موادی که اگرچه نامشان کمتر شنیده می شود، اما نقشی انکارناپذیر در عملکرد الگوریتم ها، شتاب دهنده ها و تراشه های محاسباتی بر عهده دارند.
بهطور کلی، رشد هوش مصنوعی تنها به توسعه نرم افزارها و الگوریتم ها، محدود نمی شود و سخت افزار و حتی عناصر سازنده تراشه ها را نیز متحول کرده است. درحالیکه توجه عمومی بیشتر بر مفاهیمی مانند مدل های زبانی یا شبکه های عصبی متمرکز است، بخش مهم تری در آن سوی این پیشرفت ها جریان دارد: انتخاب مواد اولیه ای که بتوانند حجم عظیم محاسبات، چگالی ترانزیستوری بالا و نیازهای حرارتی تراشه های امروزی را تحمل کنند.
در بسیاری از مراکز ساخت و تولید، مواد اولیه ای مانند شمش نقره، برای تولید نانو ذرات هدایت گر، لایه های اتصال دهنده و تنظیم حرارت استفاده می شود. از سوی دیگر، در بخش پکیجینگ نیز ساچمه نقره، به دلیل راندمان بالا در انتقال جریان و مقاومت حرارتی، به یکی از عناصر مهم تبدیل شده است.
چرا این فلز به یکی از مهم ترین عناصر تراشه های هوش مصنوعی تبدیل شده است؟
بهطور خلاصه، می توان دو عامل زیر را در این زمینه دخیل دانست:
۱- رسانایی الکتریکی فوق العاده؛ عاملی مؤثر برای سرعت پردازش:
در میان تمام فلزات شناخته شده، نقره بالاترین رسانایی الکتریکی را دارد. این ویژگی در تراشه های هوش مصنوعی که میلیاردها ترانزیستور، در کسری از ثانیه، با هم ارتباط برقرار می کنند، اهمیت ویژه ای پیدا کرده است. مسیرهای اتصال داخلی تراشه ها، هر ساله، باریک تر می شوند و همین موضوع باعث افزایش مقاومت آن ها می گردد. در چنین ابعادی، فلزی مانند مس نمی تواند سیگنال های الکتریکی را با سرعت کافی منتقل نماید.
در مقابل نقره، به واسطه هدایت سطحی بالا، جریان و سیگنال را در ابعاد نانو متری با سرعت بیشتری عبور می دهد. به همین دلیل است که در بسیاری از خطوط تولید، از ساچمه نقره برای ایجاد اتصال های BGA استفاده می شود. چرا که این ساچمه ها قادر هستند جریان های سنگین و تغییرات دمایی شدید را با افت مقاومت بسیار کم تحمل نمایند.
۲- مدیریت حرارت در تراشه های پرتوان؛ نقشی که کمتر فلزی از پس آن بر می آید
تراشه های هوش مصنوعی، به ویژه شتاب دهنده های مبتنی بر GPU و ASIC های سفارشی، توان مصرفی بسیار بالایی دارند. در نتیجه، بخش زیادی از این انرژی به گرما تبدیل می شود. مدیریت حرارت در چنین ساختارهایی بر پایداری، عمر مفید و سرعت پردازش تاثیر می گذارد. اگر این گرما به درستی مدیریت نشود، عملکرد تراشه کاهش پیدا می کند و از طول عمر مفید آن کاسته می شود.
از ویژگی رسانا تا نقش سیناپس مصنوعی
یکی از کاربردهای نقره، استفاده از آن در تراشه های نورومورفیک است. این تراشه ها که هدفشان شبیه سازی رفتار مغز انسان است، ساختارهایی به نام ممریستور (مقاومت حافظه دار)، در نقش سیناپس ایفا می کنند. برخی از انواع این قطعات، بر پایه حرکت یون های این فلز ساخته می شوند. به این صورت که یون ها درون یک لایه عایق جابجا شده و رشته های رسانا ایجاد می کنند. این رفتار به تراشه امکان «یادگیری» می دهد و آن را به ابزاری مناسب برای توسعه ساختارهایی شبیه مغز تبدیل می کند. برای انجام این کار، به خلوص بالای این فلز ارزشمند نیاز است. به همین دلیل، شمش نقره یکی از منابع مورد استفاده، برای تولید نانو ذرات در این حوزه محسوب می شود.
