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

Translator: Behdad Khazaeli Reviewer: sadegh zabihi

Computers used to be as big as a room.

رایانه‌ها قبلاً به بزرگی یک اتاق بودند.

But now they fit in your pocket,

اما حالا در جیبتان جا می‌شوند،

on your wrist

روی مچ دستتان

and can even be implanted inside of your body.

و حتی داخل بدنتان پیوند زده می‌شوند.

How cool is that?

این چقدر خوب است؟

And this has been enabled by the miniaturization of transistors,

و دلیل آن کوچک سازی ترانزیستور‌ها بوده،

which are the tiny switches in the circuits

که کلید‌های کوچک در مدار‌هایی

at the heart of our computers.

در قلب رایانه هستند.

And it's been achieved through decades of development

و این بدلیل ده‌ها سال توسعه

and breakthroughs in science and engineering

و پیشرفت در علم و مهندسی

and of billions of dollars of investment.

و میلیارد‌ها دلار سرمایه گذاری حاصل شده است.

But it's given us vast amounts of computing,

که برای ما مقدار گسترده‌ای از توان پردازش

huge amounts of memory

حجم زیادی از فضای حافظه

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

و انقلابی دیجیتال آورده که همه ما امروزه استفاده می‌کنیم و لذت می‌بریم.

But the bad news is,

اما خبر بد این که،

we're about to hit a digital roadblock,

نزدیک است تا به مانعی دیجیتال در این راه برسیم،

as the rate of miniaturization of transistors is slowing down.

چون میزان کوچک سازی ترانزیستور‌ها کندتر می‌شود.

And this is happening at exactly the same time

و این اتفاق دقیقا وقتی می‌افتد

as our innovation in software is continuing relentlessly

که نوآوری‌های ما در نرم‌افزار

with artificial intelligence and big data.

با هوش مصنوعی و داده‌های کلان بی‌وقفه ادامه دارند.

And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality

و ابزار‌های ما به شکلی معمول تشخیص چهره یا واقعیت افزوده انجام می‌دهند

or even drive cars down our treacherous, chaotic roads.

و یا حتی خودرو‌های ما را در جاده‌های نامطمئن و شلوغ می‌رانند.

It's amazing.

شگفت‌آور است.

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

اما اگر ما به سلیقه‌مان در نرم‌افزار‌ ادامه ندهیم،

we could reach a point in the development of our technology

به نقطه‌ای در توسعه فناوری خواهیم رسید

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

که کار‌هایی که با نرم‌افزارمان می‌توانیم انجام دهیم

by our hardware.

به خاطر سخت‌افزار محدود می‌شود.

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

همه ما تجربه‌های ناامید کننده تلفن‌های هوشمند یا تبلت‌های قدیمی را بیاد داریم

grinding slowly to a halt over time

که به زحمت و به تدریج

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

زیر فشار بروز‌رسانی‌های نرم‌افزاری و ویژگی‌های جدید از کار می‌افتادند.

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

در حالیکه وقتی می‌خریدیم‌شان همین چند وقت پیش بخوبی کار می‌کردند.

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

اما مهندسان نرم‌افزار پراشتها تمامی ظرفیت سخت‌افزار را خوردند

over time.

به تدریج.

The semiconductor industry is very well aware of this

صنعت نیمه‌هادی بخوبی از این موضوع آگاه است

and is working on all sorts of creative solutions,

و روی راه‌حل‌های خلاقانه زیادی کار می‌کند،

such as going beyond transistors to quantum computing

مثلا عبور از ترانزیستور‌ها به سمت پردازش کوانتومی

or even working with transistors in alternative architectures

یا حتی کار با ترازیستور‌هایی با معماری متفاوت

such as neural networks

مثل شبکه‌های عصبی

to make more robust and efficient circuits.

تا مدار‌‌هایی مقاومتر و کاراتر داشته باشیم.

