The self-assembling computer chips of the future | Karl Skjonnemand

المترجم: Manar Kull المدقّق: Sajedah Al-Zuheiri

Computers used to be as big as a room.

اعتدت أجهزة الكمبيوتر أن تكون كبيرة بحجم الغرفة

But now they fit in your pocket,

لكنه الآن في جيبك،

on your wrist

على معصمك،

and can even be implanted inside of your body.

ويمكن حتى زرعها داخل جسمك.

How cool is that?

كم ذلك رائع!

And this has been enabled by the miniaturization of transistors,

قد تم تمكين هذا عن طريق تصغير الترانزستورات

which are the tiny switches in the circuits

وهي مفاتيح صغيرة في الدارات

at the heart of our computers.

في قلب أجهزة الكمبيوتر لدينا.

And it's been achieved through decades of development

وقد تحقق ذلك، من خلال عقود من التنمية

and breakthroughs in science and engineering

وتقدمات مفاجئة، في العلوم والهندسة

and of billions of dollars of investment.

ومليارات الدولارات من الاستثمار.

But it's given us vast amounts of computing,

لكنه أعطانا كميات هائلة من الحوسبة،

huge amounts of memory

كميات هائلة من الذاكرة

and the digital revolution that we all experience and enjoy today.

والثورة الرقمية التي نختبرها ونستمتع بها اليوم.

But the bad news is,

ولكن الخبر السيء،

we're about to hit a digital roadblock,

نحن على وشك الوصول إلى حاجز طرق رقمي،

as the rate of miniaturization of transistors is slowing down.

باعتبار ان معدل تصغير الترانزستورات يتباطئ.

And this is happening at exactly the same time

وهذا ما يحدث بالضبط، في نفس الوقت

as our innovation in software is continuing relentlessly

الذي يكون فيه إبداعنا في البرمجيات يستمر بلا هوادة

with artificial intelligence and big data.

مع الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة.

And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality

وأجهزتنا تعمل بانتظام على التعرف على الوجه أو تعزيز واقعنا

or even drive cars down our treacherous, chaotic roads.

أو حتى قيادة السيارات في طريقنا الفوضوي الغادر.

It's amazing.

إنه مذهل.

But if we don't keep up with the appetite of our software,

لكن إذا لم نستمر مع شهية برنامجنا،

we could reach a point in the development of our technology

ربما سنصل إلى نقطة في تطوير التكنولوجيا لدينا

where the things that we could do with software could, in fact, be limited

حيث أن الأشياء التي يمكننا القيام بها في البرمجيات يمكن أن تكون محدودة!

by our hardware.

من قِبل جهازنا الصلب.

We've all experienced the frustration of an old smartphone or tablet

لقد عانينا جميعًا من الإحباط من هاتف ذكي قديم أو جهاز لوحي قديم

grinding slowly to a halt over time

يكدح ببطئ مع مرور الزمن، إلى أن يتوقف عن العمل،

under the ever-increasing weight of software updates and new features.

بسبب الوزن المتزايد باستمرار من تحديثات البرامج والميزات الجديدة.

And it worked just fine when we bought it not so long ago.

وقد عملت على ما يرام، فقط عندما اشتريناها منذ وقت ليس ببعيد.

But the hungry software engineers have eaten up all the hardware capacity

لكن، مهندسي البرمجيات الجياع قد أكلوا كامل قدرات الجهاز

over time.

مع مرور الزمن.

The semiconductor industry is very well aware of this

صناعة أشباه الموصلات، تدرك هذا جيداً،

and is working on all sorts of creative solutions,

وتعمل على كل أنواع الحلول الإبداعية،

such as going beyond transistors to quantum computing

مثل الذهاب إلى أبعد من الترانزستورات إلى الحوسبة الكمومية.

or even working with transistors in alternative architectures

أو حتى العمل مع الترانزستورات في البنى البديلة

such as neural networks

مثل الشبكات العصبية

to make more robust and efficient circuits.

لصناعة دارات اكثر قوة و فعالية.

