أشباه الموصِّلات.. رقائق تقنيات المستقبل

يشهد مجال البحث والتطوير والابتكار في قطاع انتاج الرقائق شبه الموصلة للكهرباء والتي تعرف عالمياً بمصطلح رقائق أشباه الموصلات (Semiconductor Chips) تسارعاً كبيراً جداً في وتيرة تحسين خصائصها التقنية، وتطوير تصاميمها وطرائق انتاجها؛ وذلك لأهميتها العظيمة، كونها منتج استراتيجي، وسلعة اقتصادية بالغة الأهمية، يتحقق لمطورها ومنتجها التحكم والمشاركة في تطوير صناعة منتجات قطاعات متعددة منها قطاعات تقنيات الاتصالات بأنظمتها المختلفة، قطاع الفضاء والدفاع، قطاع الصناعات الإلكترونية بأشكالها المختلفة، المركبات، الأجهزة الطبية، الضوئيات، الطاقة النظيفة، الأنظمة العسكرية والدفاعية، الذكاء الاصطناعي والحوسبة الفائقة، الأمن السيبراني، الثورة الصناعية الرابعة والروبوتات، وغيرها. فالفضل بعد فضل الله في التطور التقني الكبير الذي تشهده البشرية اليوم يعزى إلى تطور أنواع وتطبيقات رقائق أشباه الموصلات. لذلك فإن رقائق أشباه الموصلات تلعب دوراً حيوياً بالغ الأهمية في جميع مفاصل حياة البشر اليومية في هذا العصر الحديث المعتمد على الابتكار والتقنية.
في هذا المقال، سيتعرف القارئ الكريم أكثر على ماهية رقائق أشباه الموصلات وكيفية عملها. كما سنتطرق إلى ذكر بعض تطبيقاتها، وأهميتها الاستراتيجية، وأبرز الشركات العاملة في تطويرها وانتاجها، ثم التطرق إلى اقتصاديات هذه التقنية ومواقف بعض الدول منها، ثم نختم بذكر بعض من مبادراتنا الوطنية في هذا الشأن، الأمر الذي يتميز به هذا المقال عن غيره.
فحسب مفهوم علم المواد (Materials Science)، ومن منظور التوصيلية الكهربائية فإن المواد تنقسم إلى ثلاثة أنواع. النوع الأول هي المواد النقية الموصلة للتيار الكهربائي (Conductor) ومن أمثلتها مادة النحاس (Cu) ومادة الألمنيوم (Al). النوع الثاني هي المواد العازلة لنقل التيار الكهربائي (Insulator) كالزجاج. والنوع الثالث يتوسط النوعين السابقين وهي مواد لها القدرة على التوصيل الكهربائي بشكل جزئي حيث تعتمد التوصيلية الكهربائية بالظروف المطبقة على هذه المادة ويطلق عليها مصطلح المواد شبه الموصلة ومن الأمثلة على هذا النوع من المواد مادة الجرمانيوم (Ge)، ومادة السيليكون (Si) وهو الأكثر استخداماً على الإطلاق وذلك لوفرته ولخصائصه الفريدة. بناءً على ذلك، فإن مصطلح رقائق أشباه الموصلات تُعرّف بأنها تلك الشريحة الصغيرة الحجم جداً (بحجم اظفر اصبع الإنسان أو أصغر من ذلك) تتكون في أساسها من مادة السيليكون كرقاقة داعمة (Silicon Wafer) مضاف إليها مكونات أخرى كمفاتيح الترانزستور (Transistor) مصممة لإدارة تدفق التيار الكهربائي والتحكم فيه، وذلك بحسب الحاجة والتطبيق المستخدمة من أجلها هذه الرقاقة. فكفاءة رقاقة شبه الموصل تزداد كلما صغر وزاد عدد هذه المفاتيح (ترانزستور) المثبتة على الرقاقة. لذلك فإن تطوير التصاميم وإنتاج أحجام أصغر للمفاتيح الموجودة على رقاقة أشباه الموصلات بشكل دقيق وأبعاد متناهية الصغر (بحجم النانومتر) هو غاية وأصل التقدم التقني لهذه التقنية. اليوم، قادنا التطور المذهل في صناعة عناصر ومكونات هذه التقنية الاستراتيجية منذ بدئها في منتصف القرن العشرين لإنتاج رقائق أشباه موصلات للإنتاج التجاري بتقنية ال 3 نانومتر حيث تحتوي تلكم الرقاقة على عدد عشرات المليارات من مفاتيح التحكم (ترانزستور)، وهذا الحجم أصغر ب 26 ألف مرة من متوسط حجم شعرة الإنسان البالغة 80 ألف نانومتر تقريباً. ولا يزال سباق البحث والتطوير قائم بشكل كبير وفائق السرية لإنتاج رقائق بأحجام أصغر من ذلك الحجم. وقد نصل والأمر مؤكد إلى وحدات أصغر من وحدة النانومتر كوحدة الأنجستروم (Å)، فقد "علم الإنسان مالم يعلم".
