سلیکن سیمی کنڈکٹر چپس کے مستقبل کے امکانات کی تلاش

ٹیکنالوجی میں سیمی کنڈکٹرز کے کردار کی وضاحت کیا ہے؟

مواد کو ان کی برقی چالکتا کی بنیاد پر درجہ بندی کیا جا سکتا ہے- کنڈکٹرز میں کرنٹ آسانی سے بہتا ہے لیکن انسولیٹروں میں نہیں ہو سکتا۔ سیمی کنڈکٹر درمیان میں آتے ہیں: وہ مخصوص حالات میں بجلی چلا سکتے ہیں، جس سے وہ کمپیوٹنگ میں انتہائی مفید ہیں۔ سیمی کنڈکٹرز کو مائیکرو چپس کی بنیاد کے طور پر استعمال کرتے ہوئے، ہم آلات کے اندر بجلی کے بہاؤ کو کنٹرول کر سکتے ہیں، ان تمام قابل ذکر افعال کو فعال کر سکتے ہیں جن پر ہم آج انحصار کرتے ہیں۔

ان کے قیام کے بعد سے،سلکاننے چپ اور ٹیکنالوجی کی صنعت پر غلبہ حاصل کیا ہے، جس کی وجہ سے "سلیکون ویلی" کی اصطلاح بنتی ہے۔ تاہم، یہ مستقبل کی ٹیکنالوجیز کے لیے موزوں ترین مواد نہیں ہو سکتا۔ اس کو سمجھنے کے لیے، ہمیں دوبارہ دیکھنا چاہیے کہ چپس کیسے کام کرتی ہیں، موجودہ تکنیکی چیلنجز، اور وہ مواد جو مستقبل میں سلکان کی جگہ لے سکتے ہیں۔

مائیکرو چپس ان پٹ کو کمپیوٹر کی زبان میں کیسے ترجمہ کرتی ہیں؟

مائیکرو چپس چھوٹے چھوٹے سوئچز سے بھرے ہوتے ہیں جنہیں ٹرانزسٹر کہتے ہیں، جو کی بورڈ ان پٹ اور سافٹ ویئر پروگراموں کو کمپیوٹر کی زبان میں بائنری کوڈ میں ترجمہ کرتے ہیں۔ جب ایک سوئچ کھلا ہوتا ہے، تو کرنٹ بہہ سکتا ہے، جو '1' کی نمائندگی کرتا ہے؛ بند ہونے پر، یہ '0' کی نمائندگی نہیں کر سکتا۔ جدید کمپیوٹر جو کچھ بھی کرتے ہیں وہ بالآخر ان سوئچز پر ابلتا ہے۔

کئی دہائیوں سے، ہم نے مائیکرو چپس پر ٹرانزسٹروں کی کثافت بڑھا کر کمپیوٹنگ کی طاقت کو بہتر بنایا ہے۔ جب کہ پہلی مائیکرو چِپ میں صرف ایک ٹرانزسٹر موجود تھا، آج ہم ان میں سے اربوں چھوٹے سوئچ کو ناخن کے سائز کے چپس میں سمیٹ سکتے ہیں۔

پہلی مائیکرو چِپ جرمینیئم سے بنی تھی، لیکن ٹیکنالوجی کی صنعت کو جلد ہی اس کا احساس ہو گیا۔سلکانچپ مینوفیکچرنگ کے لیے ایک اعلیٰ مواد تھا۔ سلیکون کے بنیادی فوائد میں اس کی کثرت، کم قیمت، اور زیادہ پگھلنے کا نقطہ شامل ہے، جس کا مطلب ہے کہ یہ بلند درجہ حرارت پر بہتر کارکردگی کا مظاہرہ کرتا ہے۔ مزید برآں، سلیکان کو دوسرے مواد کے ساتھ "ڈوپڈ" کرنا آسان ہے، جس سے انجینئرز مختلف طریقوں سے اس کی چالکتا کو ایڈجسٹ کر سکتے ہیں۔