But these approaches will take quite some time,

لكن هذه المقاربات سوف تستغرق بعض الوقت،

and we're really looking for a much more immediate solution to this problem.

ونحن نبحث حقاً عن أكثر من ذلك بكثير لحل فوري لهذه المشكلة.

The reason why the rate of miniaturization of transistors is slowing down

السبب في أن معدل التصغير من الترانزستورات يتباطئ

is due to the ever-increasing complexity of the manufacturing process.

بسبب التعقيد المتزايد في عملية التصنيع.

The transistor used to be a big, bulky device,

الترانزستور كان جهاز ضخم كبير،

until the invent of the integrated circuit

حتى اختراع الدائرة المتكاملة

based on pure crystalline silicon wafers.

على أساس رقائق السيليكون النقية البلورية.

And after 50 years of continuous development,

وبعد 50 سنة من التطوير المستمر،

we can now achieve transistor features dimensions

يمكننا الآن تحقيق ترانزستور بأبعاد

down to 10 nanometers.

تصل الى 10 نانومتر.

You can fit more than a billion transistors

يمكنك احتواء أكثر من مليار من الترانزستورات

in a single square millimeter of silicon.

في ملليمتر مربع واحد من السيليكون.

And to put this into perspective:

ولوضع هذا في منظور:

a human hair is 100 microns across.

ثخن شعرة الإنسان 100 ميكرون.

A red blood cell, which is essentially invisible,

خلية دم حمراء، وهي غير مرئية في الأساس،

is eight microns across,

هو ثمانية ميكرون،

and you can place 12 across the width of a human hair.

ويمكنك وضع 12 عبر عرض شعر الانسان.

But a transistor, in comparison, is much smaller,

لكن الترانزستور، في المقارنة، أصغر بكثير،

at a tiny fraction of a micron across.

في جزء صغير جدا من الميكرون.

You could place more than 260 transistors

يمكنك أن تضع أكثر من 260 من الترانزستورات

across a single red blood cell

عبر خلية دم حمراء واحدة

or more than 3,000 across the width of a human hair.

أو أكثر من 3000 عبر عرض شعر الانسان.

It really is incredible nanotechnology in your pocket right now.

انها حقا تكنولوجيا نانو لا تصدق! وهي في جيبك الآن.

And besides the obvious benefit

وبالاضافة الى الفائدة الواضحة

of being able to place more, smaller transistors on a chip,

في القدرة على وضع المزيد من الترانزستورات الأصغر على رقاقة.

smaller transistors are faster switches,

الترانزستورات الأصغر هي مفاتيح أسرع،

and smaller transistors are also more efficient switches.

و الترانزستورات الأصغر هي أيضاً مفاتيح أكثر كفاءة.

So this combination has given us

لذلك أعطانا هذا الجمع

lower cost, higher performance and higher efficiency electronics

الإلكترونيات ذات تكلفة أقل، أداء أعلى و كفاءة أعلى

that we all enjoy today.

التي نستمتع بها جميعنا اليوم.

To manufacture these integrated circuits,

لتصنيع هذه الدوائر المتكاملة،

the transistors are built up layer by layer,

تم بناء الترانزستورات طبقة تلو طبقة

on a pure crystalline silicon wafer.

على رقاقة السيليكون النقية البلورية.

And in an oversimplified sense,

وبمعنى أبسط،

every tiny feature of the circuit is projected

كل ميزة صغيرة من الدارة تم اسقاطها

onto the surface of the silicon wafer

على سطح رقاقة السيليكون

and recorded in a light-sensitive material

وسجلت في مادة حساسة للضوء

and then etched through the light-sensitive material

ومن ثم حفر خلال المواد الحساسة للضوء

to leave the pattern in the underlying layers.

لترك النمط في الطبقات السفلية.

And this process has been dramatically improved over the years

و هذه العملية تتحسن بشكل كبير على مرّ السنين

to give the electronics performance we have today.

لإعطاء اداء الالكترونيات التي نملكها اليوم.

But as the transistor features get smaller and smaller,

ولكن مع تصاغر الترانزستورات،

we're really approaching the physical limitations

نحن نقترب حقا من القيود المادية

of this manufacturing technique.

