تونل‌زنی کوانتومی در ۵ نانومتر: مرز فیزیکی که به قانون مور پایان می‌دهد

وقتی طول گیت یک ترانزیستور سیلیکونی به زیر ۵ نانومتر می‌رسد، سدی که جریان الکتریکی را مهار می‌کند آن‌قدر نازک می‌شود که الکترون دیگر نیازی به عبور از روی آن ندارد؛ بلکه به سادگی در طرف دیگر ظاهر می‌شود. دقیقاً همین لحظه — یعنی جایی که فیزیک کلاسیک جای خود را به مکانیک کوانتومی می‌دهد — همان نقطه‌ای است که آینده پردازش در آن رقم می‌خورد. اگر گیت نتواند الکترون را متوقف کند، ترانزیستور نمی‌تواند حالت صفر را نگه دارد و در نتیجه، پردازنده از انجام محاسبات باز می‌ماند.[4]

صنعت نیمه‌رسانا بیست سال گذشته را صرف مبارزه با گرما کرده است. با قرار دادن ترانزیستورهای بیشتر روی یک قطعه سیلیکون توسط مهندسان، دفع حرارت به گلوگاه اصلی سرعت کلاک پردازنده‌ها تبدیل شد. اما گرما یک مشکل مهندسی است که می‌توان آن را با مواد و سیستم‌های خنک‌کننده بهتر مدیریت کرد. در مقابل، تونل‌زنی کوانتومی یکی از قوانین فیزیک است و مرزی سخت و غیرقابل مذاکره به شمار می‌رود.

در سال ۱۹۶۵، گوردون مور، هم‌بنیان‌گذار اینتل، مشاهده کرد که تعداد ترانزیستورهای روی یک ریزتراشه تقریباً هر دو سال یک‌بار دو برابر می‌شود؛ روندی که بعدها به «قانون مور» معروف شد. این مشاهده، نیم قرن توسعه اقتصادی و فناوری را به پیش راند. تا سال ۲۰۲۴، کارخانه‌های تجاری در حال تولید تراشه‌هایی با قطعاتی در مقیاس نانومترهای تک‌رقمی بودند و سیلیکون را به مرزهای مطلق اتمی خود رساندند.[3]

برای درک این مرز، باید به معماری یک ترانزیستور نیمه‌رسانای اکسید-فلز مکمل (CMOS) نگاه کرد. این ترانزیستور از یک سورس (منبع)، یک درین (تخلیه) و یک گیت (دروازه) تشکیل شده است. گیت مانند یک پل متحرک عمل می‌کند. با اعمال ولتاژ، پل پایین می‌آید و به الکترون‌ها اجازه می‌دهد از سورس به درین جریان یابند و عدد «۱» را ثبت کنند. با قطع ولتاژ، پل بالا می‌رود و با توقف جریان، عدد «۰» ثبت می‌شود.[2]

عرض فیزیکی این گیت، اندازه ترانزیستور را تعیین می‌کند. عرض یک اتم سیلیکون تقریباً ۰.۲ نانومتر است. در طول گیت ۵ نانومتری، سدی که سورس را از درین جدا می‌کند تنها حدود ۲۵ اتم ضخامت دارد. این ضخامت تقریباً ۱۰,۰۰۰ بار نازک‌تر از یک تار موی انسان است و در مقیاسی عمل می‌کند که دیگر قوانین مکانیک کلاسیک در آن صدق نمی‌کنند.[2]

در این مقیاس اتمی، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ دیکته می‌کند که موقعیت دقیق یک الکترون را نمی‌توان به طور کامل مشخص کرد. الکترون به جای آنکه مانند یک ذره جامد به دیوار برخورد کند و برگردد، به عنوان یک موج احتمالی عمل می‌کند. وقتی دیوار تنها ۲۵ اتم ضخامت داشته باشد، این موج احتمالی از میان سد امتداد می‌یابد. در نتیجه، الکترون از نظر آماری این شانس را دارد که به سادگی در طرف دیگر وجود داشته باشد و گیت را به طور کامل دور بزند.[3]

این پدیده چیزی را تولید می‌کند که مهندسان به آن «جریان نشتی» می‌گویند. حتی زمانی که ترانزیستور خاموش است، الکترون‌ها از گیت نشت می‌کنند. بر اساس مقاله مروری منتشر شده در سال ۲۰۲۴ در ژورنال MDPI با عنوان «مقیاس‌پذیری CMOS برای گره ۵ نانومتری و فراتر از آن»، این نشت کوانتومی به طور بنیادین نسبت سیگنال به نویز پردازنده را تخریب می‌کند. اگر الکترون‌های زیادی تونل‌زنی کنند، تراشه دیگر نمی‌تواند صفر را از یک تشخیص دهد.[2]