ومن المهم الإشارة إلى القارئ الكريم بأن الرمل هو نقطة البداية لهذا المنتج، وهو متوفر وبوفرة في بلادنا المباركة. فرقاقة السيليكون الداعمة يتم صنعها من السيليكا (مركب ثاني أكسيد السيليكون - SiO2) الخام المستخرج من الرمال. فبعد عملية استخلاص وتنقية السيليكون المستخرج من الرمال، يتم صهره ثم تبريده ببطء حتى يتبلور إلى سبيكة ذات بلورة واحدة، ليتم بعد ذلك تقطيعها إلى شرائح رقيقة (Silicon Wafer) مشكلةً بذلك القالب والدعامة التي سيتم دمج الدوائر الإلكترونية عليها كما ذكر آنفاً. ليأتي بعد ذلك دور جهاز تقنية الطباعة الضوئية المعروف باسم (Photolithography) وهو المكون التقني الرئيس لصناعة أشباه الموصلات وأغلاها ثمناً. فالهدف الرئيس منه هو في استخدام الأشعة الضوئية (الأشعة فوق البنفسجية المتطرفةEUV - ) لطباعة النماذج والدوائر الإلكترونية المتناهية الصغر على شرائح السيليكون الرقيقة لتشكيل دائرة متكاملة تكون جاهزة للاستخدام حسب التطبيق المصنوعة من أجلها.
على الرغم من أن عملية تصميم وإنتاج شرائح أشباه الموصلات عملية معقدة للغاية، وذات مستوى عالٍ من السرية، وباهظة التكلفة، وتتطلب دقة متناهية وتقنية حديثة ومتطورة جداً (Cutting Edge)، وظروف واشتراطات إنتاج خاصة وصارمة، فضلاً عن القيود الدولية، إلا أن المنافع الإستراتيجية والجدوى الاقتصادية وعائد المصالح الوطنية المتحققة أعظم وأكبر من هذه التكاليف المادية والتعقيدات اللوجستية والضوابط والقيود المطبقة على هذه الصناعة البالغة الحساسية. كما أن سلاسل التوريد والإمداد لهذه الصناعة غير المستقلة تعتمد على شركات القطاع الخاص الدولية لذا فإن التوترات الجيوسياسية وما يتبعه من فرض قيود تجارية بين البلدان قد يتسبب بخلل في منظومة الطلب والعرض والتوريد لمكونات وعناصر تطوير وانتاج أشباه الموصلات. أيضاً، تعتبر المخاطر السيبرانية تحدٍ كبير على هذه الصناعة. كما أن التزايد المتسارع في وتيرة تطور هذه التقنية أدى إلى زيادة النقص في توفر الكفاءات والخبرات الفنية والعلمية البشرية المؤهلة لقيادة ولتطوير هذه الصناعة.