لتقنية التصنيع هذه.

The latest systems for doing this patterning

أحدث الأنظمة للقيام بهذا التنميط

have become so complex

أصبحت معقدة للغاية

that they reportedly cost more than 100 million dollars each.

يقال أن تكلفتها أكثر من 100 مليون دولار لكل منها.

And semiconductor factories contain dozens of these machines.

ومصانع أشباه الموصلات تحتوي على العشرات من هذه الآلات.

So people are seriously questioning: Is this approach long-term viable?

لذلك الناس يسألون بجدية: هل هذا النهج طويل الأجل؟

But we believe we can do this chip manufacturing

لكننا نعتقد أنه يمكننا القيام بتصنيع هذه الرقاقات

in a totally different and much more cost-effective way

بطريقة مختلفة تماماً وأكثر فعالية بالكلفة

using molecular engineering and mimicking nature

باستخدام الهندسة الجزيئية، وتقليد الطبيعة

down at the nanoscale dimensions of our transistors.

نزولا الى أبعاد النانو من الترانزستورات لدينا.

As I said, the conventional manufacturing takes every tiny feature of the circuit

كما قلت، التصنيع التقليدي يأخذ كل ميزة صغيرة من الدائرة

and projects it onto the silicon.

و يسقطها على السيليكون.

But if you look at the structure of an integrated circuit,

ولكن إذا نظرت إلى هيكل الدائرة متكاملة،

the transistor arrays,

مصفوفات الترانزستور،

many of the features are repeated millions of times.

يتم تكرار العديد من الميزات ملايين المرات.

It's a highly periodic structure.

انها بنية دورية للغاية.

So we want to take advantage of this periodicity

لذلك نحن نريد الاستفادة من هذا التكرار الدوري

in our alternative manufacturing technique.

في تقنيتنا البديلة في التصنيع.

We want to use self-assembling materials

نريد استخدام مواد التجميع الذاتي

to naturally form the periodic structures

لتشكيل الهياكل الدورية بشكل طبيعي

that we need for our transistors.

التي نحتاجها للترانزستورات لدينا.

We do this with the materials,

نحن نفعل هذا مع المواد،

then the materials do the hard work of the fine patterning,

ثم المواد تفعل العمل الشاق من الزخرفة الجميلة،

rather than pushing the projection technology to its limits and beyond.

بدلاً من الدخول في إسقاط التكنولوجيا إلى حدودها و تجاوزها.

Self-assembly is seen in nature in many different places,

ينظر إلى التجميع الذاتي في الطبيعة في العديد من الأماكن المختلفة،

from lipid membranes to cell structures,

من الأغشية الدهنية إلى هياكل الخلية،

so we do know it can be a robust solution.

لذلك نحن نعرف أنه يمكن أن يكون حلا قويا.

If it's good enough for nature, it should be good enough for us.

إذا كانت جيدة بما فيه الكفاية للطبيعة، يجب أن تكون جيدة بما فيه الكفاية لنا

So we want to take this naturally occurring, robust self-assembly

لذلك نحن نريد أن نأخذ هذا الحدوث الطبيعي التجميع الذاتي المتين

and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.

واستخدامها لتصنيع تكنولوجيا أشباه الموصلات.

One type of self-assemble material --

نوع واحد من مواد التجميع الذاتي،،

it's called a block co-polymer --

يطلق عليه كتلة البوليمر المشتركة،

consists of two polymer chains just a few tens of nanometers in length.

يتكون من سلسلتين بوليمر فقط و طوله بضع عشرات من النانومتر.

But these chains hate each other.

لكن هذه السلاسل تكره بعضها البعض.

They repel each other,

إنهم يصدون بعضهم البعض،

very much like oil and water or my teenage son and daughter.

يشبه إلى حد كبير النفط والماء أو ابني وابنتي المراهقين.

(Laughter)

(ضحك)

But we cruelly bond them together,

لكننا نربطهم بقسوة معاً،

creating an inbuilt frustration in the system,

يشكل في ثناياه عوامل الإحباط في النظام،

as they try to separate from each other.