جدید کمپیوٹنگ میں سلکان کو کن چیلنجوں کا سامنا ہے؟

ٹرانجسٹروں کو مسلسل سکڑ کر تیز، زیادہ طاقتور کمپیوٹر بنانے کی کلاسک حکمت عملیسلکانچپس لڑکھڑانے لگی ہے۔ پنسلوانیا یونیورسٹی میں انجینئرنگ کے پروفیسر دیپ جری والا نے وال سٹریٹ جرنل کے ساتھ 2022 کے انٹرویو میں کہا، "اگرچہ سلیکان اس طرح کے چھوٹے طول و عرض پر کام کر سکتا ہے، لیکن ایک کمپیوٹیشن کے لیے درکار توانائی کی کارکردگی بڑھ رہی ہے، جو اسے انتہائی غیر پائیدار بنا رہی ہے۔ توانائی کے نقطہ نظر سے، یہ اب کوئی معنی نہیں رکھتا ہے۔

ماحول کو مزید نقصان پہنچائے بغیر اپنی ٹیکنالوجی کو بہتر بنانے کے لیے، ہمیں اس پائیداری کے مسئلے کو حل کرنا چاہیے۔ اس تعاقب میں، کچھ محققین سلکان کے علاوہ دیگر سیمی کنڈکٹر مواد سے بنی چپس کا باریک بینی سے جائزہ لے رہے ہیں، جن میں گیلیم نائٹرائڈ (GaN) شامل ہیں، جو گیلیم اور نائٹروجن سے بنا ایک مرکب ہے۔

گیلیم نائٹرائڈ سیمی کنڈکٹر مواد کے طور پر کیوں توجہ حاصل کر رہا ہے؟

سیمی کنڈکٹرز کی برقی چالکتا مختلف ہوتی ہے، بنیادی طور پر اسے "بینڈ گیپ" کے نام سے جانا جاتا ہے۔ نیوکلئس میں پروٹون اور نیوٹران کا جھرمٹ ہے، جبکہ الیکٹران اس کے گرد چکر لگاتے ہیں۔ بجلی چلانے کے لیے مواد کے لیے، الیکٹرانوں کو "ویلنس بینڈ" سے "کنڈکشن بینڈ" پر چھلانگ لگانے کے قابل ہونا چاہیے۔ اس منتقلی کے لیے درکار کم از کم توانائی مواد کے بینڈ گیپ کی وضاحت کرتی ہے۔

کنڈکٹرز میں، یہ دونوں علاقے اوورلیپ ہوتے ہیں، جس کے نتیجے میں کوئی بینڈ گیپ نہیں ہوتا ہے — الیکٹران ان مواد سے آزادانہ طور پر گزر سکتے ہیں۔ انسولیٹروں میں، بینڈ گیپ بہت بڑا ہوتا ہے، جس کی وجہ سے الیکٹرانوں کے لیے قابل قدر توانائی کے ساتھ بھی گزرنا مشکل ہو جاتا ہے۔ سیمی کنڈکٹر، سیلیکون کی طرح، درمیانی زمین پر قبضہ کرتے ہیں؛سلکاناس کا بینڈ گیپ 1.12 الیکٹران وولٹ (eV) ہے، جبکہ گیلیم نائٹرائڈ 3.4 eV کا بینڈ گیپ رکھتا ہے، اسے "وائڈ بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹر" (WBGS) کے طور پر درجہ بندی کرتا ہے۔

WBGS مواد چالکتا سپیکٹرم میں انسولیٹروں کے قریب ہوتے ہیں، جس سے الیکٹرانوں کو دو بینڈوں کے درمیان منتقل ہونے کے لیے زیادہ توانائی کی ضرورت ہوتی ہے، جس سے وہ بہت کم وولٹیج کے استعمال کے لیے موزوں نہیں ہوتے ہیں۔ تاہم، WBGS زیادہ وولٹیج، درجہ حرارت، اور توانائی کی تعدد پر کام کر سکتا ہے۔سلکان کی بنیاد پرسیمی کنڈکٹرز، ان آلات کو استعمال کرنے کی اجازت دیتے ہیں جو انہیں تیزی سے اور زیادہ مؤثر طریقے سے چلانے کے لیے استعمال کرتے ہیں۔