But these approaches will take quite some time,

اما این راه‌کار‌ها وقت زیادی لازم دارند،

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

و ما واقعا به دنبال را‌ه‌کاری سریعتر برای این مشکل هستیم.

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

دلیل اینکه چرا نرخ کوچک سازی ترانزیستور‌ها کند شده است

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

پیچیده شدن هرچه بیشتر فرآیند تولید است.

The transistor used to be a big, bulky device,

قبلا ترانزیستور یک قطعه بزرگ و پر حجم بود،

until the invent of the integrated circuit

تا زمانی که مدار مجتمع اختراع شد

based on pure crystalline silicon wafers.

بر پایه ویفرهایی از کریستال خالص سیلیکون.

And after 50 years of continuous development,

و بعد از ۵۰ سال توسعه مداوم،

we can now achieve transistor features dimensions

حالا می‌توانیم ترانزیستور‌هایی در ابعاد

down to 10 nanometers.

تا ۱۰ نانومتر داشته باشیم.

You can fit more than a billion transistors

که می‌توانید یک میلیارد از آنها را

in a single square millimeter of silicon.

در هر میلیمتر مربع سیلیکون قرار دهید.

And to put this into perspective:

برای نشان دادن این موضوع:

a human hair is 100 microns across.

سطح مقطع موی انسان ۱۰۰ میکرون است.

A red blood cell, which is essentially invisible,

یک گلبول قرمز خون، که اصلا قابل دیدن نیست،

is eight microns across,

هشت میکرون عرض دارد،

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

که می‌توانید ۱۲ عدد از آنها را در مقطع موی انسان قرار دهید.

But a transistor, in comparison, is much smaller,

اما در مقایسه ترانزیستور خیلی کوچکتر است،

at a tiny fraction of a micron across.

با عرضی کمتر از یک میکرون.

You could place more than 260 transistors

می‌توانید ۲۶۰ ترانزیستور را

across a single red blood cell

در امتداد یک گلبول خون قرار دهید

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

یا بیش از ۳٫۰۰۰ عدد در عرض تار موی انسان.

It really is incredible nanotechnology in your pocket right now.

واقعا فناوری نانوی فوق‌العاده‌ای در جیب شما قرار دارد.

And besides the obvious benefit

و در کنار این مزیت‌ مشخص

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

که بتوانیم ترانزیستور‌های بیشتری روی یک تراشه قرار دهیم،

smaller transistors are faster switches,

ترانزیستور‌های کوچکتر کلید‌های سریعتری هم هستند،

and smaller transistors are also more efficient switches.

و کلید‌های سریعتر بازدهی بیشتری هم دارند.

So this combination has given us

پس این ترکیب برای ما

lower cost, higher performance and higher efficiency electronics

هزینه کمتر، کارایی بالاتر و الکترونیک با بازدهی بالاتری را فراهم کرده

that we all enjoy today.

که امروزه از آن استفاده می‌کنیم.

To manufacture these integrated circuits,

برای تولید این مدارات مجتمع،

the transistors are built up layer by layer,

ترانزیستور‌ها لایه به لایه ساخته می‌شوند،

on a pure crystalline silicon wafer.

روی یک ویفر از کریستال خالص سیلیکون.

And in an oversimplified sense,

و با یک نگاه خیلی ساده شده،

every tiny feature of the circuit is projected

تمامی مشخصات یک مدار

onto the surface of the silicon wafer

روی سطح ویفر سیلیکونی تابیده می‌شود

and recorded in a light-sensitive material

که توسط یک ماده حساس به نور ثبت می‌شود

and then etched through the light-sensitive material

و بعد توسط مواد حساس به نور

to leave the pattern in the underlying layers.

الگو‌های لازم را روی سطوح پایینی حک می‌کند.

And this process has been dramatically improved over the years

و این شیوه در طول سالها به شکل چشمگیری بهبود یافته

to give the electronics performance we have today.

تا کارایی موجود در الکترونیک امروزی را ایجاد کند.