دولياً، تهيمن شركة تايوان لصناعة أشباه الموصلات المحدودة (TSMC) على سوق تصميم وإنتاج أشباه الموصلات في العالم، فقد تجاوزت مبيعاتها في النصف الأول من هذا العام مبلغ ال 225 مليار ⃀، بصافي إيرادات تجاوز مبلغ ال 33 مليار ⃀، في حين أنه قد تجاوزت قيمتها السوقية 3 تريليون و750 ⃀. كما ولا يمكن الحديث عن تقنية أشباه الموصلات من دون ذكر أسم الشركة الهولندية المتقدمة لطباعة مواد أشباه الموصلات (ASML) أكبر وأضخم مطور ومنتج لأجهزة وأنظمة الطباعة الضوئية المستخدمة لإنتاج رقائق اشباه الموصلات (Wafer Fabrication Equipment)، فقد حققت هذه الشركة أرباح صافية في النصف الأول من هذا العام بلغت 20 مليار و438 مليون ⃀. وللمقارنة فقد بلغت الأرباح المجمعة للبنوك السعودية العشرة بعد أداء الزكاة والضرائب للنصف الأول من هذا العام مبلغ 45 مليار ⃀، فيما سُجِل صافي الدخل لشركة أرامكو السعودية للنصف الأول من هذا العام عند 182 مليار و570 مليون ⃀. أيضاً تؤدي شركات عالمية رائدة أخرى دوراً محورياً في تطوير تصاميم ونماذج الاستخدام في التطبيقات المختلفة لهذه التقنية كشركات مثل شركة سامسونج للإلكترونيات (Samsung Electronics)، انتل (Intel)، وبرودكوم (Broadcom)، وانفيديا (NVIDIA)، والأجهزة الدقيقة المتقدمة (AMD)، وكوالكوم (Qualcomm)، وكيوكسيا (KIOXIA)، وطوكيو إلكترون (TEL).
وللأهمية البالغة لهذه التقنية الاستراتيجية لدى الدول؛ فقد اعتبرت الولايات المتحدة الأمريكية بأن تصنيع أشباه الموصلات خارج أراضيها تهديداً لأمنها القومي والاقتصادي. لذلك سنًت قانوناً عُرف بقانون الرقائق الإلكترونية (Chips Act of 2022). حيث أن من أهداف هذا التشريع تعزيز البحث والتطوير، وتوطين القدرات والمكانة والريادة الأمريكية في مجال صناعة أشباه الموصلات من خلال تخصيص تمويل لهذا القطاع بمبلغ يصل إلى 200 مليار ⃀ تقريباً من أصل مبلغ 1 تريليون و50 مليار ⃀ تقريباً مخصص كحزم دعم اضافية للاستثمارات في العناصر المختلفة لهذا التشريع. أيضاً، قامت الحكومة الهندية بالموافقة على تخصيص ما يربو عن 35 مليار ⃀ لتطوير انتاج أشباه الموصلات من خلال رؤيتها المعروفة باسم رؤية الاعتماد على الذات (Atma Nirbhar Bharat). كما ويستمر العملاق الصيني في تكثيف جهوده لتعزيز منافسته العالمية لتحقيق الاكتفاء الذاتي في قطاع صناعة الرقائق، فمن ضمن برامج الحكومة الصينية المستمرة لتعزيز قدراتها في هذا القطاع اطلاقها مؤخراً الصندوق الصيني الثالث حيث خُصِص له دعم بما يزيد عن 178 مليار ⃀. كما أن دول الاتحاد الأوربي لم تقف مكتوفة الأيدي أمام تعزيز مصالحها الاستراتيجية وقدراتها في مجال الاستثمار في صناعة هذه التقنية الاستراتيجية حيث سنَت هي الأخرى قانون الرقائق الأوروبي (ECA) بهدف دعم زيادة حصص دول الاتحاد الأوربي من تصنيع الرقائق الإلكترونية، وقد بدأ تنفيذ هذه الرؤية في عام 2023م وقُدر الدعم المالي لهذا القانون بمبلغ 190 مليار ⃀ تقريباً. وبشكل مشابه قامت دولة اليابان هي الأخرى بسن تشريعات لدعم برنامج أشباه الموصلات وخصصت ميزانية سنوية تزيد عن 15 مليار ⃀ لتعزيز إنتاجها المحلي لأشباه الموصلات، حيث تسعى لمضاعفة مبيعاتها من أشباه الموصلات المنتجة محلياً لتصل إلى ما يزيد عن 400 مليار ⃀ في عام 2030م. كما وقد أعلنت مؤخراً الحكومة الكورية الجنوبية عزمها بناء أكبر مركز للرقائق في العالم باستثمارات تصل إلى 900 مليار ⃀.