کیمبرج GaN سینٹر کی ڈائریکٹر ریچل اولیور نے Freethink کو بتایا، "اگر آپ فون چارجر پر ہاتھ رکھیں گے تو یہ گرم محسوس ہوگا۔ یہ وہ توانائی ہے جو سلیکون چپس کے ذریعے ضائع ہوتی ہے۔ GaN چارجرز رابطے میں بہت زیادہ ٹھنڈا محسوس کرتے ہیں - اس میں نمایاں طور پر کم توانائی ضائع ہوتی ہے۔

گیلیم اور اس کے مرکبات کو ٹیک انڈسٹری میں کئی دہائیوں سے استعمال کیا جا رہا ہے، بشمول روشنی خارج کرنے والے ڈائیوڈس، لیزرز، ملٹری ریڈار، سیٹلائٹ اور سولر سیلز۔ تاہم،گیلیم نائٹرائڈفی الحال ان محققین کی توجہ کا مرکز ہے جو ٹیکنالوجی کو مزید طاقتور اور توانائی سے موثر بنانے کی امید رکھتے ہیں۔

گیلیم نائٹرائڈ مستقبل کے لیے کیا اثرات مرتب کرتا ہے؟

جیسا کہ اولیور نے بتایا، GaN فون چارجرز پہلے سے ہی مارکیٹ میں موجود ہیں، اور محققین کا مقصد اس مواد کو تیز تر الیکٹرک گاڑیوں کے چارجرز تیار کرنے کے لیے استعمال کرنا ہے، جو الیکٹرک گاڑیوں کے حوالے سے صارفین کی ایک اہم تشویش کو دور کرتے ہیں۔ اولیور نے کہا کہ الیکٹرک گاڑیوں جیسی ڈیوائسز بہت تیزی سے چارج ہو سکتی ہیں۔ "کسی بھی چیز کے لیے جس کے لیے پورٹیبل پاور اور تیز رفتار چارجنگ کی ضرورت ہوتی ہے، گیلیم نائٹرائڈ میں نمایاں صلاحیت موجود ہے۔"

گیلیم نائٹرائیڈفوجی طیاروں اور ڈرونز کے ریڈار سسٹم کو بھی بہتر بنا سکتا ہے، جس سے وہ زیادہ فاصلے سے اہداف اور خطرات کی نشاندہی کر سکتے ہیں، اور ڈیٹا سینٹر سرورز کی کارکردگی کو بہتر بنا سکتے ہیں، جو کہ AI انقلاب کو سستی اور پائیدار بنانے کے لیے اہم ہے۔

اس کو دیکھتے ہوئےگیلیم نائٹرائڈبہت سے پہلوؤں میں شاندار ہے اور کچھ عرصے سے ہے، کیوں مائیکرو چپ انڈسٹری سلیکون کے ارد گرد تعمیر کرتی رہتی ہے؟ جواب، ہمیشہ کی طرح، قیمت میں مضمر ہے: GaN چپس زیادہ مہنگی اور تیار کرنے میں پیچیدہ ہیں۔ لاگت کو کم کرنے اور پیداوار کو بڑھانے میں وقت لگے گا، لیکن امریکی حکومت اس ابھرتی ہوئی صنعت کو شروع کرنے کے لیے سرگرم عمل ہے۔

فروری 2024 میں، ریاستہائے متحدہ نے گھریلو چپس کی پیداوار کو بڑھانے کے لیے CHIPS اور سائنس ایکٹ کے تحت سیمی کنڈکٹر مینوفیکچرنگ کمپنی GlobalFoundries کو 1.5 بلین ڈالر مختص کیے تھے۔

 ان فنڈز کا ایک حصہ ورمونٹ میں ایک مینوفیکچرنگ سہولت کو اپ گریڈ کرنے کے لیے استعمال کیا جائے گا، جس سے اسے بڑے پیمانے پر پیداوار کے قابل بنایا جائے گا۔گیلیم نائٹرائڈ(GaN) سیمی کنڈکٹرز، ایک ایسی صلاحیت جس کا فی الحال امریکہ میں احساس نہیں ہے، فنڈنگ ​​کے اعلان کے مطابق، ان سیمی کنڈکٹرز کو الیکٹرک گاڑیوں، ڈیٹا سینٹرز، اسمارٹ فونز، پاور گرڈز اور دیگر ٹیکنالوجیز میں استعمال کیا جائے گا۔ 

