دو تیم به رهبری محققان MIT در دسامبر 2023 توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده (NSF) انتخاب شدند. شتاب دهنده همگرایی، بخشی از اداره TIP، برای دریافت جوایز 5 میلیون دلاری هر یک در طول سه سال برای پیگیری تحقیقاتی که با هدف کمک به آوردن مواد و فرآیندهای جدید پایدار از آزمایشگاه به تولید صنعتی عملی و در مقیاس کامل انجام می شود. این انتخاب پس از حضور 16 تیم از سراسر کشور انجام شد سال گذشته برای کمک هزینه های یک ساله انتخاب شد برای توسعه طرح های دقیق برای تحقیقات بیشتر با هدف حل مسائل پایداری و مقیاس پذیری برای محصولات الکترونیکی پیشرفته.

از دو تیم تحت رهبری MIT که برای این دور فعلی بودجه انتخاب شده اند، یک تیم، Topological Electric، توسط Mingda Li، دانشیار دپارتمان علوم و مهندسی هسته ای رهبری می شود. این تیم راه هایی برای رشد پایدار پیدا خواهد کرد مواد توپولوژیکیکه با نشان دادن ویژگی های الکترونیکی برتر مانند حالت های بدون اتلاف یا پاسخ فرکانس بالا، پتانسیل ایجاد انقلابی در میکروالکترونیک نسل بعدی را دارند. تیم دیگر به رهبری Anuradha Agarwal، دانشمند اصلی در آزمایشگاه تحقیقات مواد MIT، بر روی توسعه مواد، دستگاه‌ها و فرآیندهای جدید برای ریزتراشه‌هایی تمرکز خواهند کرد که مصرف انرژی را از طریق ادغام الکترون- فوتون به حداقل می‌رسانند و مواد سمی یا کمیاب استفاده شده را شناسایی کرده و از آن جلوگیری می‌کنند. در روش های ساخت امروزی

مقیاس بندی استفاده از مواد توپولوژیکی

لی توضیح می‌دهد که برخی از مواد مبتنی بر اثرات کوانتومی با موفقیت از کنجکاوی‌های آزمایشگاهی به تولید انبوه موفق تبدیل شده‌اند، مانند LED‌های نور آبی و دستگاه‌های مقاومت مغناطیسی غول‌پیکر (GMR) که برای ذخیره‌سازی داده‌های مغناطیسی استفاده می‌شوند. اما او می‌گوید که انواع مختلفی از مواد به همان اندازه امیدوارکننده وجود دارد که امیدوارکننده بوده‌اند اما هنوز به کاربردهای دنیای واقعی تبدیل نشده‌اند.

او می‌گوید: «آنچه ما واقعاً می‌خواستیم به آن برسیم، معرفی نسل جدیدتری از مواد کوانتومی به فناوری و تولید انبوه به نفع جامعه گسترده‌تر است. به ویژه، او می‌گوید: «مواد توپولوژیکی واقعاً نوید انجام کارهای مختلف را می‌دهند».

مواد توپولوژیکی آنهایی هستند که خواص الکترونیکی آنها اساساً در برابر تداخل محافظت می شود. به عنوان مثال، لی به این واقعیت اشاره می کند که فقط در دو سال گذشته، برخی از مواد توپولوژیکی نشان داده شده اند که رسانای الکتریکی بهتری نسبت به مس هستند، که معمولاً برای سیم های اتصال قطعات الکترونیکی استفاده می شود. توماس پالاسیوس، پروفسور کلارنس جی لبل، پروفسور مهندسی برق در MIT، می‌افزاید: برخلاف LED‌های نور آبی یا دستگاه‌های GMR که به‌طور گسترده تولید و به کار می‌روند، وقتی صحبت از مواد توپولوژیکی به میان می‌آید، «هیچ شرکتی، هیچ استارت‌آپی، واقعاً هیچ کسب‌وکاری وجود ندارد». و بازپرس ارشد در تیم لی. لیانگ فو، استاد فیزیک MIT و یکی از همکاران PI، می‌گوید بخشی از دلیل این است که بسیاری از نسخه‌های چنین موادی «با تمرکز بر ویژگی‌های فیزیکی عجیب و غریب با توجه کم یا بدون توجه به جنبه‌های پایداری» مورد مطالعه قرار می‌گیرند. تیم آنها به دنبال فرمول های جایگزینی خواهند بود که برای تولید انبوه سازگارتر باشند.

