לאן הולכת תעשיית השבבים?

בחודש דצמבר השנה ציינו את יום ההולדת ה-75 של הטרנזיסטור. היו אלה וולטר בראטיין וג'ון ברדין אשר שינו לעד את מסלולה של האלקטרוניקה המודרנית, כאשר הציגו לראשונה במעבדה ב-16 בדצמבר, 1947, את טרנזיסטור המגע הנקודתי.

הטרנזיסטור, אשר בהמשך עבר מקצה שיפורים על ידי וויליאם שוקלי, בזרוע הפיתוח של חברת הטלפונים מעבדות בל, היה יעיל ואמין באופן ניכר משפורפרות הריק שקדמו לו. ב-1958 המציא ג'ק קילבי את השבב שפותח על בסיס הטרנזיסטור, ואשר הגלגול המודרני שלו יכול כיום להכיל עשרות מיליארדים של טרנזיסטורים. כל הארבעה זכו בפרסי נובל.

כל מהפכה טכנולוגית שהתרחשה מאז המצאת השבב נפתחה בשאלה: 'האם יש לנו שבבים שמאפשרים זאת?' והשפיעה על גידול בכוח המחשוב ועל צורך עולה בשבבים. היום השבבים כבר נמצאים בכל מקום, לא רק במחשבים, אלא גם בשעונים חכמים, מכשור רפואי או מכוניות חשמליות. גם במכונת הכביסה ובשואב אבק, ואפילו במברשת השיניים החשמלית שלכם

שבבים במברשת שיניים

טכנולוגיות חדשניות בתחומים של מחשוב ענן, ביג דטה, בינה מלאכותית, מובייל, מכשור רפואי או כלי רכב חשמליים דורשות כוח מחשוב הולך וגובר וממשיכות להאיץ את ענפי המוליכים למחצה והמיקרואלקטרוניקה. כך לדוגמה, ב-2030 45% מעלות היצור של הרכב האוטונומי תהיה מושקעת באלקטרוניקה.

הזיכרונות והמעבדים הראשונים פותחו בשנות ה-70 ויבמ היתה בין החברות הראשונות שייצרו מחשבים לעסקים. הראשונים להשתמש במחשבים, באותן שנים, היו משרדי הממשלה, צבא וגופים כמו נאס"א. המעבד הראשון של אינטל, שיוצר ב-1971, הכיל 2,300 טרנזיסטורים בגודל של 10 מיקרון, והשתווה בכוח המחשוב שלו למחשב הראשון שנבנה ב-1946 ואשר מילא חדר שלם. לשם השוואה, המעבד M2 אשר אפל השיקה השנה, כבר כולל 20 מיליארד טרנזיסטורים, בטכנולוגיה של 5 ננומטר.

בשנות ה-80 החל ייצור המוני של מחשבים ביתיים וקונסולות משחקי וידיאו ביתיות. ה-PC של יבמ והמקינטוש של אפל נכנסו לשוק, ובאנגליה חברות כמו סינקלייר ייצרו מחשבים ביתיים זולים יותר, אשר נמכרו בכל אירופה וגם בישראל.

שנות ה-90 הביאו איתן שתי מהפכות טכנולוגיות: רשת האינטרנט שיצאה מגבולות האקדמיה והפכה לנחלת הכלל, וההתרחבות של השימוש בטלפונים הסלולרים כגון אלו שפותחו לראשונה על ידי חברת מוטורולה. למעשה, כל מהפכה טכנולוגית שהתרחשה מאז המצאת השבב נפתחה בשאלה: 'האם יש לנו שבבים שמאפשרים זאת?' והשפיעה על גידול בכוח המחשוב ועל צורך עולה בשבבים. היום השבבים כבר נמצאים בכל מקום, לא רק במחשבים, אלא גם בשעונים חכמים, מכשור רפואי או מכוניות חשמליות. גם במכונת הכביסה ובשואב אבק, ואפילו במברשת השיניים החשמלית שלכם.

במרכזי הייצור של תעשיית המוליכים למחצה בונים את השבבים על גבי פרוסות סיליקון. אולם, כדי לבנות מערכת אלקטרונית פונקציונלית יש צורך ברכיבים נוספים, פאסיביים ואקטיביים, שהם קריטיים לעבודה שלה לא פחות מן השבב המתקדם, כמו לוחות מעגלים מודפסים.

ישנם הרבה רכיבים המבוססים על מוליכים למחצה ועל טרנזיסטורים גדולים יחסית, שיש להם אמינות מוכחת. לדוגמה, אחד הרכיבים הקריטיים במכונית החשמלית הוא בקרת המנוע והיעילות שלו, רכיב המשפיע על טווח הנסיעה של הרכב. רכיבים אלה בונים דווקא על גבי פרוסות העשויות מסיליקון קרבייד, חומר שמאפשר מיתוג יעיל בזרם גבוה וטמפרטורה גבוה. אם ברכב בשנות ה- 70 היתה מעט מאד אלקטרוניקה, בעיקר ברדיו, הרי שברכבים של היום ניתן למצוא שבבים רבים הרבה יותר – ובנוסף, גם חיישני רוורס, חיישני התנגשות ובלימת חירום, מצלמות ועוד.

