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.
رایانهها قبلاً به بزرگی یک اتاق بودند. اما حالا در جیبتان جا میشوند، روی مچ دستتان و حتی داخل بدنتان پیوند زده میشوند. این چقدر خوب است؟ و دلیل آن کوچک سازی ترانزیستورها بوده، که کلیدهای کوچک در مدارهایی در قلب رایانه هستند. و این بدلیل دهها سال توسعه و پیشرفت در علم و مهندسی و میلیاردها دلار سرمایه گذاری حاصل شده است. که برای ما مقدار گستردهای از توان پردازش حجم زیادی از فضای حافظه و انقلابی دیجیتال آورده که همه ما امروزه استفاده میکنیم و لذت میبریم.
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.
اما خبر بد این که، نزدیک است تا به مانعی دیجیتال در این راه برسیم، چون میزان کوچک سازی ترانزیستورها کندتر میشود. و این اتفاق دقیقا وقتی میافتد که نوآوریهای ما در نرمافزار با هوش مصنوعی و دادههای کلان بیوقفه ادامه دارند. و ابزارهای ما به شکلی معمول تشخیص چهره یا واقعیت افزوده انجام میدهند و یا حتی خودروهای ما را در جادههای نامطمئن و شلوغ میرانند. شگفتآور است. اما اگر ما به سلیقهمان در نرمافزار ادامه ندهیم، به نقطهای در توسعه فناوری خواهیم رسید که کارهایی که با نرمافزارمان میتوانیم انجام دهیم به خاطر سختافزار محدود میشود.
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.
همه ما تجربههای ناامید کننده تلفنهای هوشمند یا تبلتهای قدیمی را بیاد داریم که به زحمت و به تدریج زیر فشار بروزرسانیهای نرمافزاری و ویژگیهای جدید از کار میافتادند. در حالیکه وقتی میخریدیمشان همین چند وقت پیش بخوبی کار میکردند. اما مهندسان نرمافزار پراشتها تمامی ظرفیت سختافزار را خوردند به تدریج. صنعت نیمههادی بخوبی از این موضوع آگاه است و روی راهحلهای خلاقانه زیادی کار میکند، مثلا عبور از ترانزیستورها به سمت پردازش کوانتومی یا حتی کار با ترازیستورهایی با معماری متفاوت مثل شبکههای عصبی تا مدارهایی مقاومتر و کاراتر داشته باشیم. اما این راهکارها وقت زیادی لازم دارند، و ما واقعا به دنبال راهکاری سریعتر برای این مشکل هستیم.
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.
دلیل اینکه چرا نرخ کوچک سازی ترانزیستورها کند شده است پیچیده شدن هرچه بیشتر فرآیند تولید است. قبلا ترانزیستور یک قطعه بزرگ و پر حجم بود، تا زمانی که مدار مجتمع اختراع شد بر پایه ویفرهایی از کریستال خالص سیلیکون. و بعد از ۵۰ سال توسعه مداوم، حالا میتوانیم ترانزیستورهایی در ابعاد تا ۱۰ نانومتر داشته باشیم. که میتوانید یک میلیارد از آنها را در هر میلیمتر مربع سیلیکون قرار دهید. برای نشان دادن این موضوع: سطح مقطع موی انسان ۱۰۰ میکرون است. یک گلبول قرمز خون، که اصلا قابل دیدن نیست، هشت میکرون عرض دارد، که میتوانید ۱۲ عدد از آنها را در مقطع موی انسان قرار دهید. اما در مقایسه ترانزیستور خیلی کوچکتر است، با عرضی کمتر از یک میکرون. میتوانید ۲۶۰ ترانزیستور را در امتداد یک گلبول خون قرار دهید یا بیش از ۳٫۰۰۰ عدد در عرض تار موی انسان. واقعا فناوری نانوی فوقالعادهای در جیب شما قرار دارد. و در کنار این مزیت مشخص که بتوانیم ترانزیستورهای بیشتری روی یک تراشه قرار دهیم، ترانزیستورهای کوچکتر کلیدهای سریعتری هم هستند، و کلیدهای سریعتر بازدهی بیشتری هم دارند.
So this combination has given us lower cost, higher performance and higher efficiency electronics that we all enjoy today.