کیت نلسون، استاد شیمی و co-PI در MIT توضیح می دهد که یکی از کاربردهای احتمالی این مواد توپولوژیکی، تشخیص تشعشعات تراهرتز است. این وسایل الکترونیکی با فرکانس بسیار بالا می توانند اطلاعات بسیار بیشتری نسبت به رادیو یا مایکروویوهای معمولی حمل کنند، اما در حال حاضر هیچ دستگاه الکترونیکی بالغی در دسترس نیست که بتواند در این محدوده فرکانس مقیاس داشته باشد. او می‌گوید: طیف وسیعی از احتمالات برای مواد توپولوژیکی وجود دارد که می‌توانند در این فرکانس‌ها کار کنند. علاوه بر این، او می‌گوید، “ما امیدواریم که بتوانیم یک سیستم نمونه اولیه مانند این را در یک پلت فرم حالت جامد واحد و بسیار فشرده به نمایش بگذاریم.”

لی می‌گوید که در میان بسیاری از کاربردهای احتمالی دستگاه‌های توپولوژیکی برای دستگاه‌های میکروالکترونیکی از انواع مختلف، «ما دقیقاً نمی‌دانیم کدام یک محصول به‌عنوان یک محصول یا در مقیاس صنعتی واقعی می‌رسد. به همین دلیل است که این فرصت NSF مانند پلی است که با ارزش است تا به ما امکان می دهد برای باز کردن پتانسیل واقعی عمیق تر حفاری کنیم.

علاوه بر لی، پالاسیوس، فو و نلسون، تیم توپولوژیک الکتریک شامل کیونگ ما، استادیار فیزیک در کالج بوستون است. فرناز نیرویی، استادیار مهندسی برق و علوم کامپیوتر در MIT; سوزان استمر، استاد مواد در UC سانتا باربارا؛ جودی چا، استاد علوم و مهندسی مواد در دانشگاه کرنل؛ شرکای صنعتی از جمله IBM، دستگاه های آنالوگ و ریتون. و مشاوران حرفه ای لی می گوید: «ما این فرصت را جدی می گیریم. ما واقعاً می‌خواهیم ببینیم که آیا مواد توپولوژیکی به اندازه‌ای که در آزمایشگاه نشان می‌دهیم در مقیاس بزرگ هستند یا خیر و تا کجا می‌توانیم برای صنعتی کردن آنها به طور گسترده پیش برویم.»

به سوی تولید و استفاده پایدار از ریزتراشه ها

ریزتراشه‌های پشت همه چیز، از تلفن‌های هوشمند گرفته تا تصویربرداری پزشکی، امروزه با درصد قابل‌توجهی از انتشار گازهای گلخانه‌ای مرتبط هستند و هر ساله جهان بیش از 50 میلیون تن زباله الکترونیکی، معادل حدود 5000 برج ایفل، تولید می‌کند. علاوه بر این، مراکز داده مورد نیاز برای محاسبات پیچیده و مقادیر انبوه انتقال داده – فکر کنید هوش مصنوعی و ویدیوی درخواستی – در حال رشد هستند و تا سال 2030 به 10 درصد از برق جهان نیاز خواهند داشت.

“زنجیره تامین فعلی برای تولید ریزتراشه، که شامل ساخت، توزیع و استفاده است، نه مقیاس پذیر است و نه پایدار و نمی تواند ادامه یابد. آگاروال می‌گوید: ما باید راهی نوآورانه برای خروج از این بحران پیدا کنیم.

نام تیم آگاروال، FUTUR-IC، اشاره ای به آینده مدارهای مجتمع یا تراشه ها از طریق یک اتحاد جهانی برای تولید ریزتراشه های پایدار است. آگاروال می گوید: «ما ذینفعان صنعت، دانشگاه و دولت را گرد هم می آوریم تا به طور مشترک در سه بعد بهینه سازی کنیم: فناوری، محیط زیست و نیروی کار. حدود 140 ذی‌نفع به‌عنوان حوزه‌های کلیدی مرتبط با یکدیگر شناسایی شدند. با FUTUR-IC، هدف ما کاهش ضایعات مرتبط با الکترونیک و انتشار CO2 معادل 50 درصد در هر 10 سال است.

پیش‌بینی می‌شود که بازار میکروالکترونیک در دهه آینده در محدوده تریلیون دلاری باشد، اما بیشتر تولیدات برای این صنعت تنها در جیب‌های جغرافیایی محدود در سراسر جهان انجام می‌شود. هدف FUTUR-IC تنوع بخشیدن و تقویت زنجیره تامین تولید و بسته بندی لوازم الکترونیکی است. این اتحاد 26 همکار دارد و در حال رشد است. همکاران خارجی کنونی عبارتند از: ابتکار بین المللی تولید الکترونیک (iNEMI)، موسسه ملی تیندال، SEMI، شرکت هیولت پاکارد، اینتل و موسسه فناوری روچستر.

