EN
روابط سريعة
الدوائر المتكاملة، أو ما يُعرف بشرائح IC باختصار، تتكون أساسًا من مجموعات صغيرة جدًا من ترانزستورات ، المقاومات، مكثفات بالإضافة إلى جميع أنواع التوصيلات المبنية مباشرة على قطعة واحدة من مادة شبه موصلة، عادةً السيليكون. عندما يجمع المصنعون آلاف أو حتى ملايين من هذه الأجزاء الصغيرة في هيكل لا يزيد حجمه عن ظفر الإصبع، فإنهم يُنتجوا شرائح قادرة على أداء مهام معقدة للغاية مثل تعزيز الإشارات، ومعالجة البيانات، وإدارة توزيع الطاقة. في الوقت الحالي الدوائر المتكاملة تعمل بسبب تلك الطبقات الدقيقة جدًا المصنوعة من مواد موصلة، وعوازل، وأشباه الموصلات والمكدسة فوق بعضها البعض. تُمكّن هذه التكنولوجيا الأجهزة التي نستخدمها يوميًا، من الهواتف الذكية إلى معدات المراقبة في المستشفيات، من إنجاز مهام رائعة مع استهلاك طاقة أقل نسبيًا مقارنة بالتكنولوجيات القديمة.
يعتمد أداء رقاقة الدارة المتكاملة (IC) على أربعة مكونات رئيسية:
| مكون | الدور | مثال على التطبيق |
|---|---|---|
| ترانزستورات | تبديل أو تضخيم الإشارات الكهربائية | بوابات وحدة المعالجة المركزية المنطقية |
| المقاومات | التحكم في تدفق الجهد والتيار | مقاومات تقسيم الجهد |
| مكثفات | تخزين الشحنة الكهربائية وإطلاقها | دوائر تصفية الضوضاء |
| التوصيلات البينية | توجيه الإشارات بين المكونات | مسارات نحاسية على رقاقة |
تعمل هذه العناصر معًا بسلاسة، حيث تتيح تقنيات التصنيع المتقدمة مثل عملية الطباعة الحجرية بدقة 5 نانومتر تكاملًا أوثق من أجل معالجة أسرع وأكثر كفاءة.
يتيح هذا التصنيف للمهندسين اختيار النوع الأمثل من الدوائر المتكاملة: التناظرية للواجهات الاستشعارية، والرقمية للحسابات، والمختلطة الإشارة للأنظمة الذكية التي تتطلب كليهما.
تعتمد الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر الحديثة على الرقاقات المتكاملة لتوفير معالجة قوية ضمن تصميمات مدمجة وموفرة للطاقة. وتُدير هذه المكونات الإلكترونية الدقيقة جميع الوظائف بدءًا من تنفيذ الأوامر ووصولًا إلى الاتصال بالشبكات بدقة عالية.
تعتمد المعالجات المحمولة الحديثة على تقنية نظام-على-شريحة (SoC)، حيث تتكامل وحدة المعالجة المركزية، ووحدة معالجة الرسوميات، ومختلف مكونات الذكاء الاصطناعي معًا على قطعة صغيرة جدًا من السيليكون. خذ على سبيل المثال شرائح سلسلة A من آبل أو خط شرائح سنابدراجون من كوالكوم. يمكن لهذه الشرائح التعامل مع مقاطع الفيديو بدقة 4K وحتى ترجمة اللغات في الوقت الفعلي، وهي أمور لم تكن ممكنة قبل بضع سنوات فقط. وفقًا لتقارير صناعية نشرت العام الماضي على لينكد إن، فإنها تعمل أيضًا بدرجة حرارة أقل بنسبة 20 بالمئة تقريبًا مقارنة بالطرازات القديمة، على الرغم من أن الأرقام الدقيقة قد تختلف حسب ظروف الاستخدام. ما يعنيه ذلك عمليًا هو أن الهواتف الذكية اليوم لم تعد تنافس أجهزة الكمبيوتر الأساسية فحسب، بل تؤدي بالفعل بمستويات تُقارَن بما كنا نتوقعه تقليديًا من أجهزة كمبيوتر محمولة منخفضة التكلفة.
تُنظم دوائر إدارة الطاقة المتكاملة (PMICs) توصيل الجهد عبر مكونات الهاتف الذكي، مما يقلل من هدر الطاقة بنسبة تصل إلى 30٪ مقارنةً بالأنظمة التي لا تعتمد على الدوائر المتكاملة (STMicroelectronics 2024). وفي الوقت نفسه، تمكّن دوائر الموجات الملليمترية المتكاملة في أجهزة الاتصال 5G من سرعات تنزيل تتجاوز 10 جيجابت في الثانية، وتدعم تجارب بث سلسة وألعاب سحابية بدون تأخير.
