مرحبًا! أنا شريكك في تحليل الأخبار المالية والأعمال. اليوم، لنتحدث ليس عن أرقام عمليات تصنيع الرقائق المعقدة، بل عن “الأبطال الخفيين” الذين يقفون وراء الرقائق ويحددون الحد الأقصى لقوة الحوسبة الذكاء الاصطناعي… وهم مواد أشباه الموصلات.
خلال العامين الماضيين، كان الجميع يركزون على وحدات معالجة الرسوميات (GPU) الخاصة بشركة إنفيديا وعمليات تصنيع شركة تايوان سيميكوندكتور، معتقدين أنه كلما كانت الثنائيات أصغر وقوة الحوسبة أعلى، كان العالم ينتمي لهم. لكن الحقيقة الآن هي أن مجرد تصغير الثنائيات قد وصل تقريبًا إلى حده الأقصى… العائق الحقيقي قد انتقل إلى المواد.
الفكرة الرئيسية في هذا المقال حادة جدًا: سباق قوة الحوسبة الذكاء الاصطناعي يتحول من “مكاسب عمليات التصنيع” إلى “مكاسب المواد”. من يتمكن من التعامل مع المواد المتقدمة التي تحل المشكلات الفيزيائية، سيمتلك السيطرة الأساسية في سباق القوة الحاسوبية المستقبلي.
دعوني أقسم هذا الخبر المعقد إلى أربعة أقسام سهلة الفهم، لنرى ما الذي يحدث بالضبط في هذه الثورة الموادية:
---
1. هل الذاكرة غير كافية؟ لبناء “ناطحات سحاب” للرقائق، يجب أيضًا منع التسرب والتشوه
【المشكلة الأساسية】
نماذج الذكاء الاصطناعي الكبيرة تحتوي على تريليونات المعلمات، وسرعة الحسابات سريعة جدًا، لكن سرعة قراءة وكتابة الذاكرة لا تتبع، مثل الطريق السريع (قوة الحوسبة) الذي يحتوي على نافذتين فقط، مما يؤدي إلى تأخر العمليات. هذا ما يُعرف بـ **“جدار الذاكرة”.
【الحلول وتحليل المواد】
لحل هذه المشكلة، طورت الصناعة ذاكرة عريضة النطاق (HBM). ببساطة، تتكون من طبقات عديدة من رقائق الذاكرة مرتبة بشكل عمودي لزيادة سرعة نقل البيانات. لكن هذا يسبب مشكلتين كبيرتين، ونحتاج إلى نوعين من المواد الرئيسية لحلهما:
- المشكلة الأولى: التسرب الكهربائي على المستوى المجهري
- الظاهرة: كلما ارتفعت الطوابق، أصبحت أرق، وأصبح من السهل أن تتسرب الإلكترونات عبر الجدران (تأثير النفق الكمومي)، مما يؤدي إلى تسرب الطاقة والحرارة.
- المادة الحل: مسبقات العزل عالية الكهربائية من نوع High-K. يمكن اعتبارها نوعًا خاصًا من “الغراء العازل” أو “القفل”. السيليكا التقليدية لم تعد كافية لحبس الإلكترونات، لذا نحتاج إلى مواد أكثر تقدمًا مثل الهافنيوم (Hf) والزركونيوم (Zr) لحبس الإلكترونات داخل المكثفات.
- من يبيع هذه المواد؟ شركات مثل Air Liquide الفرنسية وMerck الألمانية وشركات الغازات في كوريا الجنوبية. منتجات هذه الشركات تحدد بشكل مباشر معدلات نجاح إنتاج HBM لشركات التخزين الكبرى مثل سامسونج وهيلاي وميكرون.
- المشكلة الثانية: التشوه بسبب التمدد الحراري
- الظاهرة: عندما تعمل الرقائق، يكون المركز ساخنًا والحواف باردة، ومعدلات التمدد المختلفة للمواد تؤدي إلى تشوه الهيكل المكدس وانقطاع الأطراف.
- المادة الحل: مادة البوليمر الإيبوكسي الحبيبية (GMC). تعمل كطبقة واقية تحمي الرقائق من التشوه بسبب التغيرات في درجة الحرارة.
- من يبيع هذه المادة؟ تقريبًا شركة Sumitomo Chemical اليابانية وشركات أخرى قليلة. إنتاج هذه المادة يشكل حاجزًا ضمن سلسلة التوريد.
【خلاصة بلغة بسيطة】
ذاكرة HBM أصبحت أساسية في الذكاء الاصطناعي، لكن تصنيعها يتطلب مواد خاصة مثل High-K وGMC، والتي تسيطر عليها شركات أوروبية وأمريكية ويابانية في الوقت الحالي.
