[et_pb_section fb_built =”1″ admin_label=”section” _builder_version=”4.16″ global_colors_info=”{}”][et_pb_row admin_label=”row” _builder_version=”4.16″ الخلفية_حجم=”الأولي” خلفية_الموضع=”top_left” خلفية_كرر=”تكرار ” global_colors_info=”{}”][et_pb_column type=”4_4″ _builder_version=”4.16″ custom_padding=”|||” global_colors_info=”{}” custom_padding__hover=”|||”][et_pb_text admin_label=”Text” _builder_version=”4.16″ الخلفية_حجم=”initial” الخلفية_position=”top_left” الخلفية_repeat=”repeat” global_colors_info=”{}”]
أدى تباطؤ تحسينات الإنتاجية وارتفاع تكاليف السيليكون إلى دفع قادة الأعمال إلى تقييم مواد أخرى.
الطريق من الاكتشاف الرائد قد يكون الوصول إلى تطبيقات صناعية تحويلية رحلة طويلة ومعقدة. فغالبًا ما تتبع الاندفاعة الأولى للأمل عقود من التطوير والتحسين والتجريب. وحتى مع ذلك، لا توجد ضمانات. فالمختبرات حول العالم مليئة بتقنيات كانت واعدة في يوم من الأيام، لكنها لم تجد لها استخدامًا تجاريًا في السوق. هذا الواقع يضع المديرين التنفيذيين في موقف صعب عند تحديد متى وأين يستثمرون في الابتكارات الناشئة. فمقابل كل شركة تراهن على التقنيات الرقمية الناشئة، هناك عشرات المنافسين الذين يفوتهم هذا التوجه تمامًا، وعليهم اللحاق بالركب. وسيكشف المستقبل ما إذا كان دخول كوداك مؤخرًا في تعدين البيتكوين، على سبيل المثال، خطوة معزولة أم جزءًا من استراتيجية طويلة الأجل ذات رؤية ثاقبة.
تجد شركات أشباه الموصلات نفسها في موقف دقيق. فقد مكّن الابتكار المستمر في مجال السيليكون هذه الصناعة من تحقيق أرباح ثابتة وتحسينات ملحوظة في الأداء لعقود. إلا أن الشركات تواجه مؤخرًا صعوبة متزايدة في استخلاص قيمة أكبر من السيليكون. وقد دفع هذا التباطؤ الشركات إلى تحديد البديل الأمثل للسيليكون وتوقيته. فعلى سبيل المثال، يُنظر إلى الجرافين كمادة واعدة تتمتع بإمكانية معادلة أداء السيليكون أو حتى تجاوزه. ومع ذلك، قد يستغرق تسويق هذه المادة ما يصل إلى 25 عامًا، وسيتطلب ذلك استثمارات ضخمة في البحث والتطوير وتكاليف رأسمالية كبيرة لإدخالها حيز الإنتاج. ومع هذا الإنفاق الكبير المخصص حاليًا للسيليكون، يتعين على المديرين التنفيذيين تحديد اللحظة المناسبة للتحول نحو المادة التالية، حتى وإن كانت النتائج غير مضمونة.
لا يقتصر التحدي على الجرافين فحسب؛ فبينما تسعى شركات أشباه الموصلات إلى تحديد الموجة القادمة من الابتكار وتسخيرها، يتعين على المديرين التنفيذيين تبني نهج مختلف. إن القدرة على فهم كيف يمكن لتطورات تبدو متباينة أن تخلق نماذج أعمال وتطبيقات جديدة تتطلب منظورًا أوسع يركز على ربط النقاط واستكشاف طرق جديدة لتطبيق المعرفة والرؤى. ينبغي على المديرين التنفيذيين في قطاع أشباه الموصلات استخدام هذه الرؤية لصياغة استراتيجية طويلة الأجل لاستخلاص القيمة من المواد والتقنيات الحالية مع مراقبة الابتكارات الناشئة. ستُمكّن هذه العقلية الشركات من الصمود في وجه التحديات المعروفة وغير المعروفة في السنوات القادمة.