تاہم، یہاں تک کہ اگر امریکہ اپنے مینوفیکچرنگ سیکٹر میں معمول کی کارروائیوں کو بحال کرنے کا انتظام کرتا ہے،GaNچپس گیلیم کی مستحکم فراہمی پر منحصر ہے، جس کی فی الحال ضمانت نہیں ہے۔ 

جب کہ گیلیم نایاب نہیں ہے — یہ زمین کی پرت میں تانبے کے مقابلے کی سطح پر موجود ہے — یہ تانبے کی طرح بڑے، قابل کانی ذخائر میں موجود نہیں ہے۔ بہر حال، ایلومینیم اور زنک پر مشتمل کچ دھاتوں میں گیلیم کی ٹریس مقدار پائی جا سکتی ہے، جو ان عناصر کی پروسیسنگ کے دوران اسے جمع کرنے کی اجازت دیتی ہے۔ 

2022 تک، دنیا کا تقریباً 90% گیلیم چین میں پیدا ہوا تھا۔ دریں اثنا، امریکہ نے 1980 کی دہائی سے گیلیم پیدا نہیں کیا ہے، اس کے گیلیم کا 53 فیصد چین سے درآمد کیا گیا ہے اور بقیہ دیگر ممالک سے حاصل کیا گیا ہے۔ 

جولائی 2023 میں، چین نے اعلان کیا کہ وہ قومی سلامتی کی وجوہات کی بناء پر گیلیم اور دوسرے مواد، جرمینیم کی برآمدات پر پابندی لگانا شروع کر دے گا۔ 

چین کے ضوابط امریکہ کو گیلیم کی برآمدات پر مکمل پابندی نہیں لگاتے، لیکن ان کے لیے ممکنہ خریداروں کو اجازت کے لیے درخواست دینے اور چینی حکومت سے منظوری حاصل کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ 

امریکی دفاعی ٹھیکیداروں کو مسترد ہونے کا سامنا کرنا تقریباً یقینی ہے، خاص طور پر اگر وہ چین کی "ناقابل اعتماد ہستی کی فہرست" میں درج ہوں۔ اب تک، ان پابندیوں کے نتیجے میں گیلیم کی قیمتوں میں اضافہ ہوا ہے اور زیادہ تر چپ مینوفیکچررز کے لیے آرڈر ڈیلیوری کے اوقات میں اضافہ ہوا ہے، بجائے اس کے کہ ایک صریح کمی ہو، حالانکہ چین مستقبل میں اس مواد پر اپنا کنٹرول سخت کرنے کا انتخاب کر سکتا ہے۔ 

امریکہ نے طویل عرصے سے اہم معدنیات کے لیے چین پر اپنے بھاری انحصار سے منسلک خطرات کو تسلیم کیا ہے — 2010 میں جاپان کے ساتھ تنازع کے دوران، چین نے زمینی نایاب دھاتوں کی برآمد پر عارضی طور پر پابندی لگا دی تھی۔ جس وقت چین نے 2023 میں اپنی پابندیوں کا اعلان کیا، امریکہ پہلے ہی اپنی سپلائی چین کو مضبوط کرنے کے طریقے تلاش کر رہا تھا۔ 

ممکنہ متبادلات میں دوسرے ممالک سے گیلیم درآمد کرنا شامل ہے، جیسا کہ کینیڈا (اگر وہ پیداوار کو کافی حد تک بڑھا سکتے ہیں)، اور الیکٹرانک فضلے سے مواد کو ری سائیکل کرنا — اس علاقے میں تحقیق کو امریکی محکمہ دفاع کی ایڈوانسڈ ریسرچ پروجیکٹس ایجنسی کی طرف سے مالی اعانت فراہم کی جا رہی ہے۔ 

گیلیم کی گھریلو سپلائی قائم کرنا بھی ایک آپشن ہے۔ 

نیدرلینڈز میں واقع ایک کمپنی نیر اسٹار نے اشارہ کیا کہ ٹینیسی میں اس کا زنک پلانٹ موجودہ امریکی مانگ کا 80 فیصد پورا کرنے کے لیے کافی گیلیم نکال سکتا ہے، لیکن پروسیسنگ کی سہولت کی تعمیر پر $190 ملین تک لاگت آئے گی۔ کمپنی فی الحال امریکی حکومت کے ساتھ توسیعی فنڈنگ ​​کے لیے بات چیت کر رہی ہے۔

