imec تحقق كثافة قياسية بلغت 3.8 مليون وصلة في الدوائر الفائقة التوصيل

لوفن، بلجيكا — حقق المركز الدولي لأبحاث الإلكترونيات الدقيقة imec إنجازاً بارزاً في هندسة أشباه الموصلات المبردة، من خلال تصنيع دائرة متكاملة فائقة التوصيل تصل إلى كثافة قياسية تبلغ 3.8 مليون وصلة جوزيفسون لكل مليمتر مربع. ووفقاً لتقرير تقني نشره Aamir Khollam في 8 سبتمبر 2026، يعتمد هذا الابتكار على أسلاك توصيل فائقة الدقة بعرض 30 نانومتر مصنوعة من نتريد النيوبيوم والتيتانيوم (NbTiN). ويوفر هذا التقدم معياراً هيكلياً جديداً لبنيات الحوسبة المبردة عالية الكثافة، ما يمهد مساراً عملياً على مستوى العتاد الصلب لتوسيع نطاق وحدات المعالجة الكمومية وأنظمة التحكم في الحواسيب الفائقة ذات الاستهلاك المنخفض للغاية للطاقة والتي تعمل بالقرب من الصفر المطلق.

## Key facts - استعرض مركز الأبحاث imec كثافة دائرة فائقة التوصيل غير سابقة بلغت 3.8 مليون وصلة جوزيفسون في المليمتر المربع. - تتضمن بنية الدائرة خطوطاً بعرض 30 نانومتر من نتريد النيوبيوم والتيتانيوم (NbTiN) للتوصيلات الكهربائية عالية الكثافة. - تعالج منهجية التصنيع اختناقات المساحة والتوصيل المستمرة منذ فترة طويلة في الشبكات المنطقية المبردة وإلكترونيات التحكم الكمومي. - يوفر نتريد النيوبيوم والتيتانيوم تحملاً متفوقاً للمجال المغناطيسي الحرِج ودرجات حرارة انتقال حرِجة أعلى مقارنة بأسلاك النيوبيوم النقي التقليدية. - تم توضيح هذا الإنجاز التقني بالتفصيل في تقرير نشره Aamir Khollam في 8 سبتمبر 2026.

## What happened يمثل إنجاز التكامل الذي استعرضه مركز imec قفزة نوعية في كثافة تجميع المكونات للإلكترونيات الدقيقة الفائقة التوصيل — وهي فئة من عتاد الحوسبة الذي يوصل التيار الكهربائي بمقاومة صفرية عند تبريده إلى ما دون درجات الحرارة الانتقالية الحرِجة. وفي الجوهر الفيزيائي لشريحة المنطق الرقمي الفائق التوصيل، توجد وصلات جوزيفسون، وهي أجهزة نانوية الحجم تتكون من قطبين فائقي التوصيل يفصل بينهما حاجز عازل شديد الرقة تعبر من خلاله أزواج الإلكترونات عبر التأثير النفقي دون تبديد للطاقة.

وللوصول إلى كثافة تجميع تبلغ 3.8 مليون وصلة لكل مليمتر مربع، قام imec بتعديل جذري لكل من هندسة قياس الوصلات ومخطط التعدين التوصيلي الأساسي. واعتمدت الأجيال السابقة من الدوائر المنطقية الفائقة التوصيل أساساً على مسارات من النيوبيوم النقي (Nb). ومع ذلك، يواجه النيوبيوم النقي تدهوراً فيزيائياً شديداً عند تصغيره إلى أبعاد تقل عن 100 نانومتر، حيث يظهر زيادة في المحاثة الحركية، وتدهوراً في كثافة التيار الحرِج، وحساسية عالية لاحتجاز التدفق المغناطيسي الطفيلي.

وعالج imec عقبات التصغير هذه عبر تطبيق خطوط توصيل بعرض 30 نانومتر مكونة من نتريد النيوبيوم والتيتانيوم (NbTiN)، وهي سبيكة فائقة التوصيل مقاومة للحرارة. وتتيح أسلاك NbTiN بعرض 30 نانومتر التباعد الضيق بين وصلات جوزيفسون الفردية مع الحفاظ على خصائص النقل الكهربائي القوية الضرورية لتبديل الحالات الرقمية عند ترددات تصل إلى عشرات أو مئات الجيجاهرتز. ومن خلال تقليص حجم كل من وصلات التبديل النشطة ومسارات توجيه الإشارات إلى أبعاد نانوية، نجح الباحثون في دمج ملايين المكونات النشطة في مساحة شريحة كانت في السابق تتسع لعشرات الآلاف فقط.