لطالما واكب السيليكون، المادة الأساسية المستخدمة في صناعة أشباه الموصلات، قانون مور، محققًا تقدمًا غير مسبوق. وقد أصبحت التقنيات الثورية والتحويلية - كتحليلات البيانات المتقدمة، والواقع المعزز، والمركبات ذاتية القيادة، والتقنيات الرقمية، وإنترنت الأشياء - ممكنة بفضل عنصر فريد يحمل اسم أغنى 50 ميلًا مربعًا في العالم. ومع ذلك، تُثار تساؤلات جدية حول مستقبل السيليكون وقدرته على مواصلة دعم الابتكار: ثلاثة مؤشرات رئيسية تُوضح الصورة.
قدّم السيليكون للمصممين والمهندسين بيئةً خصبةً لتحقيق تطوراتٍ مستدامةٍ في القدرة والأداء. وتُظهر بيانات سبعينيات القرن الماضي هذه التحسينات الهائلة في الأداء. إلا أن وتيرة هذا التطور تباطأت بشكلٍ ملحوظٍ في السنوات الأخيرة. فقد استقرّت قدرة معالجة أجهزة الكمبيوتر الشخصية، وبدأت الزيادة في أداء معالجات الهواتف الذكية بالتباطؤ، باختصار، أصبح السيليكون عرضةً للتلف (الشكل 1). وتعني هذه التوجهات أن الشركات التي بنت مزاياها التنافسية على الابتكار المستمر قد شهدت تراجعًا في ريادتها مع لحاق الشركات الأخرى بها.
تباطؤ في تحسين الأداء
يواجه رواد الابتكار صعوبة في توسيع فارق الأداء الذي يحققونه مقارنةً بمنافسيهم، مما يعيق قدرتهم على الحصول على أسعار مميزة قبل أن يلحق بهم باقي السوق. وتشير تحليلاتنا إلى أنه بمجرد دخول منافسين متعددين إلى السوق، تنخفض الأسعار بنسبة تتراوح بين 10 و15 بالمئة.
تستمر تكاليف شركات أشباه الموصلات في الارتفاع مع انتقالها إلى مصانع الجيل التالي. ولتحقيق تحسينات في الأداء، تشير تقديراتنا إلى أن الشركات يجب أن تزيد إنفاقها الرأسمالي بنسبة تصل إلى 40% (نظراً لمتطلبات المعدات الجديدة) وإنفاقها على البحث والتطوير بنسبة 150% لتحقيق نفس الإنتاجية (الشكل 2). والسبب الرئيسي لارتفاع التكاليف الرأسمالية هو معدات التصنيع، التي زادت بنحو ملياري دولار منذ أن انتقلت الصناعة إلى تقنية الطباعة متعددة الأنماط. وليس من المستغرب أن مصنعي الأجهزة المتكاملة قد ضاعفوا استثماراتهم في البحث والتطوير لتقنيات العقد الرائدة.
قد يؤدي ارتفاع متطلبات رأس المال والاستثمار في البحث والتطوير إلى إعاقة المزيد من الابتكار.
بصرف النظر عن التحديات التجارية، فإن استمرار نمو السيليكون غير مؤكد أيضاً، لأن الابتكار قد وصل إلى حد القيود الفيزيائية للمادة. على سبيل المثال، يقترب طول العقدة من عرض قناة التوصيل، حيث يتراجع الأداء بشكل كبير: ستتوقف ترانزستورات السيليكون عن العمل بسبب التأثيرات الكمومية للأبعاد الصغيرة، مثل النفق الكمومي والتسربات ومشاكل الحرارة. كما أن القيود في الطباعة الحجرية والأجهزة وتصنيع الهياكل النانوية ستعيق التقدم.
تثير هذه الاتجاهات الثلاثة سؤالاً بالغ الأهمية لشركات أشباه الموصلات: ما هو حجم الاستثمار الذي ينبغي أن تستمر فيه هذه الشركات في السيليكون بدلاً من دعم تطوير المواد المبتكرة التي يمكن أن تُحدث نقلة نوعية في الأداء وتحافظ على نمو الإيرادات؟
تقوم الصناعة بتجربة العديد من المواد الجديدة الغريبة، بما في ذلك السيليسين والجرمانين والفوسفور الأسود، ولكن يُروج للجرافين باعتباره الأكثر إمكانات (الشكل 3).
