الرقائق أسلحة العصر.. دليلك لهذه الصناعة الاستراتيجية

ألقى تقرير نشره مركز الدراسات الاستراتيجية والدولية (CSIS) الضوء على صناعة الرقائق، موضحاً أهمية الريادة الأمريكية المستمرة في تصميم أشباه الموصلات بالنسبة للقدرة التنافسية الاقتصادية للولايات المتحدة والأمن القومي.

كما أسهب التقرير في شرح السياسات التي يمكن أن تدعم هذا الهدف.

تشير الدوائر المتكاملة (IC)، والمعروفة على نطاق واسع بالرقائق، إلى الدوائر الإلكترونية التي يتم فيها تجميع مجموعة متنوعة من المكونات الإلكترونية، كل منها يخدم وظائف مختلفة، معًا على ركيزة من أشباه الموصلات. وتقوم شركات التصميم بإنشاء تخطيط الرقائق، وتحسين المتغيرات بما في ذلك استهلاك الطاقة، وأداء الرقائق، والحجم، لإنشاء مجموعة متنوعة من الرقائق التي تخدم أغراض ووظائف مختلفة. وبشكل عام، يمثل تصميم الرقائق ما يقرب من نصف استثمارات البحث والتطوير في صناعة أشباه الموصلات والقيمة المضافة.

• حرب الرقائق.. الصين تسرع الخطى نحو الاكتفاء باستثمار ضخم

أهمية تصميم الرقائق للقدرة التنافسية للولايات المتحدة

تمنح الريادة في تصميم الرقائق للشركات الأمريكية ميزة تنافسية كبيرة في تكنولوجيا أشباه الموصلات. وتشكل الشركات الأمريكية حالياً 46% من مبيعات تصميم الرقائق العالمية و72% من مبيعات برمجيات تصميم الرقائق وتراخيصها، مما يدعم القدرة التنافسية التكنولوجية للبلاد.

علاوة على ذلك، تعمل هذه الإيرادات كأساس للاستثمارات المستمرة في البحث والتطوير، مما يحافظ على ريادة الولايات المتحدة في التصميم وخلق ثروة جديدة. والواقع أن العديد من الشركات العشر الأولى من حيث القيمة السوقية، بما في ذلك إنفيديا، وغوغل، وأبل، وفيسبوك، وأمازون، ومايكروسوفت، وتسلا، تشارك بشكل كبير في تصميم الرقائق. علاوة على ذلك، تضمن الريادة الأمريكية في تصميم الرقائق توفيرًا موثوقًا وآمنًا للرقائق للحكومة وأنظمة البرامج العامة والخاصة الأخرى.

خطوات التصنيع

ويحتاج المصممون إلى التعاون مع مجموعة واسعة من الفاعلين بينهم خبراء التعبئة والتغليف والمتخصصون في هندسة النظام. ويمتد هذا التعاون أيضًا إلى المستخدمين النهائيين لأشباه الموصلات، مثل شركات السيارات وأجهزة تكنولوجيا المعلومات، وذلك بهدف تلبية المواصفات المتطورة للشركات للحصول على أداء أعلى وأنواع متخصصة من أشباه الموصلات.

وتقليديًا، يبدأ البحث والتطوير في تصميم الرقائق بمصممي الرقائق الذين يأخذون في الاعتبار عوامل مثل التقدم البحثي الحالي، وأبعاد الدوائر، ومقاييس الأداء (مثل سرعة التشغيل واستهلاك الطاقة)، والجداول الزمنية للتطوير، وتكاليف الإنتاج، وتحليلات السوق لتنفيذ الوظيفة المقصودة للرقاقة.

وفي البداية، يقوم مصمم الدائرة باختيار التصميم الأساسي لدائرة IC. عادةً ما يتم تقديم هذه التصميمات من قبل بائعي الملكية الفكرية (IP)، الذين يتضمنون شركات مثل Arm أو Imagination. لكن ظهور RISC-V، وهو تصميم للدوائر المتكاملة مفتوح المصدر نشأ من جامعة كاليفورنيا، بيركلي، قد يخفف في بعض الظروف العبء المالي على مصممي الدوائر.