نقره در پکیجینگ تراشه
پکیجینگ یکی از حساس ترین بخش های ساخت تراشه به شمار می آید. هر چه توان مصرفی و فرکانس تراشه بالاتر باشد، کیفیت اتصالات الکتریکی اهمیت بیشتری پیدا می کند. پکیجینگ، به ویژه در تراشه هایی که توان مصرفی بسیار بالایی دارند، نیازمند اتصالات الکتریکی در سطحی بسیار دقیق است. سیم اصله / باندینگ مبتنی بر نقره، در تعدادی از ماژول های حافظه HBM و سیستم های چند تراشه ای به کار می رود و به تدریج، در حال جایگزینی سیم های طلا و مس است.
از مهم ترین دلایل این موضوع می توان به رسانایی بالا، هزینه کمتر نسبت به طلا، چسبندگی مطلوب در فرآیند لحیم کاری و مقاومت مکانیکی مناسب این فلز اشاره کرد. به علاوه، اتصال های BGA نیز اهمیت زیادی دارند. در این بخش، ساچمه نقره به دلیل پایداری حرارتی مناسب و مقاومت بالا، انتخابی مناسب برای تراشه های پرتوان هوش مصنوعی محسوب می گردد. استفاده از این ساچمه ها به کاهش احتمال ترک خوردگی در پکیج های سه بعدی و افزایش عمر مفید تراشه کمک می کند.
ردپای نقره در حسگرهای تراشه های هوش مصنوعی
تراشه های هوش مصنوعی تنها شامل واحدهای محاسباتی نیستند، بلکه حسگرهای داخلی برای کنترل حرارت، نور، نشت جریان و توان الکتریکی نیز در آن ها تعبیه شده است. این حسگرها برای عملکرد دقیق، به موادی نیاز دارند که واکنش سریع و قابل پیش بینی داشته باشند. خواص پلاسمونیک نقره باعث شده این فلز در تقویت جذب نور در حسگرهای نوری مورد استفاده قرار گیرد. از سوی دیگر، رفتار حرارتی آن باعث می شود در حسگرهای دما نیز عملکرد بسیار دقیقی ارائه دهند.
شمش نقره چگونه به بخش جدایی ناپذیر صنایع نیم رسانا تبدیل شده است؟
نقش نقره در صنایع نیم رسانا، یک حضور سطحی یا محدود نیست، بلکه زنجیره ای کامل از تولیدات به این فلز وابسته است. از شمش نقره برای تولید سیم های رسانا و ساخت نانو ذرات مورد نیاز در مواد حرارتی استفاده می شود. دلیل استفاده گسترده از شمش با خلوص بالا، قابلیت کنترل دقیق و واکنش های الکترو شیمیایی در مقیاس نانومتر است.
چالش ها و محدودیت ها؛ چرا نقره با وجود مزایای فراوان، هنوز جایگزین مس نشده است؟
با وجود مزایای نقره، محدودیت هایی نیز در این حوزه وجود دارد که مانع استفاده گسترده تر از آن در برخی بخش ها می شود. از اصلی ترین این محدودیت ها می توان موارد زیر را مطرح کرد:
- قیمت این فلز بالاتر از مس است و این موضوع، به لحاظ اقتصادی، در مقیاس تولید انبوه اهمیت زیادی دارد.
- آزادسازی یون های این فلز ممکن است در برخی میدان های الکتریکی مشکل ساز شود.
- حساسیت به ترکیبات گوگردی نیز از دیگر چالش ها در مورد این فلز محسوب می شود. هر چند این محدودیت، در محیط های صنعتیِ کنترل شده قابل مدیریت است.
جمعبندی
دنیای هوش مصنوعی امروز، تنها بر دوش الگوریتم های پیچیده قرار ندارد، بلکه به مواد و ترکیباتی تکیه دارد که هر یک بهطور مستقیم بر توان پردازش تأثیرگذار هستند. بهطور خلاصه، شمش نقره برای تولید مواد اولیه و ساچمه نقره برای ایجاد اتصال های دقیق، نقشی فراتر از یک فلز رسانا ایفا می کنند.
پردازش های پیچیده امروز، تا حد زیادی به حضور همین لایه های نازک و مهندسی شده از نقره باز می گردد: لایه هایی که شاید دیده نشوند، اما بخش مهمی در سخت افزار هوش مصنوعی به شمار می آیند.