تتمتع المواد الجديدة بأعلى إمكانات لتحفيز تكنولوجيا الجيل القادم التي يمكن أن تساعد في استدامة الابتكار
أثار اكتشاف طبقة من الجرافين بسماكة ذرة واحدة على يد باحثين في جامعة مانشستر بإنجلترا عام 2004، توقعاتٍ بأن يصبح بديلاً متفوقاً للسيليكون (إنفوغرافيك). وقد أثارت خصائص الجرافين اهتمام الشركات في مختلف القطاعات: إذ تُقدّر حركيته بـ 250 ضعفاً لحركية السيليكون، كما أن مرونته وخصائصه الأخرى تجعله مثالياً لمجموعة واسعة من التطبيقات، بدءاً من تكنولوجيا البطاريات وصولاً إلى الإلكترونيات الضوئية مثل شاشات اللمس. وتشهد براءات الاختراع والأوراق البحثية والمنشورات الأكاديمية الحديثة على الاهتمام الواسع النطاق بالجرافين.
الجرافين بالأرقام
على الرغم من هذا الوعد، لا يزال تبني تقنية الجرافين صعب المنال. فما الذي يعيق ذلك؟ لقد حددنا أربعة عوائق، اثنان تقنيان واثنان صناعيان. من الناحية التقنية، لا تزال هندسة فجوة النطاق تشكل عقبة رئيسية: فبدون فجوة نطاق، لا يمكن إيقاف تشغيل مفاتيح الجرافين. على مدى العقد الماضي، ركز الباحثون على معالجة هذه المشكلة، لكنهم لم يتوصلوا بعد إلى حل جذري. إضافةً إلى ذلك، يجب أن ينتج عن تصنيع الجرافين بلورات عالية الجودة وأن يكون متوافقًا مع أجهزة أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية (CMOS) الحالية. أما من الناحية الصناعية، فيتطلب الأمر رأس مال ضخم في مصانع أشباه الموصلات، لكن معظم موارد شركات أشباه الموصلات مرتبطة بخطط تحسين المصانع الحالية. علاوة على ذلك، توجد سلسلة قيمة متكاملة (بما في ذلك إعادة تجهيز مراحل التصنيع) للسيليكون، لكن إعادة إنشاء سلسلة مماثلة للجرافين تتطلب استثمارات بمليارات الدولارات.
بالنظر إلى هذه الشكوك، نتوقع أن يأتي اعتماد الجرافين ونمو السوق على ثلاث مراحل - المحسن، واستبدال السيليكون، والإلكترونيات الثورية (الشكل 4).
نتوقع أن يأتي تبني الجرافين ونمو السوق على ثلاث مراحل
نتوقع على المدى القريب استخدام الجرافين كمعزز للسيليكون، حيث تُستخدم طبقات واقية منه لتحسين موثوقية وأداء الوصلات البينية. حاليًا، تُستخدم حواجز معدنية من نتريد التنتالوم بسمك 14 نانومتر على الوصلات النحاسية لمنع انتشار الجرافين إلى السيليكون. عند فجوات أقل من 10 نانومترات، يصبح الانتشار سببًا رئيسيًا لفشل الأجهزة، إذ ينتج عن عيب واحد لكل جزء من المليار معدل فشل يبلغ حوالي 30%. توفر حواجز الجرافين مزايا عديدة مقارنةً بالبدائل الأخرى مثل الروثينيوم والكوبالت، بما في ذلك قدرات حماية أفضل بحجم أصغر بمقدار ثُمن الحجم الأصلي، وبسرعات توصيل أسرع بنحو 30%.
هناك سببان رئيسيان لعدم انتشار استخدام الجرافين. أولهما، ضرورة تطوير متطلبات نقل الجرافين وطلائه بشكل كامل ودمجها ضمن خطوات التصنيع. وثانيهما، ضرورة خفض تكلفة الجرافين بشكل ملحوظ لتمكين إنتاجه بكميات تجارية. نتوقع أن يستغرق الأمر ما لا يقل عن خمس إلى عشر سنوات لحل هذه المشكلات حتى يصبح الجرافين بديلاً عملياً للسيليكون.