فبالإضافة إلى التطبيقات المختلفة لأشباه الموصلات المذكورة في افتتاحية هذا المقال؛ تقود تقنيات البنية التحتية الرقمية العالمية (Digital Infrastructure)، والتقنيات المرتبطة بها كتقنية الذكاء الاصطناعي (AI) وفروع تقنياتها المختلفة كتعلم الآلة (ML)، وأنترنت الأشياء (IoT)، ومراكز البيانات (DC) النمو والطلب العالمي المتزايد في أسواق أشباه الموصلات. وبهذا الشأن، يُشير التقرير الصادر حديثاً عن منظمة صناعة أشباه الموصلات (SIA) بأن الحجم العالمي لمبيعات رقائق أشباه الموصلات لعام 2024م قد تجاوز 2 تريليون و353 مليار ⃀ بزيادة تبلغ نسبتها 19% عن العام الذي قبله، وقد بلغ هذا الحجم حتى منتصف هذا العام عند 1 تريليون و295 مليار ⃀ تقريباً. وبحسب هذه المنظمة فإنه من المتوقع أن تنمو مبيعات أسواق أشباه الموصلات العالمية بنسبة 11% تقريباً في عامنا هذا ليصل إلى قيمة إجمالية تتجاوز 2 تريليون و625 مليار ⃀. أما لعام 2026م فتشير التقارير المتخصصة بأن يصل حجم هذا السوق إلى 3 تريليون ⃀.
اليوم ولله الحمد، تشهد بلادنا الغالية ثورة تنموية ضخمة وشاملة في جميع المجالات والقطاعات مدفوعة برؤيتنا الحكيمة، رؤية المملكة 2030 بقيادة سمو سيدي ولي العهد الأمير الهُمام صاحب السمو الملكي الأمير محمد بن سلمان آل سعود – وفقه الله –، والتي من أهدافها زيادة نسبة الصادرات غير النفطية وتنويع مصادر الدخل، وزيادة الاستثمار الأجنبي في بلدنا، وزيادة توطين الوظائف، ما من شأنه بناء مستقبل مشرق مستدام لبلادنا المباركة، وتعظيم مكانتها على الصعيدين الإقليمي والدولي، لينعكس أثر ذلك على مستوى جودة حياة المواطن السعودي الكريم. إن من أفضال الله تعالى علينا أن وهبنا الواهب قيادة حكيمة رشيدة تستشعر وتستشرف المستقبل لبناء مجداً لهذه البلاد ولشعبها النبيل. إن بلادي الكريمة وما تكفله لها حقوقها السيادية تمتلك جميع الممكنات والمقومات للدخول في سباق المنافسة ثم الصدارة الإقليمية والريادة العالمية في مجال تطوير التصاميم وإنتاج رقائق أشباه الموصلات بمختلف تطبيقاتها.