آگاروال FUTUR-IC را با همکاری نزدیک با دیگران، از جمله لیونل کیمرلینگ از MIT، پروفسور توماس لرد در علم و مهندسی مواد، هدایت می کند. السا اولیوتی، جری مک آفی، استاد مهندسی؛ راندولف کرشین، دانشمند اصلی در آزمایشگاه تحقیقات مواد؛ و گرگ نوریس، مدیر طرح پایداری و سلامت MIT برای NetPositive Enterprise (SHINE). همه مربوط به آزمایشگاه تحقیقات مواد هستند. ساموئل سرنا، استاد مدعو از MIT و استادیار فیزیک در دانشگاه ایالتی بریج واتر به آنها ملحق می شود. سایر پرسنل کلیدی عبارتند از ساجان ساینی، مدیر آموزشی ابتکار دانش و نوآوری تولید در دپارتمان علوم و مهندسی مواد MIT. پیتر اوبراین، استاد موسسه ملی تیندال؛ و Shekhar Chandrashekhar، مدیر عامل iNEMI.

سرنا که یکی از مدیران این فناوری است، گفت: “ما انتظار داریم ادغام الکترونیک و فوتونیک انقلابی در تولید ریزتراشه ایجاد کند، کارایی را بهبود بخشد، مصرف برق را کاهش دهد و راه را برای پیشرفت‌های بی‌سابقه در سرعت محاسبات و قابلیت‌های پردازش داده هموار کند.” پروژه بردار

نوریس، یکی از رهبران Environmental Vector، می‌گوید که معیارهای مشترکی برای این تلاش‌ها مورد نیاز است و می‌افزاید: «صنعت ریزتراشه‌ها باید مدل‌ها و داده‌های ارزیابی چرخه عمر شفاف و باز (LCA) داشته باشد که توسط FUTUR-IC در حال توسعه هستند. این امر به ویژه با توجه به اینکه تولید میکروالکترونیک فراتر از صنایع است، مهم است. Kirchein، یکی دیگر از رهبران و مدیر مشترک Concrete Sustainability Hub در MIT، گفت: «با توجه به مقیاس و دامنه میکروالکترونیک، برای صنعت مهم است که انتقال به تولید و استفاده پایدار را رهبری کند. برای دستیابی به این غنی سازی متقابل، اولیوتی، که همچنین یکی از مدیران کنسرسیوم آب و هوا و پایداری MIT (MCSC) است، با FUTUR-IC برای افزایش مزایای بازیافت ریزتراشه با استفاده از اهرم یادگیری در سراسر صنایع، همکاری خواهد کرد.

ساینی یکی از رهبران نیروی کار بر لزوم انعطاف پذیری تاکید دارد. او می‌گوید: «با نیروی کاری که خود را با تمرین ارتقای مهارت‌های مستمر وفق می‌دهد، می‌توانیم به افزایش انعطاف‌پذیری زنجیره تأمین تولید تراشه کمک کرده و طرح جدیدی را برای برنامه درسی پایداری تأیید کنیم».

کیمرلینگ، که همچنین مدیر آزمایشگاه تحقیقات مواد MIT و یکی از مدیران مرکز میکروفوتونیکس MIT است، گفت: «ما به مزایای رشد تصاعدی عملکرد فناوری میکروالکترونیک و اندازه بازار عادت کرده‌ایم. “تأثیر زیست محیطی این رشد از نظر استفاده از مواد، مصرف انرژی و دفع در پایان عمر شروع به مانع از این پیشرفت کرده است. ما بر این باوریم که راه‌حل‌های مهندسی مشترک برای این سه بعد، یک منحنی یادگیری مشترک ایجاد می‌کند که 40 سال آینده در صنعت نیمه‌رساناها پیشرفت خواهد کرد.»

تیم های MIT دو نفر از شش تیمی هستند که جوایزی را برای رسیدگی به مواد پایدار برای چالش های جهانی از طریق مرحله دوم برنامه شتاب دهنده همگرایی NSF دریافت کردند. این برنامه که در سال 2019 راه اندازی شد، هدف آن رسیدگی به چالش های قانع کننده با سرعتی شتابان با ترکیب یک رویکرد تحقیقاتی چند رشته ای است.