وبعد ذلك، يتم استخدام هذا التصميم الأساسي لإنشاء دائرة منطقية (إليكترونية) باستخدام لغة كمبيوتر خاصة لوصف الدوائر الرقمية ونموذجها. يتم بعد ذلك إجراء عمليات محاكاة الدوائر للتحقق من وظيفة التصميم وأدائه. يتم بعد ذلك الانتهاء من المحاكاة التي تحقق المواصفات الوظيفية المطلوبة واستخدامها لبناء دائرة فعلية.

وفي مرحلة تطوير الدوائر الفعلية (المادية) يتم اتخاذ قرارات معقدة فيما يتعلق بالموضع الدقيق وأبعاد الترانزستورات والمكونات والوصلات البينية التي تحكم تدفق الكهرباء على شريحة السيليكون. وبمجرد خضوع الدوائر المادية للتحقق الشامل تكتمل عملية تصميم الشريحة كاملة. ويعتمد المصممون على نوع متطور من البرامج المعروفة باسم أتمتة التصميم الإلكتروني (EDA)، لتبسيط وتسريع إجراءات التصميم والتحقق.

اهتمامات البحث والتطوير في مجال تصميم الرقائق

يستلزم تصميم دوائر أشباه الموصلات نفقات كبيرة على البحث والتطوير، بما في ذلك رسوم استخدام أداة EDA، ورسوم استخدام IP، وتكاليف العمالة، والتي تستمر جميعها في التصاعد مع التقدم في تكنولوجيا أشباه الموصلات. على سبيل المثال، يتطلب تطوير شريحة بدقة 7 نانومتر استثمارًا يقدر بنحو 223 مليون دولار، في حين يتطلب إنشاء شريحة أصغر حجمًا من الجيل التالي مقاس 3 نانومتر استثمارًا قدره 650 مليون دولار، أي ما يقرب من ثلاثة أضعاف تكلفة تطوير شريحة 7 نانومتر. 

وتستمر هذه التكاليف في الزيادة مع تقدم تكنولوجيا أشباه الموصلات. ويتطلب إنشاء وحدة معالجة مركزية حديثة (CPU) من شركة تصميم ماهرة قضاء عدة سنوات من ساعات العمل، مما يؤدي إلى زيادة تكاليف العمالة.

هذه التكلفة المتزايدة للبحث والتطوير في صناعة أشباه الموصلات تضع عبئا على كل من شركات أشباه الموصلات القائمة والناشئة. علاوة على ذلك، قد تواجه شركات التصميم الأمريكية انخفاضًا في الإيرادات بسبب قيود التصدير التي تحد من الوصول إلى السوق الصينية.

تحديات المهارات الحالية

وتطلب شركات تصميم الرقائق خبرة المتخصصين ذوي المهارات العالية الحاصلين على درجات علمية متقدمة في الهندسة الكهربائية، أو الكمبيوتر، أو الهندسة الكيميائية، وغيرها من التخصصات ذات الصلة. وفي تايوان، يحمل ما يقرب من 70% من الموظفين في قطاع تصميم الرقائق درجة الماجستير أو أعلى.

ومع ذلك، تواجه شركات التصميم في العديد من البلدان ندرة في العمال ذوي المهارات العالية. على سبيل المثال، يبحث أكثر من 80% من الشركات في المملكة المتحدة التي تتمتع بقدرات تصميم الرقائق عن مهندسين جدد، مع وجود أكثر من 1000 وظيفة شاغرة حاليًا.

وتواجه الولايات المتحدة تحدياً مماثلاً في مجال المهارات، ولكن مع بعض التغيير. فالولايات المتحدة هي دولة رائدة عالميًا في مجال البحث والتعليم في مجال العلوم والهندسة المتقدمة. كما تجتذب ألمع الطلاب من جميع أنحاء العالم.