---
2. هل تكاليف الكهرباء مرتفعة؟ استخدم “مواد جديدة” لتقليل استهلاك الطاقة
【المشكلة الأساسية】
مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي تستهلك الكثير من الطاقة (مثل 100 كيلوواط أو أكثر لكل رف). الكهرباء تأتي من الخارج، ثم تتم تحويلها إلى جهد منخفض يمكن استخدامه من قبل الرقائق، ولكن العملية تفقد حوالي 10% من الطاقة كحرارة ضائعة. هذا ما يُعرف بـ **“جدار الاستهلاك”.
【الحلول وتحليل المواد】
لتوفير الطاقة، يجب استبدال المكونات التقليدية المصنوعة من السيليكون بـ مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث مثل كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN):
- كربيد السيليكون (SiC): مثالي للتطبيقات عالية الجهد والطاقة، ويتميز بكفاءة عالية.
- التغيرات في السوق: كان يتم السيطرة على سوق SiC من قبل شركات أمريكية مثل Wolfspeed ويابانية مثل Rohm، لكن الآن، شركات صينية مثل Tianyue Advanced وTianke Heda وSanan Optoelectronics زادت من إنتاجها، مما أدى إلى انخفاض أسعار SiC بشكل كبير. الصين تحقق تقدمًا كبيرًا في هذا المجال.
- نيتريد الغاليوم (GaN): مثالي للتطبيقات عالية التردد والتبديل السريع.
- الوضع الحالي: تقنيات الإنتاج ما زالت تحت سيطرة شركات أوروبية وأمريكية مثل Infineon وEPC، لكن الشركات الصينية مثل InnoSaike وJueneng Chuangxin تعمل بجد لكسر هذا الاحتكار.
【خلاصة بلغة بسيطة】
الذكاء الاصطناعي يستهلك الكثير من الطاقة، والمواد التقليدية غير كافية. استخدام SiC وGaN يمكن أن يوفر الكثير من الطاقة. الصين تحقق تقدمًا في مجال SiC، لكن لا تزال الشركات الأوروبية والأمريكية تسيطر على مجال GaN.
---
3. هل سرعة الإنترنت غير كافية؟ استخدم “الضوء” بدلاً من “النحاس”، واعتمد على “الموارد الصينية والتقنيات اليابانية”
【المشكلة الأساسية】
مجموعات الذكاء الاصطناعي تحتوي على آلاف وحدات معالجة الرسوميات التي تعمل معًا، وهناك حاجة إلى اتصالات سريعة بينها. كانت الأسلاك النحاسية تستخدم سابقًا، لكن الإشارات أصبحت سريعة جدًا، لذا نحتاج إلى استخدام الألياف الضوئية.
【الحلول وتحليل المواد】
لتحسين السرعة، نحتاج إلى مواد مختلطة مثل الإنديوم فوسفيد (InP) لتصنيع أجهزة الليزر والكاشفات التي تحول الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية.
- الميزة الصينية: أكثر من 70% من احتياطيات وإنتاج الإنديوم في العالم موجود في الصين، مما يمنحها ميزة كبيرة في هذا المجال. لكن التقنيات اللازمة لتصنيع الرقائق الضوئية ما زالت تحت سيطرة شركات يابانية مثل Fujitsu وSumitomo Electric.
- التقدم الصيني: شركات مثل Guangku Technology وYouyan New Materials تعمل بجد لكسر الاحتكار الياباني في هذا المجال.
【خلاصة بلغة بسيطة】
الاتصالات في الذكاء الاصطناعي تحتاج إلى مواد مثل الإنديوم فوسفيد والنيوم فوسفيد. الصين لديها موارد وفيرة، لكن التقنيات اليابانية متقدمة. الصين تعمل على سد الفجوات في التقنيات.
---
4. هل الرقائق كبيرة جدًا؟ الأساسات التقليدية غير كافية؟ نحتاج إلى “زجاج خاص”
【المشكلة الأساسية】
مع تقارب عمليات تصنيع الرقائق إلى 1 نانومتر، أصبح أداء الرقائق الفردية محدودًا، لذا نحتاج إلى دمج عدة رقائق ووحدات ذاكرة HBM معًا. مع زيادة حجم الرقائق، تتشوه الأساسات البلاستيكية التقليدية بسهولة، مما يؤدي إلى مشاكل في التوصيل.
【الحلول وتحليل المواد】
شركات مثل إنتل وتايوان سيميكوندكتور وسامسونج تتجه نحو استخدام أساسات زجاجية خاصة.
- لماذا الزجاج؟ لأنه أكثر استواءً ومقاومة للحرارة، مما يمنع التشوه.
- من يبيع هذه الأساسات الزجاجية؟ ثلاث شركات عالمية رائدة في صناعة الزجاج: Corning الأمريكية وAG