قمار ۲ میلیارد دلاری IBM و دولت آمریکا روی «آندرون»؛ آغاز عصر فاندری‌های کوانتومی

در طول چند دهه گذشته، مدل «فاندری» (تولید سفارشی تراشه) صنعت سنتی نیمه‌هادی را زیرورو کرد؛ این رویکرد به شرکت‌های نوآور اجازه داد بدون نیاز به سرمایه‌گذاری‌های نجومی برای ساخت کارخانه‌های فوق‌پیشرفته، صرفاً روی طراحی خلاقانه چیپ‌ها تمرکز کنند. حالا غول کهنه‌کار IBM و دولت ایالات متحده دست به قماری بزرگ زده‌اند و امیدوارند همین فرمول طلایی بتواند موتور رشد صنعت نوپای محاسبات کوانتومی را هم روشن کند.

اعضای تیم تحقیقاتی «تیریاس ریسرچ» (Tirias Research) سابقه ارائه خدمات مشاوره‌ای به شرکت‌های IBM، گلوبال‌فاوندریز (GlobalFoundries) و فعالان اکوسیستم محاسبات کوانتومی را در کارنامه دارند.

شرکت تازه تأسیس «آندرون» (Anderon) که از دل IBM متولد شده، توافق نهایی خود را با وزارت بازرگانی آمریکا برای دریافت کمک‌هزینه ۱ میلیارد دلاری تحت قانون چیپس و علم (CHIPS Act) نهایی کرده است؛ بودجه‌ای هنگفت که هدفش تسریع ساخت ویفرهای کوانتومی در خاک ایالات متحده است. شرکت IBM هم دقیقاً معادل تعهد دولت، ۱ میلیارد دلار دیگر به همراه حق مالکیت فکری، تجهیزات تولیدی و نیروهای متخصص خود را به این پروژه تزریق کرده تا مجموع سرمایه‌گذاری به رقم چشمگیر ۲ میلیارد دلار برسد.

اما آن چیزی که از این پول کلان هم اهمیت بیشتری دارد، مدل کسب‌وکاری نوآورانه‌ای است که آندرون در پیش گرفته: یک فاندری تخصصی ۳۰۰ میلی‌متری که نه‌تنها برای خودِ IBM، بلکه برای مشتریان خارجی و سایر بازیگران این عرصه، ویفرهای کوانتومی تولید می‌کند. این حرکت هوشمندانه می‌تواند به یکی از حیاتی‌ترین سرمایه‌گذاری‌های زیرساختی در تاریخ کل صنعت محاسبات کوانتومی بدل شود.

استفاده تمام‌عیار از کوله‌بار تجربه IBM در صنعت نیمه‌هادی

درست است که آندرون شرکتی تازه متولد شده به حساب می‌آید، اما تخصص و تجربه تولیدی که پشت آن ایستاده اصلاً تازه‌کار نیست. آی‌بی‌ام برای چند دهه یک تولیدکننده جامع و یکپارچه تراشه بود که بخش عمده پردازنده‌های کامپیوترهای شخصی، سرورها، مین‌فریم‌ها و سیستم‌های بزرگ دنیا را طراحی می‌کرد و می‌ساخت. این غول دنیای فناوری، هنر تولید تراشه را با یکی از تأثیرگذارترین بازوهای پژوهشی صنعت نیمه‌هادی پیوند زده بود.

کارنامه درخشان تحقیق و توسعه IBM پر از دستاوردهای انقلابی است؛ از نوآوری‌های بنیادین در حافظه‌های DRAM و مقیاس‌پذیری دنارد (Dennard scaling) گرفته تا فتورزیست‌های تقویت‌شده شیمیایی، فناوری سیلیکون روی عایق (SOI)، دی‌الکتریک‌های High-k، اتصالات مسی، بسته‌بندی‌های پیشرفته و مدرن‌ترین معماری‌های ترانزیستور. آی‌بی‌ام نقشی کلیدی در هدایت مدارهای منطقی پیشرفته به عصر لیتوگرافی فرابنفش فرین (EUV) ایفا کرد. این شرکت در سال ۲۰۱۵ همراه با شرکای پژوهشی‌اش نخستین تراشه آزمایشی ۷ نانومتری جهان را معرفی کرد و پس از آن در فناوری ۵ نانومتری سراغ معماری ترانزیستورهای نانوشیت با گیت همه‌جانبه (GAA) رفت. در سال ۲۰۲۱، IBM نخستین تراشه آزمایشی ۲ نانومتری دنیا را روی یک ویفر ۳۰۰ میلی‌متری در مرکز آلبانی به تولید رساند که رکوردی تاریخی بود. در ژوئن امسال نیز IBM از «نانواستک» (nanostack) رونمایی کرد؛ نخستین معماری ترانزیستوری زیر یک نانومتر در جهان که نزدیک به ۱۰۰ میلیارد ترانزیستور را در فضایی به اندازه یک بند انگشت جای می‌دهد.