والواقع أن نحو 65% من الطلاب الذين يسعون للحصول على درجات علمية متقدمة في الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر في الولايات المتحدة هم من الرعايا الأجانب. ومع ذلك، غالبًا ما يواجه هؤلاء الطلاب قيودًا على العمل تقلل من فرص عملهم في الولايات المتحدة بعد التخرج.

ونتيجة لذلك، تقوم الشركات في كثير من الأحيان بنقل هؤلاء العمال المهرة إلى شركاتها التابعة في الخارج، مما يمكنهم من مواصلة المساهمة في الشركات الأمريكية. على سبيل المثال، أنشأت شركة كوالكوم مؤخراً مركزاً رئيسياً للتصميم في تشيناي بالهند، مستفيدة من مهارات نحو 1600 متخصص في مجال التكنولوجيا.

ومع ذلك، يمكن للعمال المهرة أيضًا إنشاء شركات فرعية محليًا، لتسخير تدريبهم في الولايات المتحدة في خدمة صناعات أشباه الموصلات المتنافسة خارج الولايات المتحدة.

جهود الحكومة الأمريكية في تعزيز منظومة صناعة تصميم أشباه الموصلات

لقد ساهمت حكومة الولايات المتحدة بشكل نشط في منظومة انتاج أشباه الموصلات من خلال جهود مختلفة، بينها حماية الملكية الفكرية، بما في ذلك ضمانات براءات الاختراع.

كما قامت بإعلان مجموعة متنوعة من مبادرات الإلكترونيات الدقيقة، حيث تعمل وزارة الدفاع على الاستفادة من أحدث تقنيات أشباه الموصلات من القطاع الخاص في تطبيقات الدفاع.

وكجزء من مبادرة الإلكترونيات الدقيقة، تدير وزارة الدفاع مشروعًا يسمى "النماذج الأولية للإلكترونيات الدقيقة المؤكدة السريعة باستخدام القدرات التجارية المتقدمة" (RAMP)، والذي يوفر التمويل لشركات التصميم الخاصة وتصنيع أشباه الموصلات لمساعدتها على تطوير تصميم آمن وقدرة على إنشاء النماذج الأولية.

بالإضافة إلى ذلك، أصدرت البلاد قانون الرقائق والعلوم الذي يسعى إلى تعزيز التوسع في مرافق تصنيع واختبار وتعبئة الرقائق المحلية، بما في ذلك المسابك التي يمكنها تصنيع الرقائق المصممة من قبل الشركات الأمريكية.

كما ستعالج وزارة التجارة الأمريكية قضايا تصميم أشباه الموصلات من خلال المركز الوطني لتكنولوجيا أشباه الموصلات (NSTC)، وهي منظمة جديدة أنشأها قانون CHIPS والعلوم الذي يشجع البحث والتطوير في مجال أشباه الموصلات (R&D).

ومن المتوقع أن يبذل NSTC جهودًا لتوفير الموارد الحيوية، بما في ذلك مجموعات البيانات وبراءات الاختراع، لشركات التصميم المشاركة في NSTC، بهدف تسريع البحث والتطوير في مجال تصميم أشباه الموصلات. 

وقد يكون توسيع الإعانات والإعفاءات الضريبية للبحث والتطوير في مجال تصميم أشباه الموصلات بمثابة آلية أخرى لدعم قيادة التصميم.

وبموجب قانون الرقائق والعلوم، تم تقديم الإعانات والإعفاءات الضريبية لمساعدة شركات أشباه الموصلات على تصنيع رقائق أكثر تقدما محليا.

وتوسيع هذه الحوافز لتشمل البحث والتطوير في مجال تصميم أشباه الموصلات قد يخفف من بعض تكاليف البحث والتطوير الكبيرة التي تواجهها الشركات في تصميم أشباه الموصلات الأكثر تقدما.