But as the transistor features get smaller and smaller,

اما همینطور که ویژگی‌های ترانزیستور‌ها کوچک و کوچکتر می‌شوند،

we're really approaching the physical limitations

ما دیگر به محدودیت‌های فیزیکی

of this manufacturing technique.

در تولید این محصولات نزدیکتر می‌شویم.

The latest systems for doing this patterning

آخرین سیستم‌های تولید این محصولات

have become so complex

چنان پیچیده شده‌اند

that they reportedly cost more than 100 million dollars each.

که گزارش رسیده که هرکدام بیش از ۱۰۰ میلیون دلار قیمت دارند.

And semiconductor factories contain dozens of these machines.

و کارخانه‌های نیمه‌هادی ده‌ها عدد از اینها را در خود دارند.

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

حالا خیلی‌ها به طور جدی سوال می‌کنند: آیا این روش در دراز مدت ممکن است؟

But we believe we can do this chip manufacturing

ما معتقدیم که این روش تولید تراشه را می‌شود

in a totally different and much more cost-effective way

به شیوه‌ای کاملا متفاوت و بسیار اقتصادی

using molecular engineering and mimicking nature

با استفاده از مهندسی مولکولی و تقلید از طبیعت

down at the nanoscale dimensions of our transistors.

و تا ابعاد در حد نانوی ترانزیستور‌هایمان انجام داد.

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

همانطور که گفتم، در شیوه‌های معمول تولید تمامی مشخصات مدار

and projects it onto the silicon.

روی سطح سیلیکون تابانده می‌شود.

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

اما اگر به مشخصات مدار مجتمع نگاه کنید،

the transistor arrays,

به آرایه‌های ترانزیستوری،

many of the features are repeated millions of times.

خیلی از ویژگی‌ها میلیون‌ها بار تکرار شده‌اند.

It's a highly periodic structure.

ساختاری بسیار تکراری است.

So we want to take advantage of this periodicity

ما می‌خواهیم از این تکراری بودن

in our alternative manufacturing technique.

در شیوه تولیدی جایگزین‌مان استفاده کنیم.

We want to use self-assembling materials

می‌خواهیم از مواد خود نصب استفاده کنیم

to naturally form the periodic structures

تا به شکلی طبیعی ساختار‌های تکرار شدنی را

that we need for our transistors.

که برای ایجاد ترانزیستور‌ها نیاز داریم بسازیم.

We do this with the materials,

ما این کار را با مواد انجام می‌دهیم،

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

پس این مواد هستند که کار سخت الگو‌سازی ظریف را انجام می‌دهند،

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

بجای آنکه بخواهیم شیوه چاپ را تا محدوده‌های آن و فراتر ادامه دهیم.

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

خود نصبی در خیلی از نقاط متفاوت طبیعت دیده می‌شود،

from lipid membranes to cell structures,

از غشای لیپید تا ساختار‌های سلولی،

so we do know it can be a robust solution.

پس می‌دانیم که می‌تواند راهکاری مطمئن باشد.

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

اگر برای طبیعت مناسب است، باید برای ما هم خوب باشد.

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

پس ما می‌خواهیم این چیزی که طبیعی اتفاق می‌افتد، خود نصبی مطمئن را

and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.

در تولید فناوری نیمه‌هادی خودمان استفاده کنیم.

One type of self-assemble material --

یک نوع از مواد خود نصب --

it's called a block co-polymer --

که کوپلیمر نام دارند --

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

از دو زنجیره پلیمری تشکیل شده است که تنها چند ده نانومتر طول دارد.

But these chains hate each other.

اما این دو زنجیره از هم متنفرند.

They repel each other,

همدیگر را دفع می‌کنند،

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

خیلی شبیه به روغن و آب یا دختر و پسر نوجوان من.

(Laughter)

(خنده حضار)

But we cruelly bond them together,

اما ما آنها را با بی‌رحمی به هم متصل می‌کنیم،

creating an inbuilt frustration in the system,

و یک خستگی ذاتی در ساختار قرار می‌دهیم،

as they try to separate from each other.