این پیشرفت‌ها اهمیت فوق‌العاده‌ای برای آندرون دارند؛ چرا که تسلط کم‌نظیر IBM در توسعه فرایندهای ساخت، علم مواد، معماری قطعات، لیتوگرافی، اتصالات بین‌تراشه‌ای، بسته‌بندی و یکپارچه‌سازی خطوط تولید را به رخ می‌کشند. با اینکه IBM سال‌ها پیش از بازار تولید تجاری تراشه‌های سنتی خارج شد، اما بازوی پژوهشی پیشرفته خود را حفظ کرد و به سرمایه‌گذاری سنگین روی فرایندهای نسل بعد ادامه داد.

نقش کلیدی مجتمع تحقیقاتی «آلبانی نانوتک»

استراتژی تولید آندرون گره کوری با مجتمع نانوتک آلبانی (Albany NanoTech Complex) خورده است؛ یکی از پیشروترین قطب‌های تحقیق و توسعه نیمه‌هادی در سراسر ایالات متحده. آندرون به جای اینکه سرمایه خود را صرف ساخت کارخانه‌ای کاملاً جدید کند، مستقیماً از تجهیزات، تأسیسات ویفر ۳۰۰ میلی‌متری و زیرساخت‌های فرایندی موجود در آلبانی برای راه‌اندازی خط تولید مستقل کوانتومی‌اش بهره خواهد برد.

ایالت نیویورک پردیس نانوتک آلبانی را با هدف خلق یک اکوسیستم تحقیقاتی نیمه‌هادی پایه‌گذاری کرد. این مجموعه کار خود را در سال ۱۹۹۷ با یک اتاق تمیز و مرکز تحقیقاتی کوچک آغاز نمود، اما به مرور با همکاری ایالت نیویورک، IBM، شرکت توکیو الکترون (Tokyo Electron)، دانشگاه ایالتی نیویورک (SUNY) و سایر شرکا، به یکی از بزرگ‌ترین مراکز تحقیق، توسعه و نمونه‌سازی ویفرهای ۳۰۰ میلی‌متری تبدیل شد. این مجتمع امروزه مساحتی بالغ بر ۱.۶۵ میلیون فوت مربع دارد و بیش از ۲۵ میلیارد دلار سرمایه‌گذاری عمومی و خصوصی را جذب کرده است. مالکیت و مدیریت این پردیس در اختیار سازمان غیرانتفاعی NY CREATES است که زیرساخت‌های مشترک را برای پژوهش‌های پیشرفته نیمه‌هادی فراهم می‌کند.

آی‌بی‌ام از اوایل دهه ۲۰۰۰ میلادی به عنوان شریک پژوهشی کلیدی و ستون اصلی آلبانی فعالیت کرده است. این همکاری مشترک مسیر را برای تولد لیتوگرافی EUV، اتصالات پیشرفته، ترانزیستورهای نانوشیت، فناوری‌های فرایندی لبه دانش و بسته‌بندی‌های نسل بعد هموار کرد تا راهی خطوط تولید تجاری شوند. این نقش پررنگ همچنان با قدرت ادامه دارد؛ از جمله با یک طرح مشترک ۱۰ میلیارد دلاری که در سال ۲۰۲۳ با حمایت IBM و سرمایه‌گذاران بخش خصوصی برای استقرار دستگاه‌های لیتوگرافی فوق‌پیشرفته High-NA EUV در این مرکز راه‌اندازی شد.

آندرون با اتکا به ظرفیت‌های مجتمع آلبانی، به جای ساخت یک کارخانه از نقطه صفر، سال‌ها سرمایه‌گذاری سنگین روی تأسیسات، ماشین‌آلات مدرن، دانش فنی فرایندها و اکوسیستم جاافتاده تراشه‌سازی را به خدمت می‌گیرد و چند سال جلو می‌افتد.

انتقال میراث کوانتومی: از آزمایشگاه‌های IBM تا کارخانه آندرون

آی‌بی‌ام طی سال‌های گذشته به یکی از پیشگامان بلامنازع فناوری رایانش کوانتومی، به‌ویژه در حوزه پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا بدل شده و حتی با خرید آزمایشگاه‌های HRL، پای خود را به قلمرو کیوبیت‌های اسپینی (spin qubits) هم باز کرده است. حالا که سیستم‌های کوانتومی این غول فناوری پیچیده‌تر شده‌اند و نیاز به جهش در تیراژ تولید دارند، IBM بیش از پیش از پتانسیل آلبانی نانوتک برای پردازش ویفرهای کوانتومی ۳۰۰ میلی‌متری، تست و مشخصه‌یابی در سطح ویفر، اتصالات عمودی، باندینگ و سایر خدمات خط تولید استفاده خواهد کرد.

