آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس (LANL) در نیومکزیکو با راه‌اندازی پروژه‌ای تحول‌آفرین در حوزه طراحی و ساخت تراشه‌های نوین، گام بلندی در جهت بهبود کارایی انرژی و افزایش مقاومت در برابر شرایط سخت محیطی نظیر تشعشعات برمی‌دارد. این ابتکار نوین با همکاری چندین نهاد پژوهشی معتبر، چشم‌اندازهای تازه‌ای را در عرصه میکروالکترونیک رقم خواهد زد.
آزمایشگاه لوس‌آلاموس، با نقاط کوانتومی تراشه‌های مقاوم و کم‌مصرف می‌سازد
آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس در حال رهبری یک پروژه جامع برای تغییر نحوه طراحی و ساخت تراشه‌ها است؛ هدف این پروژه ایجاد تراشه‌هایی با کارایی انرژی بالا و تحمل بیشتر نسبت به شرایط محیطی چالش‌برانگیز، از جمله تشعشعات فراوان، است. این پروژه در چارچوب تلاش‌های پژوهشی نیومکزیکو به انجام می‌رسد و با تلفیق پروژه «نانو سلوشنز روی تراشه» (NSOC) با سه پروژه دیگر، به یک مرکز تحقیقاتی نوین در زمینه علوم میکروالکترونیک تبدیل خواهد شد. این مرکز که با نام CHIME شناخته می‌شود، مخفف عبارت «هم‌طراحی و یکپارچه‌سازی ناهمگن در میکروالکترونیک برای محیط‌های سخت» است.
در پروژه NSOC، تمرکز بر روی نیمه‌هادی‌های نانومقیاس نظیر نقاط کوانتومی خواهد بود تا از طریق بهره‌گیری از فوتون‌ها و الکترون‌ها در انتقال اطلاعات، دستگاه‌های هوشمند و پیشرفته‌ای طراحی شود. پژوهشگران این آزمایشگاه قصد دارند اجزای الکترونیکی و فوتونیکی را در ساختارهای سه‌بعدی به‌هم پیوند دهند؛ رویکردی که به گفته متخصصان آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس می‌تواند بسیاری از چالش‌های مربوط به بهینه‌سازی مصرف انرژی و مشکلات فرآیندهای تولید را برطرف کند و منجر به افزایش تحمل تراشه‌ها در برابر تشعشعات شود.
تابش‌ها در محیط‌های پرخطر می‌توانند عملکرد نیمه‌هادی‌های معمولی را مختل کنند؛ چرا که ذرات باردار موجب اختلال در عملکرد مدارهای الکترونیکی می‌شوند. به همین دلیل، نیاز است تا این قطعات به‌طور دقیق محافظت یا مقاوم‌سازی شوند تا در محیط‌هایی که احتمال تشعشع بالا است، بدون مشکل عمل کنند.
دکتر جنیفر هولینگزورث، دانشمند و همکار آزمایشگاه در مرکز فناوری‌های نانو یکپارچه (CINT) که ریاست پروژه NSOC را بر عهده دارد و قرار است به عنوان نخستین رئیس مرکز CHIME فعالیت کند. وی چنین توضیح داد: «این پروژه در پی حل یکی از مسائل اساسی در زمینه الکترونیک است. به دلیل وابستگی مدارهای یکپارچه به الکترون‌ها به‌عنوان حامل‌های اطلاعات، این مدارها به محدودیت‌هایی از نظر چگالی پهنای باند، سرعت و فاصله انتقال داده می‌رسند.»
او افزود:«پیچیدگی‌های موجود در بهبود عملکرد مدارهای یکپارچه به گونه‌ای است که به‌طور تقریبی نیاز به ۳۰ مایل سیم برای انتقال داده‌های الکتریکی از طریق ۱۰ یا بیشتر سطح مختلف تراشه وجود دارد؛ همه این اجزا توسط فرآیندهای تولیدی نسبتاً ناکارآمد ساخته می‌شوند.»
علاوه بر پروژه NSOC، سایر پروژه‌های مرکز CHIME به بررسی روش‌های بهینه‌سازی عملکرد تراشه‌ها از طریق رویکردی به نام یکپارچه‌سازی ناهمگن می‌پردازند. در این رویکرد، اجزا و قطعات به‌طور جداگانه تولید شده و سپس در قالب یک تراشه واحد ترکیب می‌شوند. پژوهش‌های صورت‌گرفته شامل بررسی مواد، فرآیندها و فناوری‌های نوینی است که می‌تواند در تولید تراشه‌ها به کار گرفته شود. آدام رون‌دینون، مدیر مشترک مرکز فناوری‌های نانو یکپارچه اعلام کرد: «هدف مرکز CHIME، پل زدن بر شکاف بین کارهای آزمایشگاهی و تولید انبوه یا همان ‘آزمایشگاه تا کارخانه’ است؛ تا نتایج پژوهشی به فناوری‌های مقیاس‌پذیر تبدیل شده و بتوانند نیازهای حیاتی اجتماعی و صنعتی را پاسخ دهند.»
این دغدغه از سوی وزارت دفاع (DoD) نیز مورد توجه قرار گرفته است. در سال ۲۰۲۳، وزارت دفاع با تزریق ۲۳۸ میلیون دلار به چندین مرکز نوآوری منطقه‌ای در حوزه میکروالکترونیک سعی در برطرف کردن شکاف مذکور داشته است. معاون وزیر دفاع در آن زمان، کاتلین هیکس این شکاف را به عنوان «دره مرگ بدنام بین تحقیق و توسعه و تولید» توصیف کرده بود.
با توجه به روند رو به رشد پژوهش‌های مرتبط با میکروالکترونیک و هوش مصنوعی، می‌توان انتظار داشت که نتایج این پروژه‌ها تأثیرات گسترده‌ای بر صنایع داشته باشد. تلاش‌های صورت‌گرفته در آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس نه تنها در جهت بهبود عملکرد تراشه‌ها و ارتقای کارایی انرژی آن‌ها می‌باشد، بلکه به عنوان گامی بلند در جهت پاسخ به نیازهای استراتژیک و امنیتی کشور در حوزه‌های مختلف محسوب می‌شود.
