخلي، توتر في النظام. لذلك يتحرك، يضغط حتى يتم تشكيل الشكل. والشكل الطبيعي الذاتي التجميع التي يتم تشكيلها هو مقياس النانو، انها منتظمة، انها دورية، وهي بعيدة المدى، وهو بالضبط ما نحتاجه لصفائف الترانزستور لدينا.
But we cruelly bond them together, creating an inbuilt frustration in the system, as they try to separate from each other. And in the bulk material, there are billions of these, and the similar components try to stick together, and the opposing components try to separate from each other at the same time. And this has a built-in frustration, a tension in the system. So it moves around, it squirms until a shape is formed. And the natural self-assembled shape that is formed is nanoscale, it's regular, it's periodic, and it's long range, which is exactly what we need for our transistor arrays.
لذلك يمكننا استخدام الهندسة الجزيئية لتصميم الأشكال المختلفة من مختلف الأحجام ودورات مختلفة. لذلك على سبيل المثال، إذا أخذنا جزيء متماثل حيث سلاسل البوليمر اثنتين متشابهة الطول ، البنية الطبيعية المجمعة ذاتيا التي يتم تشكيلها هي خط طويل متعرج، يشبه إلى حد كبير البصمة. وعرض خطوط بصمات الأصابع والمسافة بينهما يتحدد بالأطوال من سلاسل البوليمر لدينا ولكن أيضا بمستوى الإحباط المبني داخليا في النظام.
So we can use molecular engineering to design different shapes of different sizes and of different periodicities. So for example, if we take a symmetrical molecule, where the two polymer chains are similar length, the natural self-assembled structure that is formed is a long, meandering line, very much like a fingerprint. And the width of the fingerprint lines and the distance between them is determined by the lengths of our polymer chains but also the level of built-in frustration in the system.
ويمكننا حتى إنشاء هياكل أكثر تفصيلاً إذا استخدمنا جزيئات غير متكافئة، حيث سلسلة البوليمر واحدة هي أقصر بكثير من الآخرى. والهيكل الذاتي التجميع المشكل في هذه الحالة هو مع سلاسل أقصر تُشكل كرة ضيقة في الوسط ، وتحيط به سلاسل البوليمر أطول و معارضة له، تشكيل اسطوانة طبيعية. وحجم هذه الاسطوانة والمسافة بين الاسطوانات، الدورية، يتم تحديده مرة أخرى من قبل متى نصنع سلاسل البوليمر ومستوى الإحباط المدمج.
And we can even create more elaborate structures if we use unsymmetrical molecules, where one polymer chain is significantly shorter than the other. And the self-assembled structure that forms in this case is with the shorter chains forming a tight ball in the middle, and it's surrounded by the longer, opposing polymer chains, forming a natural cylinder. And the size of this cylinder and the distance between the cylinders, the periodicity, is again determined by how long we make the polymer chains and the level of built-in frustration.
وبعبارة أخرى، نحن نستخدم الهندسة الجزيئية للهياكل المجمعة ذاتيا على مستوى النانو التي يمكن أن تكون خطوط أو اسطوانات بحجم ودورية تصميمنا. نحن نستخدم الكيمياء، هندسة كيميائية، لتصنيع ميزات النانو التي نحتاجها للترانزستورات لدينا.
So in other words, we're using molecular engineering to self-assemble nanoscale structures that can be lines or cylinders the size and periodicity of our design. We're using chemistry, chemical engineering, to manufacture the nanoscale features that we need for our transistors.
لكن القدرة لتجميع هذه الهياكل ذاتيا يأخذنا فقط نصف الطريق، لأننا لا نزال بحاجة لوضع هذه الهياكل حيث نريد الترانزستورات في الدائرة المتكاملة. لكن يمكننا القيام بذلك بسهولة نسبية باستخدام هياكل دليل واسعة التي تعلق عليها الهياكل المجمعة ذاتياً، بحيث يثبتهم في مكان وإجبار بقية الهياكل المجمعة ذاتياً أن تتوضع بالتوازي، تتماشى مع دليل هيكلنا. مثلاً، إذا كنا نريد أن نصنع خط 40 نانومتر دقيق، وهو صعب جدا للتصنيع مع تقنية الإسقاط التقليدية، يمكننا صنع دليل هيكل 120 نانومتر مع تقنية الإسقاط العادية، وهذا الهيكل سوف يوضع ثلاثة من خطوط 40 نانومتر بينهما. لذلك المواد تفعل الزخرفة الدقيقة الأكثر صعوبة.
But the ability to self-assemble these structures only takes us half of the way, because we still need to position these structures where we want the transistors in the integrated circuit. But we can do this relatively easily using wide guide structures that pin down the self-assembled structures, anchoring them in place and forcing the rest of the self-assembled structures to lie parallel, aligned with our guide structure. For example, if we want to make a fine, 40-nanometer line, which is very difficult to manufacture with conventional projection technology, we can manufacture a 120-nanometer guide structure with normal projection technology, and this structure will align three of the 40-nanometer lines in between. So the materials are doing the most difficult fine patterning.
ونحن نسمي هذا النهج كله "التجميع الذاتي الموجه." التحدي مع التجميع الذاتي الموجه هو أن النظام بأكمله يحتاج إلى للمحاذاة تقريباً بشكل تام، لأن أي عيب صغير في الهيكل يمكن أن يسبب فشل الترانزستور. ولأن هناك مليارات من الترانزستورات في دائرتنا، نحتاج تقريباً نظام مثالي جزيئي. لكننا نذهب إلى تدابير استثنائية لتحقيق هذا، من نظافة الكيمياء لدينا لتجهيز دقيق لهذه المواد في مصنع أشباه الموصلات لإزالة حتى أصغر العيوب النانوية.
And we call this whole approach "directed self-assembly." The challenge with directed self-assembly is that the whole system needs to align almost perfectly, because any tiny defect in the structure could cause a transistor failure. And because there are billions of transistors in our circuit, we need an almost molecularly perfect system. But we're going to extraordinary measures to achieve this, from the cleanliness of our chemistry to the careful processing of these materials in the semiconductor factory to remove even the smallest nanoscopic defects.
لذلك التجميع الذاتي الموجه هي تقنية مبتكرة جديدة مثيرة ، لكنها لا تزال في مرحلة التطوير. لكننا ننمو في الثقة يمكننا، في الواقع، تقديمه لصناعة أشباه الموصلات كعملية تصنيع جديدة ثورية في السنوات القليلة المقبلة فقط. وإذا استطعنا القيام بذلك، إذا نجحنا، سنكون قادرين على المتابعة مع تصغير فعال من حيث الكلفة للترانزستورات تواصل مع توسع مذهل في الحوسبة والثورة الرقمية. وما هو أكثر من ذلك، هذا يمكن حتى يكون فجر عهد جديد التصنيع الجزيئي. كم هذا رائع!
So directed self-assembly is an exciting new disruptive technology, but it is still in the development stage. But we're growing in confidence that we could, in fact, introduce it to the semiconductor industry as a revolutionary new manufacturing process in just the next few years. And if we can do this, if we're successful, we'll be able to continue with the cost-effective miniaturization of transistors, continue with the spectacular expansion of computing and the digital revolution. And what's more, this could even be the dawn of a new era of molecular manufacturing. How cool is that?
شكرا لكم
Thank you.
(تصفيق)
(Applause)