پس این ترکیب برای ما هزینه کمتر، کارایی بالاتر و الکترونیک با بازدهی بالاتری را فراهم کرده که امروزه از آن استفاده میکنیم.
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.
برای تولید این مدارات مجتمع، ترانزیستورها لایه به لایه ساخته میشوند، روی یک ویفر از کریستال خالص سیلیکون. و با یک نگاه خیلی ساده شده، تمامی مشخصات یک مدار روی سطح ویفر سیلیکونی تابیده میشود که توسط یک ماده حساس به نور ثبت میشود و بعد توسط مواد حساس به نور الگوهای لازم را روی سطوح پایینی حک میکند. و این شیوه در طول سالها به شکل چشمگیری بهبود یافته تا کارایی موجود در الکترونیک امروزی را ایجاد کند.
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.
اما همینطور که ویژگیهای ترانزیستورها کوچک و کوچکتر میشوند، ما دیگر به محدودیتهای فیزیکی در تولید این محصولات نزدیکتر میشویم. آخرین سیستمهای تولید این محصولات چنان پیچیده شدهاند که گزارش رسیده که هرکدام بیش از ۱۰۰ میلیون دلار قیمت دارند. و کارخانههای نیمههادی دهها عدد از اینها را در خود دارند. حالا خیلیها به طور جدی سوال میکنند: آیا این روش در دراز مدت ممکن است؟ ما معتقدیم که این روش تولید تراشه را میشود به شیوهای کاملا متفاوت و بسیار اقتصادی با استفاده از مهندسی مولکولی و تقلید از طبیعت و تا ابعاد در حد نانوی ترانزیستورهایمان انجام داد.
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.
همانطور که گفتم، در شیوههای معمول تولید تمامی مشخصات مدار روی سطح سیلیکون تابانده میشود. اما اگر به مشخصات مدار مجتمع نگاه کنید، به آرایههای ترانزیستوری، خیلی از ویژگیها میلیونها بار تکرار شدهاند. ساختاری بسیار تکراری است. ما میخواهیم از این تکراری بودن در شیوه تولیدی جایگزینمان استفاده کنیم. میخواهیم از مواد خود نصب استفاده کنیم تا به شکلی طبیعی ساختارهای تکرار شدنی را که برای ایجاد ترانزیستورها نیاز داریم بسازیم. ما این کار را با مواد انجام میدهیم، پس این مواد هستند که کار سخت الگوسازی ظریف را انجام میدهند، بجای آنکه بخواهیم شیوه چاپ را تا محدودههای آن و فراتر ادامه دهیم. خود نصبی در خیلی از نقاط متفاوت طبیعت دیده میشود، از غشای لیپید تا ساختارهای سلولی، پس میدانیم که میتواند راهکاری مطمئن باشد. اگر برای طبیعت مناسب است، باید برای ما هم خوب باشد. پس ما میخواهیم این چیزی که طبیعی اتفاق میافتد، خود نصبی مطمئن را در تولید فناوری نیمههادی خودمان استفاده کنیم.
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.
یک نوع از مواد خود نصب -- که کوپلیمر نام دارند -- از دو زنجیره پلیمری تشکیل شده است که تنها چند ده نانومتر طول دارد. اما این دو زنجیره از هم متنفرند. همدیگر را دفع میکنند، خیلی شبیه به روغن و آب یا دختر و پسر نوجوان من.
(Laughter)
(خنده حضار)
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.
اما ما آنها را با بیرحمی به هم متصل میکنیم، و یک خستگی ذاتی در ساختار قرار میدهیم، چون میخواهند از هم جدا شوند. و در تودهای از این ماده، میلیاردها از اینها وجود دارد، اجزاء مشابه سعی میکنند تا به هم بچسبند، و اجزاء متضاد سعی میکنند از هم دور شوند همزمان. این یک خستگی درونی در سیستم است، یک تنش در سیستم. پس در اطرافش حرکت میکند، اینقدر پیچ و تاب میخورد تا شکل بگیرد. و شکل طبیعی خود نصبی که در ابعاد نانو ایجاد میشود، منظم، تکراری، و در طول زیاد است، و این دقیقا همان چیزی است که برای آرایههای ترانزیستوریمان نیاز داریم.
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.