وتستفيد تدفقات العمليات المبتكرة في imec من البنية التحتية القياسية لتصنيع رقاقات السيليكون بمقاس 300 مليمتر، مما يشير إلى إمكانية إنتاج الدوائر الفائقة التوصيل عالية الكثافة باستخدام خطوط تصنيع تجارية معدلة بدلاً من معدات المختبرات ذات الإنتاجية المنخفضة.

## Why it matters يستهدف تحقيق كثافة 3.8 مليون وصلة لكل مليمتر مربع بشكل مباشر القيد الفيزيائي الرئيسي الذي يواجه الحوسبة المبردة المتقدمة: زيادة عدد المكونات دون تجاوز الميزانيات الحرارية الصارمة. وتستهلك الحواسيب الفائقة الحديثة القائمة على ترانزستورات السيليكون القياسية عشرات الميغاوات من الطاقة الكهربائية، مما يولد حرارة هدر هائلة تحد بشدة من تحقيق مكاسب إضافية في الأداء. وفي المقابل، يعمل المنطق الرقمي الفائق التوصيل — مثل كمية التدفق الأحادي (SFQ) والمنطق الكمومي التبادلي (RQL) — بمقاومة كهربائية صفرية، حيث يستهلك طاقة أقل بنحو ثلاثة أوامر قدرية لكل عملية منطقية أثناء التشغيل بسرعات سرعة ساعة تتجاوز 100 جيجاهرتز.

ومع ذلك، عانى المنطق المبرد تاريخياً من انخفاض كثافة التكامل. وبينما تجمع شرائح السيليكون التقليدية CMOS عشرات المليارات من الترانزستورات على شريحة واحدة، ظلت الدوائر الفائقة التوصيل محصورة لفترة طويلة في آلاف أو عشرات الآلاف من الوصلات. وكان هذا النقص في الكثافة يعني أن شرائح التحكم المبردة كانت أكبر بكثير من أن توضع إلى جانب المعالجات الكمومية داخل أجهزة تبريد التخفيف أو ألواح التبريد للحواسيب الفائقة، مما أُجبر مهندسي الأنظمة على مد آلاف الكابلات المحورية المنفصلة إلى غرف التفراغ تحت كلفن.

ومن خلال ضغط ملايين وصلات جوزيفسون في مليمتر مربع واحد، يتيح تصميم imec دمج دوائر التحكم والقراءة ومعالجة الإشارات المعقدة مباشرة داخل البيئات المبردة. وفي الحوسبة الكمومية، يتطلب توسيع نطاق الأنظمة من مئات الكيوبتات الفيزيائية إلى معالجات متحملة للأخطاء تحتوي على ملايين الكيوبتات منطقاً مبرداً على الشريحة قادراً على تنفيذ تصحيح الأخطاء وتوجيه الكيوبتات في الوقت الفعلي. وتتيح كثافة 3.8 مليون وصلة وضع وحدات تحكم منطقية رقمية معقدة على بعد مليمترات فقط من مصفوفات الكيوبتات الفائقة التوصيل التي تعمل عند 15 ميليكلفن، مما يلغي اختناقات الأسلاك الضخمة التي تعوق حالياً الأنظمة الكمومية واسعة النطاق.

علاوة على ذلك، بالنسبة للحوسبة الفائقة عالية الأداء على مستوى الإكساسكيل (Exascale)، تفتح دوائر NbTiN عالية الكثافة الباب أمام معالجات مساعدة مبردة فائقة الكثافة يمكنها تنفيذ خوارزميات كثيفة البيانات بتبديد طاقة لا يُذكر، مما يوفر مساراً نحو بنيات تحتية مستدامة للحوسبة الفائقة.