خلال السنوات العشر إلى الخمس والعشرين القادمة، قد يحل الجرافين محل السيليكون كمادة أساسية في أشباه الموصلات، شريطة أن تتوصل الأبحاث إلى طرق للتغلب على قيود فجوة الطاقة فيه. وحتى مع ذلك، سيُستخدم الجرافين في تطبيقات تتفوق فيها مزاياه التقنية (مثل السرعة العالية، ومتطلبات الفقد المنخفض، وصغر الحجم، والمرونة) على المواد البديلة في التطبيقات الإلكترونية (الشكل 5). وتشير تحليلاتنا إلى أن إجمالي السوق المستهدف للجرافين يبلغ 190 مليار دولار أمريكي، ويشمل معالجة البيانات، والاتصالات اللاسلكية، والإلكترونيات الاستهلاكية.
يُقدّر إجمالي السوق القابل للخدمة للإلكترونيات القائمة على الجرافين بنحو 190 مليار دولار أمريكي، وذلك بناءً على الطلب على التطبيقات عالية الأداء.
من المتوقع أن يتبع تبني هذه التقنية منحنى نمو على شكل حرف S، على غرار التقنيات الأخرى، مع تقارب الإطار الزمني للتنفيذ مع تبني رقائق السيليكون. وبشكل عام، تشير السيناريوهات المتفائلة إلى أن القيمة السوقية المحتملة لأشباه موصلات الجرافين ستصل إلى حوالي 70 مليار دولار بحلول عام 2030.
لقد أثبت التاريخ أن بعض التقنيات تستغرق وقتاً طويلاً قبل أن تُطرح في الأسواق، لكنها قادرة على إحداث تحول جذري في الصناعات بمجرد دخولها السوق. ومن واقع خبرتنا، فإن الشركات التي تتمتع بسجل حافل في البحث عن التقنيات التحويلية المستقبلية تكون أكثر استعداداً لمواجهة اضطرابات الصناعة.
يُقابل وعد الجرافين تحديات تقنية وتجارية جسيمة، والتي قد تعيق استخدامه كبديل للسيليكون. لذا، عند تقييم الإمكانات الحقيقية للجرافين، ينبغي على المسؤولين التنفيذيين في شركات أشباه الموصلات اتباع نهج ابتكاري منظم لتقييم خياراتهم. يتألف "التحليل الابتكاري" من عشرة أسئلة موزعة على ثلاث فئات: استراتيجية الابتكار، والتحول التكنولوجي الجذري، وممارسات الابتكار (الشكل 6). تساعد الإجابة على هذه الأسئلة قادة الأعمال على فهم قدرات مؤسساتهم بشكل أفضل عند السعي نحو الابتكار، وتدعم استكشاف سيناريوهات مختلفة مع أو بدون تبني الجرافين. والنتيجة هي استراتيجية تُهيئ المؤسسات لتغيرات جذرية في الصناعة مدفوعة بالتكنولوجيا.
يتألف برنامج "الأشعة السينية للابتكار" من عشرة أسئلة لتعزيز نهجك المنظم.
بعد مسيرة طويلة ومثمرة مع السيليكون، بدأ المسؤولون التنفيذيون بالتفكير في بدائل محتملة تُحقق نموًا مماثلًا في الابتكار. أثارت خصائص الجرافين الخيال، لكن قيوده الفيزيائية حالت دون اعتباره الوريث المنتظر للسيليكون. يشير تاريخ الابتكار التكنولوجي الحديث إلى إمكانية تغير المشهد بسرعة، لذا ينبغي على المسؤولين التنفيذيين اعتبار الجرافين منافسًا جديًا. وبغض النظر عن النتيجة النهائية، تستطيع شركات أشباه الموصلات تهيئة نفسها لمواجهة التحولات التكنولوجية، بل وتحقيق النجاح، من خلال تبني نهج يركز على الابتكار المنظم. عالم مليء بالمجهول يتطلب ذلك.
المصدر الجرافين: هل هو منحنى S التالي لأشباه الموصلات؟ | ماكينزي
[/ et_pb_text] [/ et_pb_column] [/ et_pb_row] [/ et_pb_section]
منذ 1992، Applied Physics تُعدّ شركتنا من الشركات الرائدة عالميًا في مجال توفير معايير دقيقة للتحكم في التلوث وعلم القياس. نتخصص في تصوير تدفق الهواء، ومعايير حجم الجسيمات، وحلول تطهير غرف الأبحاث في البيئات الحساسة.