پایه‌های نظری این بن‌بست دهه‌ها پیش بنا نهاده شد. در مقاله‌ای که در سال ۱۹۹۹ در ژورنال تحقیق و توسعه IBM منتشر شد، پژوهشگران «محدودیت‌های مقیاس‌پذیری CMOS با محدودیت توان» را مدل‌سازی کردند و هشدار دادند که نشت غیرفعال در نهایت توان بیشتری نسبت به سوئیچینگ فعال خود ترانزیستورها مصرف خواهد کرد. آن آستانه نظری اکنون به یک واقعیت عملیاتی روزمره در کارخانه‌های مدرن تولید تراشه تبدیل شده است.[1]

قوی‌ترین استدلال متقابل در برابر مرگ قانون مور، از سوی نوآوری‌های معماری مطرح می‌شود. اگر نمی‌توان ترانزیستورها را بدون نشت جریان کوچک‌تر کرد، می‌توان شکل آن‌ها را تغییر داد. مهندسان از ترانزیستورهای مسطح به فین‌فت‌های سه‌بعدی و اکنون به معماری‌های گیت همه‌جانبه (GAA) روی آورده‌اند که گیت را به طور کامل به دور کانال سیلیکونی می‌پیچند تا کنترل فیزیکی بر الکترون‌ها را به حداکثر برسانند.

شرکت MonolithIC 3D استدلال می‌کند که «محدودیت بنیادین در کوچک‌سازی ترانزیستورهای CMOS» لزوماً به معنای پایان تراکم پردازشی نیست. با روی‌هم‌چینی عمودی لایه‌های ترانزیستور — یعنی ساختن آسمان‌خراش‌ها به جای توسعه حومه‌های شهری — تولیدکنندگان می‌توانند بدون کوچک‌تر کردن گیت‌های منفرد به زیر مرز کوانتومی ۵ نانومتر، همچنان تعداد عملیات در ثانیه را افزایش دهند.

با این حال، روی‌هم‌چینی عمودی محدودیت‌های حرارتی شدید خاص خود را به همراه دارد و صنعت را به همان مشکل گرمایی بازمی‌گرداند که در دهه ۲۰۱۰ سعی در فرار از آن داشت. پایگاه خبری PCIM خاطرنشان می‌کند که با حرکت صنعت به سمت دوران «پسا قانون مور»، تمرکز باید از کوچک کردن کلیدها به تغییر مواد معطوف شود. سیلیکون، عنصر بنیادین عصر دیجیتال، در حال رسیدن به پایان کارایی اتمی خود است.

پژوهشگران کالج امپریال لندن پیشنهاد می‌کنند که پذیرش این مرز فیزیکی در واقع یک کاتالیزور برای نوآوری است. پرسش «پایان قانون مور؟» به این معنا نیست که آیا پیشرفت پردازشی متوقف می‌شود یا خیر، بلکه مسئله این است که چگونه تغییر مسیر خواهد داد. ناتوانی در کوچک‌تر کردن سیلیکون، میلیاردها دلار سرمایه را به سمت پارادایم‌های جایگزین سوق می‌دهد؛ از جمله تراشه‌های نورومورفیک که از مغز انسان تقلید می‌کنند و پردازش نوری که به جای الکترون از فوتون بهره می‌برد.[3]

برای مصرف‌کننده، دوران تکیه بر افزایش سرعت خام کلاک به پایان رسیده است. توسعه‌دهندگان نرم‌افزار دیگر نمی‌توانند کدهای ناکارآمد بنویسند و منتظر بمانند تا نسل بعدی سخت‌افزار آن‌ها را سریع‌تر اجرا کند. بار سنگین عملکرد از دوش تولیدکننده سخت‌افزار به مهندس نرم‌افزار منتقل شده است و نیازمند کدهای به شدت موازی است که وظایف را به جای یک هسته منفرد و در حال کوچک شدن، بین چندین هسته کمی بزرگ‌تر توزیع کنند.[4]

مرز ۵ نانومتری به عنوان یک حقیقت مطلق و نادر در صنعتی ایستاده است که بر پایه شکستن مرزها بنا شده است. این یک شکست در مهندسی انسانی یا فقدان دقت در تولید نیست. این همان نقطه‌ای است که قوانین بنیادین مکانیک کوانتومی، حاکمیت خود را بر دنیای دیجیتال اعمال می‌کنند و عصر بعدی پردازش را مجبور می‌سازند تا به جای تلاش برای کوچک‌تر شدن و عبور از فیزیک، بر پایه آن بنا شود.[4]