آندرون به عنوان یک فاندری تخصصی و مستقل، این قابلیت‌های داخلی IBM را به یک سرویس تجاری و عمومی برای کل اکوسیستم کوانتومی دنیا تبدیل می‌کند. تلفیق تخصص IBM در پردازش کوانتومی و مهندسی نیمه‌هادی با زیرساخت‌های تثبیت‌شده مجتمع آلبانی، ریسک‌های فنی و سرمایه‌ای راه‌اندازی یک فاندری از صفر را به شکل چشمگیری پایین می‌آورد. البته ناگفته نماند که آندرون همچنان باید برای جلب اعتماد دیگر رقبا به عنوان یک شریک تولیدی بی‌طرف تلاش کند.

الزامات تولید پردازنده‌های کوانتومی تفاوت از زمین تا آسمان با پردازنده‌های مرکزی (CPU)، گرافیکی (GPU) و شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی دارد! در تراشه‌های کلاسیک، تمرکز اصلی روی ابعاد بسیار ریز ترانزیستورها و چگالی سرسام‌آور آن‌هاست؛ اما در چیپ‌های کوانتومی، خلوص مواد، ساختارهای ابررسانا، یکدستی و پایداری قطعات، اتصالات دقیق و بسته‌بندی حرف اول را می‌زنند. آندرون در ابتدای راه از ساخت ویفرهای کیوبیت‌های ابررسانا و مدارهای ورودی/خروجی و خوانش پیرامون پردازنده پشتیبانی می‌کند و در آینده سراغ سایر مدل‌ها و معماری‌های کوانتومی هم خواهد رفت.

دیدگاه تحلیلی: آیا فرمول TSMC در دنیای کوانتوم جواب می‌دهد؟

صنعت کوانتوم در حال ورود به یک نقطه عطف و دگرگونی تاریخی است. در یک دهه گذشته، نگاه همه کارشناسان به تعداد کیوبیت‌ها، زمان همدوسی، وفاداری گیت‌ها، تصحیح خطا و رقابت میان فناوری‌های مختلف معطوف بود؛ چالش‌هایی که البته هنوز هم پایه‌ای و پابرجا هستند. اما با بزرگ‌تر و پیچیده‌تر شدن سیستم‌های کوانتومی، حالا یک غول جدید سر برآورده است: «چالش ساخت و تولید انبوه»!

محاسبات کوانتومی هرگز نمی‌تواند به یک صنعت تجاری پول‌ساز و فراگیر تبدیل شود اگر قرار باشد هر استارتاپ و شرکتی چرخ را از اول اختراع کند و برای ساخت تراشه‌هایش به تنهایی کارخانه بسازد! ظهور آندرون تلاشی استراتژیک برای شکستن همین بن‌بست بزرگ است.

آندرون تخصص مهندسی IBM را با خطوط تولید آزموده ۳۰۰ میلی‌متری ترکیب کرده است. اگر این شرکت بتواند فرایندهای ساخت استاندارد و تکرارپذیری ارائه دهد که به چند شرکت مختلف سرویس برسانند، تیم‌های کوچک‌تر می‌توانند به جای سوزاندن سرمایه و نیروی انسانی روی تولید ویفر، تمرکز خود را روی معماری، سیستم‌ها و نرم‌افزارهای کوانتومی بگذارند.

جالب است بدانید که آندرون تنها دومین فاندری تجاری برای پردازنده‌های کوانتومی در جهان و یگانه شرکتی است که روی چیپ‌های مبتنی بر نیمه‌هادی تمرکز کرده است. تنها رقیب دیگر یعنی گلوبال‌فاوندریز (GlobalFoundries)، در حال حاضر تمام تمرکزش را روی پردازنده‌های فوتونیکی گذاشته است.

هنوز ابهامات بزرگی در این مسیر وجود دارد؛ فناوری کوانتوم هنوز در مراحل آغازین است، برنده نهایی میان معماری‌های مختلف مشخص نشده و حجم تقاضای تجاری در بازار پایین است. با تمام این‌ها، همان‌طور که تولد کارخانه‌های مستقل تراشه‌سازی مثل TSMC باعث خلق صنعت عظیم شرکت‌های بدون کارخانه (فَبلِس) مانند انویدیا و اپل شد، فاندری‌های تخصصی کوانتوم هم می‌توانند سنگ‌بنای یک اکوسیستم شکوفا و گسترده از شرکت‌های فبلس کوانتومی را پی‌ریزی کنند.