محلياً، وفي ظل تزايد حدة التنافس العالمي لتعزيز القدرات في مجال البحث والتطوير لإنتاج أشباه الموصلات؛ شاركت ونظمت ودعمت رائدة قطاع البحث والتطوير والابتكار مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية مع جهات وطنية نظيرة أخرى وعلى مدى الأعوام الأربعة الماضية في الحدث الدولي الأهم في المنطقة؛ وهو منتدى مستقبل أشباه الموصلات. حيث كان من مخرجات الإصدارات الأربع لهذا الحدث الدولي منذ انطلاق نسخته الأولى في عام 2022م الإعلان عن إنشاء البرنامج السعودي لأشباه الموصلات (Saudi Semiconductor Program) والذي تحتضنه مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية بهدف دعم البحث والتطوير وتأهيل الكوادر البشرية في مجال تصميم الرقائق الإلكترونية وتوطينها. ومن جهودها لتوطين هذه التقنية تدشينها لبرنامج حاضنة أشباه الموصلات (Ignition) لاحتضان الشركات الناشئة ودعم رواد الأعمال في قطاع أشباه الموصلات. كما وأطلقت وبالشراكة مع جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية مركز القدرات الوطني لأشباه الموصلات بهدف تطوير وتوطين صناعة الرقائق الإلكترونية في مملكتنا الغالية، من خلال استثمار الخبرات والموارد المُشتركة. وتجدر الإشارة إلى أن معهد تقنيات الإلكترونيات الدقيقة وأشباه الموصلات وهو أحد معاهد مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية البالغ عددها 32 معهداً يمتلك بنية تحتية متكاملة للبحث والتطوير والابتكار في مجال أشباه الموصلات، وأحد أهم أُسُس هذه البنية هو وجود نخبة من الكفاءات الوطنية المؤهلة علمياً وفنياً وإدارياً متمكنة وبجدارة لقيادة ولتطوير هذا القطاع سواءً كان ذلك في مرحلة البحث أو مرحلة تطوير برامج التصاميم، أو الإنتاج. وبهذا الشأن، أعلنت مؤخراً مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية عن نجاحها في تصميم وتصنيع عدد 25 رقاقة إلكترونية متقدمة طُوِّرَت في مختبراتها. أيضاً، وللأهمية الوطنية لهذه التقنية أطلقت هيئة تنمية البحث والتطوير والابتكار التجمع الوطني لأشباه الموصلات (National Semiconductor Hub) بهدف توطين صناعة وتصميم الرقائق من خلال جذب أكثر من 1 مليار ⃀ من رؤوس الأموال الاستثمارية وصناديق الاستثمار في التقنية العميقة، وتوطين 50 شركة متخصصة في مجال أشباه الموصلات، وتدريب عدد 5 آلاف مهندس سعودي على تصميم الدوائر المتكاملة وذلك بحلول عام 2030م. كما يحظى أيضاً القطاع الخاص في وطننا الغالي بأسماء شركات وطنية نوعية تعمل في هذا المجال كشركة الإلكترونيات المتقدمة، وشركة آلات.
إننا في هذا الزمن نشهد قفزات وتحولات تقنية ابتكارية كبرى، وتطور متسارع في مخرجات قطاع البحث والتطوير والابتكار الأمر الذي يُلزمنا بمواكبته، والنظر له بعين الاهتمام الاستراتيجية، وهو ذات الأمر الذي نسعى له في بلادنا المباركة. فاليوم، وبعد أن ألهمنا العالم بقصص نجاحنا وريادتنا ومكانتنا وحضورنا وتأثيرنا الدولي القوي على جميع الأصعدة؛ أصبح من الضرورة بمكان المضي أكثر قدماً وبشكل محوكم وطنياً باتجاه تعزيز مكامن قوتنا ومكانتنا في هذا المجال التقني الاستراتيجي فبإذن الله تعالى نرى قريباً انتاجنا التجاري من رقائق أشباه الموصلات تحمل علامة وشعار صنع في السعودية (Saudi Chips – Made in K.S.A.).
نختم وإياكم هذا المقال باقتباس قاله قائدنا الملهم سمو سيدي ولي العهد صاحب السمو الملكي الأمير محمد بن سلمان آل سعود، حيث قال رعاه الله: "ثروتنا الأولى التي لا تعادلها ثروة مهما بلغت: شعب طموح، معظمه من الشباب، هو فخر بلادنا وضمان مستقبلها بعون الله، ونحن نملك كل العوامل التي تمكننا من تحقيق أهدافنا معاً"، نعم.. فقد قال سيدي معاً.