## The background تعود الجذور النظرية للإلكترونيات الفائقة التوصيل إلى عام 1962، عندما تنبأ الفيزيائي البريطاني Brian Josephson بتأثير نفق أزواج الإلكترونات الفائقة التوصيل عبر حاجز عازل رقيق — وهو الاكتشاف الذي حاز بسببه على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1973. وطوال أواخر القرن العشرين، سعت برامج أبحاث صناعية رئيسية تقودها IBM ومختبرات AT&T Bell وائتلافات حكومية يابانية إلى بناء حواسيب رئيسية تستخدم وصلات جوزيفسون، مدفوعة بسرعات التبديل البالغة بيكوثانية واستهلاك طاقة يقل عن الميكروواط.

وتم استبعاد جهود الحواسيب الرئيسية المبكرة إلى حد كبير في أواخر الثمانينيات بسبب التوسع السريع والفعال من حيث التكلفة لتكنولوجيا السيليكون CMOS بموجب قانون مور، فضلاً عن صعوبات التصنيع المرتبطة بالتحكم في انتظام الوصلات عبر الركائز السيليكونية الكبيرة. واعتمدت الدوائر المبكرة أيضاً على ميتالورجيا الرصاص أو النيوبيوم النقي، والتي عانت من تدهور هيكلي تحت الدورة الحرارية المكررة بين درجة حرارة الغرفة (295 كلفن) ودرجات حرارة الهيليوم السائل (4.2 كلفن).

وفي العقد الأول من القرن الحادي والعشرين (2010s)، أدى ظهور الحوسبة الكمومية الفائقة التوصيل إلى تجديد الاهتمام العالمي بالإلكترونيات الدقيقة المبردة. وأطلقت وكالات دفاعية وعلمية، مثل نشاط مشاريع الأبحاث المتقدمة للاستخبارات الأمريكية (IARPA)، مبادرات رئيسية شملت برنامجي تعقيد الحوسبة المبردة (C3) وSuperTools لتحديث أتمتة التصميم الإلكتروني وبروتوكولات التصنيع للشرائح الفائقة التوصيل.

تأسس مركز imec (المركز الجامعي المترابط للإلكترونيات الدقيقة) عام 1984 في لوفن ببلجيكا، ويعمل كمركز أبحاث مستقل رائد عالمياً في مجال الإلكترونيات النانوية، بالشراكة مع قادة أشباه الموصلات العالميين بما في ذلك ASML وTSMC وIntel وSamsung وGlobalFoundries. وترتكز استراتيجية imec على تكييف أدوات الطباعة الضوئية الصناعية المتقدمة بمقاس 300 ملم والتنعيم بالبلازما لأنظمة مواد غير تقليدية، مثل NbTiN والتانتالوم وحواجز أكسيد الألومنيوم. وبرز نتريد النيوبيوم والتيتانيوم كمادة مفضلة لأن درجة حرارة انتقاله الحرِجة (حوالي 14 إلى 16 كلفن) وتحمله للمجال المغناطيسي الحرِج يتجاوزان بشكل كبير تلك الخاصة بالنيوبيوم النقي (9.2 كلفن)، مما يوفر هامش تشغيل أكبر ويتيح هندسة أسلاك أضيق دون فقدان خاصية التوصيل الفائق.

## Reaction في حين لم تصدر تصريحات رسمية علنية من شركاء المسبك التجاريين بعد الإعلان، يرى فيزيائيو أجهزة أشباه الموصلات ومهندسو العتاد الصلب الكمومي أن معيار الكثافة الذي حققه imec يمثل محطة بارزة في تصميم الأنظمة المبردة. ويقيم خبراء الصناعة روتينياً نتائج دمج المواد الجديدة من خلال أوراق تقنية محكمة في منتديات دولية رئيسية، مثل مؤتمر IEEE للتوصيل الفائق التطبيقي (ASC) والاجتماع الدولي للأجهزة الإلكترونية (IEDM).

ومن المتوقع أن يقوم مطورو عتاد الحوسبة الكمومية، بمن فيهم الفرق الهندسي في IBM Quantum وGoogle Quantum AI وRigetti Computing وOxford Quantum Circuits، بدراسة منهجية التصنيع الخاصة بـ imec عن كثب. وتواجه هذه المؤسسات حالياً اختناقات شديدة في توجيه الإشارات داخل أجهزة تبريد التخفيف بالهيليوم، حيث يحد التوصيل الحراري عبر الأسلاك النحاسية من إجمالي عدد خطوط التحكم التي يمكنها دخول أبرد مرحلة في مجمد التبريد (Cryostat).