התפתחו ומוזערו. שבבים. צילום: BigStock

השבב כמשאב חיוני

משבר הקורונה חידד את התלות בשוק האסייתי, הביא את הנשיא האמריקני ג'ו ביידן להכריז על השבב כעל משאב חיוני, ולחוקק את חוק השבבים והמדע. החוק נועד לעודד השקעות של מאות מיליארדים בענף המוליכים למחצה במגזר הפרטי ברחבי המדינה, כולל ייצור חיוני למגזר הביטחוני. גם באירופה, במדינות כמו אנגליה וגרמניה, הממשלות החלו להקצות תקציבים להקמת מרכזי ייצור חדשים.

עוד במסגרת חוק השבבים, התחילה ארה"ב לעודד חברות ממזרח אסיה להקים מרכזי ייצור חדשים בשטחה, כמו TSMC הטיוואנית, אשר לאחרונה הודיעה על הגדלת ההשקעה שלה לסך 40 מיליארד דולר בהקמת מרכז ייצור מתקדם לשבבים באריזונה, המיועד לייצור שבבים בגודל של 5 ננומטר ופחות. על רקע הניסיון לשקם ולפתח מחדש את תעשיית המוליכים למחצה במערב, התחזיות מלמדות כי מפת ייצור השבבים העולמית עומדת להשתנות.

מתמודדים עם אתגרי המזעור: More than Moore

תעשיית המוליכים למחצה מתמודדת כל העת עם הצורך במזעור. אולם בשנים האחרונות רווחת התפישה כי המימוש של חוק מוּר – האומר כי צפיפות הטרנזיסטורים במעגלים משולבים במחיר מינימלי, תוכפל כל שנה וחצי עד שנתיים – עומדת להיתקל בקצה גבולות הפיזיקה כבר בעשור הקרוב.

על רקע זה מתפתחות שיטות חדשות להתמודד עם הצורך העולה בכוח מחשוב ומתכנסות תחת הסיסמה: More than Moore. על מנת להתגבר על אתגרי המזעור, מדענים עובדים היום גם על פיתוח של טכנולוגיות חדשניות של שבבים, כמו למשל כאלו המבוססות על אופטיקה ואור במקום אלקטרונים.

אולם על מנת שהתחום הזה יקבל תאוצה ויפרוץ קדימה, יש צורך להתאים את הציוד הקיים לייצור שבבים בטכנולוגיות אלו.

דרך נוספת להתמודד עם אתגר המזעור טמונה בטכניקת המארזים המתקדמים (Advanced Packaging), המאפשרת הדבקה של שתיים, שלוש פרוסות סיליקון זו לזו, ואף בנייה לגובה של שבבים בודדים, ברמה של מאות שכבות, זו על גבי זו. המבנה הרב-קומתי מאפשר ליצור פתרונות שמתבססים על אופטימיזציה של מספר טכנולוגיות יחד. כך ניתן להרכיב על גבי פרוסת הסיליקון רכיבים שונים, כגון רכיב זיכרון, מעבדים ואחרים.

גבול המזעור משפיע גם על ענף המעגלים המודפסים, ובמיוחד על היחידות (IC Substrates) המרכיבות את השכבה שמחברת בין השבבים ללוחות המעגלים המודפסים. אם בעבר כל יחידה כזאת חיברה שבב אחד ללוח, הרי שהיום, באמצעות טכנולוגיית המארזים המתקדמים, עברנו מארכיטקטורת דו-ממד לתלת-ממד,  וכל יחידה יכולה להכיל מספר שבבים, מסוגים שונים (זיכרון, לוג'יק, אנטנה וכדומה), המודבקים זה על גבי זה ויוצרים מעגל מודפס שניתן לדמות לעיר חכמה, עם פונקציונליות מאוד גבוהה. המארזים המתקדמים משמשים היום מרכזי נתונים ושרתי G5 ומשפרים עד מאוד את הביצועים בתחומים המצריכים העברת כמויות גדולות של דטה במהירות גבוהה. בעתיד, אנו צופים כי יחידות מתקדמות יותר ישולבו גם במחשבים שולחנים, מחשבים ניידים, ברכב האוטונומי ועוד.

לסיכום, חשוב לומר כי בהתאם לרוחות המנשבות בארה"ב ובאירופה, גם ישראל צריכה לשמור את ההובלה שלה בתחום ההיי-טק ובתחום השבבים. לישראל יש תפקיד משמעותי בתעשיית האלקטרוניקה והמוליכים למחצה ובארץ יש מספר חברות הפועלות בתחום. על מנת לשמר את היתרון היחסי ואף להאיץ את הצמיחה, כדאי שהממשלה הנכנסת תיתן על כך את הדעת ותמשיך לתמוך בתעשייה הישראלית.  

הכותבים הם נשיא KLA ישראל וסמנכ"ל אסטרטגיה וצמיחה של חטיבת ה-EPC ב-KLA