پس میتوانیم از مهندسی مولکولی برای طراحی شکلهایی در اندازههای مختلف و تکرار شوندگیهای متفاوت استفاده کنیم. برای مثال، اگر یک مولکول متقارن را در نظر بگیریم، که دو زنجیره مولکولی طولی یکسان دارند، ساختار خود نصب طبیعی که شکل میگیرد خطوطی پرپیچ و خم و طولانی است، خیلی شبیه به اثر انگشت. و عرض خطوط اثر انگشت و فاصله بینشان بر مبنای طول زنجیرههای پلیمر ما تعیین میشود و همینطور میزان خستگی در سیستم.
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.
ما حتی میتوانیم ساختارهایی پیچیدهتر ایجاد کنیم اگر از مولکولهای نامتقارن استفاده کنیم، اگر یکی از زنجیرههای پلیمری از دیگری خیلی کوچکتر باشد. و ساختار خود نصبی که در این حالت ایجاد میشود با زنجیرههای کوچکتر که گلولههای محکمی را در وسط ایجاد میکنند، که با زنجیرههای پلیمری بلندتر در مقابل احاطه شده، و یک استوانه طبیعی میسازند. و اندازه این استوانه و فاصله میان استوانهها، تکرار شوندگی، مجددا توسط طول این زنجیرهها و میزان خستگی درونی تعیین میشود.
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.
پس به عبارت دیگر، ما از مهندسی مولکولی برای ایجاد نانو ساختارهای خود نصبی استفاده میکنیم که میتوانند خط یا استوانه به اندازه تکرار شوندگی که ما طراحی میکنیم باشند. ما از شیمی، مهندسی شیمی، استفاده میکنیم تا ویژگیهای نانویی تولید کنیم که برای ترانزیستورهایمان میخواهیم.
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.
اما توانایی خود نصبی این ساختارها تنها ما را تا نیمه راه میبرد، چون هنوز باید این ساختارها را در جایی که میخواهیم ترانزیستورها را در مدار مجتمع قرار دهیم بگذاریم. به نسبت این کار را میشود بسادگی انجام داد به کمک ساختارهای هادی که ساختارهای خود نصب را در جای خود قرار میدهند، و در محل محکمشان میکنند و مابقی ساختارهای خود نصب را وادار میکنند تا به شکل موازی قرار گیرند، مطابق با ساختار هادی ما. برای مثال، اگر بخواهیم یک خط ۴۰ نانومتری ظریف بسازیم، که تولیدش توسط روشهای معمول چاپ خیلی دشوار است، میتوانیم یک ساختار هادی ۱۲۰ نانومتری را با روشهای چاپ معمولی بسازیم، و این ساختار سه خط ۴۰ نانومتری را در میانش همراستا میکند. پس مواد سختترین الگوسازی را خودشان انجام میدهند.
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.
و ما این راهکار کامل را «خود نصبی مستقیم» نامیدهایم. چالش خود نصبی مستقیم این است که تمام ساختار باید تقریبا بدون اشکال همراستا شود، چون هر خطای کوچکی در ساختار میتواند باعث ایراد در یک ترانزیستور شود. و چون میلیاردها ترانزیستور در مدار ما هستند، به یک ساختار مولکولی بیعیب نیازمند هستیم. و به سمت معیارهایی غیر عادی برای دستیابی به این خواهیم رفت، از میزان تمیزی در شیمی تا پردازش دقیق این مواد در کارخانه نیمههادی تا حذف حتی کوچکترین ایراد در اندازههای نانو.
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?
پس خود نصبی مستقیم یک فناوری متحول کننده جدید و هیجان انگیز است، که هنوز در مرحله توسعه قرار دارد. اما به تدریج مطمئن میشویم که میتوانیم، در واقع، عرضهاش کنیم به صنعت نیمههادی به عنوان یک فرایند تولیدی انقلابی جدید تنها ظرف چند سال آینده. و اگر بتوانیم این کار را انجام دهیم، اگر موفق شویم، خواهیم توانست کوچکتر کردن ترانزیستورها را به شکلی اقتصادی ادامه دهیم، توسعه جذاب رایانهها و انقلاب دیجیتال را ادامه دهیم. و حتی بیشتر از آن، این میتواند ما را به دوران جدیدی از تولیدات مولکولی وارد کند. چقدر جالب میتواند باشد؟
Thank you.
متشکرم.
(Applause)
(تشویق حضار)