كما يُتوقع أن تستجيب المجموعات البحثية الأكاديمية المتخصصة في تصميم منطق كمية التدفق الأحادي عبر تحديث مكتبات خلايا أتمتة التصميم الإلكتروني (EDA) الخاصة بها. وتسمح كثافة الوصلات الأعلى لمصممي المنطق بتنفيذ ملفات سجلات معقدة، ووحدات حساب ومنطق (ALUs) متعددة البتات، ومصفوفات ذاكرة مبردة كثيفة، والتي كانت غير ممكّنة سابقاً بسبب قيود الحجم الفيزيائي للشريحة.

## What we don't know yet على الرغم من الطفرة المعلنة في كثافة الوصلات وعرض الخطوط، لا تزال العديد من معايير التصنيع والأداء الفيزيائي الرئيسية غير معلنة في التقرير التقني الأولي: - **إنتاجية الشريحة وانتظامها على مستوى الرقاقة:** من غير المعروف حالياً نسبة وصلات جوزيفسون البالغة 3.8 مليون وصلة في المليمتر المربع التي تعمل ضمن حدود التيار الحرِج ($I_c$) الصارمة عبر رقاقة كاملة مقاس 300 ملم. وفي الدوائر المنطقية الفائقة التوصيل، يمكن لنسبة ضئيلة من الوصلات الخارجة عن المواصفات أن تتسبب في أخطاء منطقية نظامية. - **استقرار الدورة الحرارية:** لم يتم الكشف علناً عن تفاصيل الموثوقية الميكانيكية طويلة الأجل للتوصيلات البينية من NbTiN بعرض 30 نانومتر والتي تتعرض لدورات تبريد حراري مكررة بين درجة حرارة الغرفة والأنظمة المبردة. - **حدود التشغيل عالية التردد:** في حين يظهر NbTiN محاثة حركية عالية، مما قد يؤثر على تأخير انتشار الإشارة، لم يتم تحديد التردد الأقصى لدورة الساعة وطاقة التبديل الدقيقة لكل وصلة لهذا التطبيق المحدد بعرض 30 نانومتر بشكل كامل. - **التداخل التشويشي والشيلد المغناطيسي:** عند خطوة سلك تبلغ 30 نانومتر وتباعد وصلات أقل من الميكرون، تشكل ظاهرة احتجاز التدفق المغناطيسي الشارد والاقتران الكهرومغناطيسي الطفيلي بين الخطوط المجاورة تحديات هندسية شديدة تتطلب تحققاً تجريبياً.

## What to watch في الأشهر القادمة، ستوضح العديد من المحطات الرئيسية مدى الجدوى الصناعية لبنية imec الفائقة التوصيل عالية الكثافة: - **العروض التقنية القادمة:** من المتوقع تقديم إفصاحات تقنية محكمة وأوراق دمج عمليات تفصيلية في الفعاليات الصناعية القادمة، مثل الاجتماع الدولي للأجهزة الإلكترونية (IEDM) أو المؤتمر الدولي لإلكترونيات التوصيل الفائق التابع لـ IEEE (ISEC). - **استعراض الدوائر النموذجية:** ترقب إعلانات متابعة تستعرض كتل منطقية متعددة البتات وظيفية، مثل مراكم SFQ عالي الكثافة، أو مصفوفة ذاكرة مبردة، أو متعدد إرسال للتحكم بالكيوبتات المدمجة المصنعة بتقنية NbTiN بعرض 30 نانومتر. - **تكامل المسبك والخطوط التجريبية:** التقدم المحرز في نقل وحدة عملية NbTiN مقاس 300 ملم من الخط التجريبي للبحث والتطوير في imec إلى المسابك التجارية المتخصصة أو خطوط تصنيع العتاد الكمومي. - **مقاييس الأداء المبرد:** نشر مقاييس درجة الحرارة الحرِجة المقاسة ($T_c$)، وكثافة التيار الحرِج ($J_c$)، ومقاييس المرونة للمجال المغناطيسي عبر مساحات رقاقات متعددة البوصات تحت ظروف التشغيل المبردة.

يستند هذا التقرير إلى أخبار تقنية أوردها الصحفي Aamir Khollam في 8 سبتمبر 2026، تتناول تفاصيل التطورات في مجال الإلكترونيات الدقيقة في معهد الأبحاث imec.