ممکنہ گیلیم ذرائع میں راؤنڈ ٹاپ، ٹیکساس میں جمع رقم بھی شامل ہے۔ 2021 میں، یو ایس جیولوجیکل سروے نے اندازہ لگایا کہ اس ذخائر میں تقریباً 36,500 ٹن گیلیم موجود ہے- اس کے مقابلے میں، چین نے 2022 میں 750 ٹن گیلیم پیدا کیا۔ 

عام طور پر، گیلیم ٹریس کی مقدار میں پایا جاتا ہے اور انتہائی منتشر ہوتا ہے۔ تاہم، مارچ 2024 میں، امریکن کریٹیکل میٹریلز کارپوریشن نے مونٹانا کے کوٹینائی نیشنل فارسٹ میں اعلیٰ معیار کے گیلیم کے نسبتاً زیادہ ارتکاز کے ساتھ ایک ذخیرہ دریافت کیا۔ 

فی الحال، ٹیکساس اور مونٹانا سے گیلیم ابھی تک نکالا جانا باقی ہے، لیکن آئیڈاہو نیشنل لیبارٹری اور امریکن کریٹیکل میٹریلز کارپوریشن کے محققین اس مواد کو حاصل کرنے کے لیے ماحول دوست طریقہ تیار کرنے کے لیے تعاون کر رہے ہیں۔ 

امریکہ کے لیے مائیکرو چِپ ٹیکنالوجی کو بہتر بنانے کے لیے گیلیم واحد آپشن نہیں ہے — چین کچھ غیر محدود مواد کا استعمال کرتے ہوئے مزید جدید چپس تیار کر سکتا ہے، جو کچھ صورتوں میں گیلیم پر مبنی چپس کو پیچھے چھوڑ سکتا ہے۔ 

اکتوبر 2024 میں، چپ بنانے والی کمپنی Wolfspeed نے CHIPS ایکٹ کے ذریعے امریکہ میں سب سے بڑی سلکان کاربائیڈ (جسے SiC بھی کہا جاتا ہے) چپ تیار کرنے کی سہولت کی تعمیر کے لیے 750 ملین ڈالر تک کی فنڈنگ ​​حاصل کی۔گیلیم نائٹرائڈلیکن یہ بعض ایپلی کیشنز کے لیے بہتر ہے، جیسے کہ ہائی پاور سولر پاور پلانٹس۔ 

اولیور نے Freethink کو بتایا، "Gallium nitride مخصوص وولٹیج کی حدود میں بہت اچھی کارکردگی کا مظاہرہ کرتا ہے، جبکہسلکان کاربائیڈدوسروں پر بہتر کارکردگی دکھاتا ہے۔ تو یہ اس وولٹیج اور طاقت پر منحصر ہے جس سے آپ کام کر رہے ہیں۔" 

امریکہ وسیع بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹرز پر مبنی مائیکرو چپس کی تحقیق کو بھی فنڈ دے رہا ہے، جن کا بینڈ گیپ 3.4 eV سے زیادہ ہے۔ ان مواد میں ہیرا، ایلومینیم نائٹرائڈ، اور بوران نائٹرائڈ شامل ہیں۔ اگرچہ یہ مہنگے ہیں اور عمل کرنا مشکل ہے، لیکن ان مواد سے بنی چپس ایک دن کم ماحولیاتی اخراجات پر قابل ذکر نئی خصوصیات پیش کر سکتی ہیں۔

 "اگر آپ ان وولٹیجز کی اقسام کے بارے میں بات کر رہے ہیں جو ساحلی گرڈ میں سمندر کی ہوا کی طاقت کو منتقل کرنے میں ملوث ہو سکتے ہیں،گیلیم نائٹرائڈیہ مناسب نہیں ہوسکتا ہے، کیونکہ یہ اس وولٹیج کو سنبھال نہیں سکتا،" اولیور نے وضاحت کی۔ "ایلومینیم نائٹرائڈ جیسے مواد، جو وسیع بینڈ گیپ ہیں، کر سکتے ہیں۔"