كما يحاولون الانفصال عن بعضهم البعض.

And in the bulk material, there are billions of these,

وفي المواد السائبة، هناك مليارات من هؤلاء،

and the similar components try to stick together,

والمكونات المماثلة حاولت أن تلتصق ببعضها البعض،

and the opposing components try to separate from each other

والمكونات المعارضة تحاول الانفصال عن بعضها البعض

at the same time.

في نفس الوقت.

And this has a built-in frustration, a tension in the system.

وهذا له إحباط داخلي، توتر في النظام.

So it moves around, it squirms until a shape is formed.

لذلك يتحرك، يضغط حتى يتم تشكيل الشكل.

And the natural self-assembled shape that is formed is nanoscale,

والشكل الطبيعي الذاتي التجميع التي يتم تشكيلها هو مقياس النانو،

it's regular, it's periodic, and it's long range,

انها منتظمة، انها دورية، وهي بعيدة المدى،

which is exactly what we need for our transistor arrays.

وهو بالضبط ما نحتاجه لصفائف الترانزستور لدينا.

So we can use molecular engineering

لذلك يمكننا استخدام الهندسة الجزيئية

to design different shapes of different sizes

لتصميم الأشكال المختلفة من مختلف الأحجام

and of different periodicities.

ودورات مختلفة.

So for example, if we take a symmetrical molecule,

لذلك على سبيل المثال، إذا أخذنا جزيء متماثل

where the two polymer chains are similar length,

حيث سلاسل البوليمر اثنتين متشابهة الطول ،

the natural self-assembled structure that is formed

البنية الطبيعية المجمعة ذاتيا التي يتم تشكيلها

is a long, meandering line,

هي خط طويل متعرج،

very much like a fingerprint.

يشبه إلى حد كبير البصمة.

And the width of the fingerprint lines

وعرض خطوط بصمات الأصابع

and the distance between them

والمسافة بينهما

is determined by the lengths of our polymer chains

يتحدد بالأطوال من سلاسل البوليمر لدينا

but also the level of built-in frustration in the system.

ولكن أيضا بمستوى الإحباط المبني داخليا في النظام.

And we can even create more elaborate structures

ويمكننا حتى إنشاء هياكل أكثر تفصيلاً

if we use unsymmetrical molecules,

إذا استخدمنا جزيئات غير متكافئة،

where one polymer chain is significantly shorter than the other.

حيث سلسلة البوليمر واحدة هي أقصر بكثير من الآخرى.

And the self-assembled structure that forms in this case

والهيكل الذاتي التجميع المشكل في هذه الحالة

is with the shorter chains forming a tight ball in the middle,

هو مع سلاسل أقصر تُشكل كرة ضيقة في الوسط ،

and it's surrounded by the longer, opposing polymer chains,

وتحيط به سلاسل البوليمر أطول و معارضة له،

forming a natural cylinder.

تشكيل اسطوانة طبيعية.

And the size of this cylinder

وحجم هذه الاسطوانة

and the distance between the cylinders, the periodicity,

والمسافة بين الاسطوانات، الدورية،

is again determined by how long we make the polymer chains

يتم تحديده مرة أخرى من قبل متى نصنع سلاسل البوليمر

and the level of built-in frustration.

ومستوى الإحباط المدمج.

So in other words, we're using molecular engineering

وبعبارة أخرى، نحن نستخدم الهندسة الجزيئية

to self-assemble nanoscale structures

للهياكل المجمعة ذاتيا على مستوى النانو

that can be lines or cylinders the size and periodicity of our design.

التي يمكن أن تكون خطوط أو اسطوانات بحجم ودورية تصميمنا.

We're using chemistry, chemical engineering,

نحن نستخدم الكيمياء، هندسة كيميائية،

to manufacture the nanoscale features that we need for our transistors.

لتصنيع ميزات النانو التي نحتاجها للترانزستورات لدينا.