چون می‌خواهند از هم جدا شوند.

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

و در توده‌ای از این ماده، میلیارد‌ها از این‌ها وجود دارد،

and the similar components try to stick together,

اجزاء مشابه سعی می‌کنند تا به هم بچسبند،

and the opposing components try to separate from each other

و اجزاء متضاد سعی می‌کنند از هم دور شوند

at the same time.

همزمان.

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

این یک خستگی درونی در سیستم است، یک تنش در سیستم.

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

پس در اطرافش حرکت می‌کند، اینقدر پیچ و تاب می‌خورد تا شکل بگیرد.

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

و شکل طبیعی خود نصبی که در ابعاد نانو ایجاد می‌شود،

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

منظم، تکراری، و در طول زیاد است،

which is exactly what we need for our transistor arrays.

و این دقیقا همان چیزی است که برای آرایه‌های ترانزیستوری‌مان نیاز داریم.

So we can use molecular engineering

پس می‌توانیم از مهندسی مولکولی

to design different shapes of different sizes

برای طراحی شکل‌هایی در اندازه‌های مختلف

and of different periodicities.

و تکرار شوندگی‌های متفاوت استفاده کنیم.

So for example, if we take a symmetrical molecule,

برای مثال، اگر یک مولکول متقارن را در نظر بگیریم،

where the two polymer chains are similar length,

که دو زنجیره مولکولی طولی یکسان دارند،

the natural self-assembled structure that is formed

ساختار خود نصب طبیعی که شکل می‌گیرد

is a long, meandering line,

خطوطی پرپیچ و خم و طولانی است،

very much like a fingerprint.

خیلی شبیه به اثر انگشت.

And the width of the fingerprint lines

و عرض خطوط اثر انگشت

and the distance between them

و فاصله بین‌شان

is determined by the lengths of our polymer chains

بر مبنای طول زنجیره‌های پلیمر ما تعیین می‌شود

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

و همینطور میزان خستگی در سیستم.

And we can even create more elaborate structures

ما حتی می‌توانیم ساختار‌هایی پیچیده‌تر ایجاد کنیم

if we use unsymmetrical molecules,

اگر از مولکول‌های نامتقارن استفاده کنیم،

where one polymer chain is significantly shorter than the other.

اگر یکی از زنجیره‌های پلیمری از دیگری خیلی کوچکتر باشد.

And the self-assembled structure that forms in this case

و ساختار خود نصبی که در این حالت ایجاد می‌شود

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

با زنجیره‌های کوچکتر که گلوله‌های محکمی را در وسط ایجاد می‌کنند،

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

که با زنجیره‌های پلیمری بلند‌تر در مقابل احاطه شده،

forming a natural cylinder.

و یک استوانه طبیعی می‌سازند.

And the size of this cylinder

و اندازه این استوانه

and the distance between the cylinders, the periodicity,

و فاصله میان استوانه‌ها، تکرار شوندگی،

is again determined by how long we make the polymer chains

مجددا توسط طول این زنجیره‌ها

and the level of built-in frustration.

و میزان خستگی درونی تعیین می‌شود.

So in other words, we're using molecular engineering

پس به عبارت دیگر، ما از مهندسی مولکولی

to self-assemble nanoscale structures

برای ایجاد نانو ساختار‌های خود نصبی استفاده می‌کنیم

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

که می‌توانند خط یا استوانه به اندازه تکرار شوندگی که ما طراحی می‌کنیم باشند.

We're using chemistry, chemical engineering,

ما از شیمی، مهندسی شیمی، استفاده می‌کنیم

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

تا ویژگی‌های نانویی تولید کنیم که برای ترانزیستور‌های‌مان می‌خواهیم.