But the ability to self-assemble these structures

لكن القدرة لتجميع هذه الهياكل ذاتيا

only takes us half of the way,

يأخذنا فقط نصف الطريق،

because we still need to position these structures

لأننا لا نزال بحاجة لوضع هذه الهياكل

where we want the transistors in the integrated circuit.

حيث نريد الترانزستورات في الدائرة المتكاملة.

But we can do this relatively easily

لكن يمكننا القيام بذلك بسهولة نسبية

using wide guide structures that pin down the self-assembled structures,

باستخدام هياكل دليل واسعة التي تعلق عليها الهياكل المجمعة ذاتياً،

anchoring them in place

بحيث يثبتهم في مكان

and forcing the rest of the self-assembled structures

وإجبار بقية الهياكل المجمعة ذاتياً

to lie parallel,

أن تتوضع بالتوازي،

aligned with our guide structure.

تتماشى مع دليل هيكلنا.

For example, if we want to make a fine, 40-nanometer line,

مثلاً، إذا كنا نريد أن نصنع خط 40 نانومتر دقيق،

which is very difficult to manufacture with conventional projection technology,

وهو صعب جدا للتصنيع مع تقنية الإسقاط التقليدية،

we can manufacture a 120-nanometer guide structure

يمكننا صنع دليل هيكل 120 نانومتر

with normal projection technology,

مع تقنية الإسقاط العادية،

and this structure will align three of the 40-nanometer lines in between.

وهذا الهيكل سوف يوضع ثلاثة من خطوط 40 نانومتر بينهما.

So the materials are doing the most difficult fine patterning.

لذلك المواد تفعل الزخرفة الدقيقة الأكثر صعوبة.

And we call this whole approach "directed self-assembly."

ونحن نسمي هذا النهج كله "التجميع الذاتي الموجه."

The challenge with directed self-assembly

التحدي مع التجميع الذاتي الموجه

is that the whole system needs to align almost perfectly,

هو أن النظام بأكمله يحتاج إلى للمحاذاة تقريباً بشكل تام،

because any tiny defect in the structure could cause a transistor failure.

لأن أي عيب صغير في الهيكل يمكن أن يسبب فشل الترانزستور.

And because there are billions of transistors in our circuit,

ولأن هناك مليارات من الترانزستورات في دائرتنا،

we need an almost molecularly perfect system.

نحتاج تقريباً نظام مثالي جزيئي.

But we're going to extraordinary measures

لكننا نذهب إلى تدابير استثنائية

to achieve this,

لتحقيق هذا،

from the cleanliness of our chemistry

من نظافة الكيمياء لدينا

to the careful processing of these materials

لتجهيز دقيق لهذه المواد

in the semiconductor factory

في مصنع أشباه الموصلات

to remove even the smallest nanoscopic defects.

لإزالة حتى أصغر العيوب النانوية.

So directed self-assembly is an exciting new disruptive technology,

لذلك التجميع الذاتي الموجه هي تقنية مبتكرة جديدة مثيرة ،

but it is still in the development stage.

لكنها لا تزال في مرحلة التطوير.

But we're growing in confidence that we could, in fact, introduce it

لكننا ننمو في الثقة يمكننا، في الواقع، تقديمه

to the semiconductor industry

لصناعة أشباه الموصلات

as a revolutionary new manufacturing process

كعملية تصنيع جديدة ثورية

in just the next few years.

في السنوات القليلة المقبلة فقط.

And if we can do this, if we're successful,

وإذا استطعنا القيام بذلك، إذا نجحنا،

we'll be able to continue

سنكون قادرين على المتابعة

with the cost-effective miniaturization of transistors,

مع تصغير فعال من حيث الكلفة للترانزستورات

continue with the spectacular expansion of computing

تواصل مع توسع مذهل في الحوسبة

and the digital revolution.

والثورة الرقمية.

And what's more, this could even be the dawn of a new era

وما هو أكثر من ذلك، هذا يمكن حتى يكون فجر عهد جديد

of molecular manufacturing.

التصنيع الجزيئي.

How cool is that?

كم هذا رائع!

Thank you.

شكرا لكم

(Applause)

(تصفيق)