But the ability to self-assemble these structures

اما توانایی خود نصبی این ساختار‌ها

only takes us half of the way,

تنها ما را تا نیمه راه می‌برد،

because we still need to position these structures

چون هنوز باید این ساختار‌ها را

where we want the transistors in the integrated circuit.

در جایی که می‌خواهیم ترانزیستور‌ها را در مدار مجتمع قرار دهیم بگذاریم.

But we can do this relatively easily

به نسبت این کار را می‌شود بسادگی انجام داد

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

به کمک ساختار‌های هادی که ساختار‌های خود نصب را در جای خود قرار می‌دهند،

anchoring them in place

و در محل محکمشان می‌کنند

and forcing the rest of the self-assembled structures

و مابقی ساختار‌های خود نصب را وادار می‌کنند

to lie parallel,

تا به شکل موازی قرار گیرند،

aligned with our guide structure.

مطابق با ساختار هادی ما.

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

برای مثال، اگر بخواهیم یک خط ۴۰ نانومتری ظریف بسازیم،

which is very difficult to manufacture with conventional projection technology,

که تولیدش توسط روش‌های معمول چاپ خیلی دشوار است،

we can manufacture a 120-nanometer guide structure

می‌توانیم یک ساختار‌ هادی ۱۲۰ نانومتری را

with normal projection technology,

با روش‌های چاپ معمولی بسازیم،

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

و این ساختار سه خط ۴۰ نانومتری را در میانش هم‌راستا می‌کند.

So the materials are doing the most difficult fine patterning.

پس مواد سخت‌ترین الگوسازی را خودشان انجام می‌دهند.

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

و ما این راهکار کامل را «خود نصبی مستقیم» نامیده‌ایم.

The challenge with directed self-assembly

چالش خود نصبی مستقیم

is that the whole system needs to align almost perfectly,

این است که تمام ساختار باید تقریبا بدون اشکال هم‌راستا شود،

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

چون هر خطای کوچکی در ساختار می‌تواند باعث ایراد در یک ترانزیستور شود.

And because there are billions of transistors in our circuit,

و چون میلیارد‌ها ترانزیستور در مدار ما هستند،

we need an almost molecularly perfect system.

به یک ساختار مولکولی بی‌عیب نیازمند هستیم.

But we're going to extraordinary measures

و به سمت معیار‌هایی غیر‌ عادی

برای دستیابی به این خواهیم رفت،

to achieve this,

from the cleanliness of our chemistry

از میزان تمیزی در شیمی

to the careful processing of these materials

تا پردازش دقیق این مواد

in the semiconductor factory

در کار‌خانه نیمه‌هادی

to remove even the smallest nanoscopic defects.

تا حذف حتی کوچکترین ایراد در اندازه‌های نانو.

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

پس خود نصبی مستقیم یک فناوری متحول کننده جدید و هیجان انگیز است،

but it is still in the development stage.

که هنوز در مرحله توسعه قرار دارد.

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

اما به تدریج مطمئن می‌شویم که می‌توانیم، در واقع، عرضه‌اش کنیم

to the semiconductor industry

به صنعت نیمه‌هادی

as a revolutionary new manufacturing process

به عنوان یک فرایند تولیدی انقلابی جدید

in just the next few years.

تنها ظرف چند سال آینده.

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

و اگر بتوانیم این کار را انجام دهیم، اگر موفق شویم،

we'll be able to continue

خواهیم توانست

with the cost-effective miniaturization of transistors,

کوچکتر کردن ترانزیستور‌ها را به شکلی اقتصادی ادامه دهیم،

continue with the spectacular expansion of computing

توسعه جذاب رایانه‌ها

and the digital revolution.

و انقلاب دیجیتال را ادامه دهیم.

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

و حتی بیشتر از آن، این می‌تواند ما را به دوران جدیدی

of molecular manufacturing.

از تولیدات مولکولی وارد کند.

How cool is that?

چقدر جالب می‌تواند باشد؟

Thank you.

متشکرم.

(Applause)

(تشویق حضار)