تعتمد الحوسبة عالية الأداء على معماريات متخصصة للدوائر المتكاملة. فوحدات المعالجة المركزية المكتبية مثل سلسلة AMD Ryzen تضم 16 نواة في شرائح بمساحة 72 مم² باستخدام تقنية 5 نانومتر FinFET، في حين تعالج وحدات معالجة الرسوميات من الفئة الخادمية مهام تدريب الذكاء الاصطناعي أسرع بـ 12 مرة من طرز عام 2020. وتدعم هذه التطورات التقنيات الناشئة مثل الذكاء الاصطناعي التوليدي والتتبع الشعاعي الفوري.
الشرائح الصغيرة (IC) الموجودة داخل الساعات الذكية وأسوار اللياقة البدنية هي ما يجعل هذه الأجهزة فعّالة جدًا ومع ذلك تستمر طوال اليوم. فهي تقوم بتتبع نظام تحديد المواقع (GPS)، ومراقبة معدل ضربات القلب، وإدارة اتصالات بلوتوث دون استنزاف البطارية بسرعة كبيرة. وتُقلل بعض وحدات التحكم الدقيقة الجديدة منخفضة الطاقة (ICs) الاستهلاك من الطاقة بنسبة تصل إلى 40٪ تقريبًا مقارنةً بالطرازات القديمة، كما ورد في بحث نُشر العام الماضي من قبل كبرى شركات صناعة الشرائح. ومن خلال تحليل اتجاهات السوق، بلغت مبيعات التقنيات القابلة للارتداء التي تركز على المؤشرات الصحية أكثر من 84 مليون وحدة حول العالم في عام 2024 وحده. وقد تضمّنت نسبة مثيرة للإعجاب تبلغ 62٪ من تلك الأجهزة دوائر متكاملة متقدمة لإدارة الطاقة (PMICs) لتوفير أوقات ارتداء أطول بين الشحنات.
يُمكّن دمج المستشعرات التناظرية مع المعالجة الرقمية في الدوائر المتكاملة ذات الإشارة المختلطة الأجهزة اليومية من تتبع مؤشرات الصحة بدقة تصل إلى مستوى كان مخصصًا سابقًا للأجهزة الطبية. تعمل هذه المستشعرات الحيوية الضوئية الصغيرة جدًا بالتعاون مع المحولات التناظرية-الرقمية (ADCs) لقياس مستويات تشبع الدم بالأكسجين (SpO2) بدقة مثيرة للإعجاب تبلغ حوالي 98%، وكل ذلك أثناء تضمينها في أجهزة قابلة للارتداء لا يزيد سمكها عن سُمك عملة معدنية صغيرة. وجدت دراسة حديثة أجرتها معهد بونيمون عام 2023 أمرًا مذهلاً أيضًا: إن المراقبة اللحظية لمخطط كهربية القلب (ECG) من خلال هذه الأنظمة القابلة للارتداء قللت من حالات إعادة دخول المرضى الذين يعانون من أمراض القلب إلى المستشفى بنسبة تقارب 22%. والأكثر إثارة للاهتمام هو السرعة التي يمكن بها لرقاقات الذكاء الاصطناعي المدمجة اكتشاف المشكلات، حيث تقوم برصد اضطرابات نظم القلب مثل الرجفان الأذيني خلال 15 ثانية فقط تقريبًا، مما يُترجم إلى وفورات كبيرة عند النظر إلى الصورة الكلية، إذ تقدر بعض التقديرات هذه التوفيرات بنحو 740,000 دولار سنويًا عبر 10,000 مستخدم.
تساعد الدوائر المتكاملة الخاصة بقيادة المحركات الموجودة في الأجهزة الحديثة على تحسين أمور مثل كفاءة عمل الضواغط في الثلاجات وتنظيم تدفق المياه في الغسالات، مما يجعل هذه الأجهزة تعمل بهدوء أكبر وتتكيف بشكل أفضل مع الظروف المختلفة. عند النظر إلى اتجاهات السوق، فإن الأجهزة الاستهلاكية تمثل حوالي 21.2 بالمئة من إجمالي الطلب على هذا النوع من الدوائر المتكاملة وفقًا لمؤسسة Future Market Insights من العام الماضي. كما تعتمد أجهزة التحكم في درجة الحرارة على تقنية الدوائر المتكاملة التناظرية، حيث تحول تقلبات درجات الحرارة التي نشعر بها إلى قراءات رقمية دقيقة، بحيث تبقى منازلنا مريحة ضمن نطاق نصف درجة مئوية فقط في أي من الاتجاهين.
تُعَالِج وحدات الميكروكنترولر ذات البت 32 في منازلنا جميع أنواع المعلومات الفورية التي تأتي عبر شبكات إنترنت الأشياء تلك. فهي تعمل بشكل أساسي كشرطة مرور للإشارات الصادرة عن أجهزة مثل مستشعرات الحركة، وأجهزة كشف الرطوبة، والمقابس الذكية التي أصبحنا نراها في كل مكان مؤخرًا. وفقًا لتقارير صناعية حديثة، فإن نحو ثلثي أجهزة أتمتة المنازل هذه الأيام تحتوي على ما يُعرف بشرائح الإشارات المختلطة بداخلها. وتُعَالِج هذه المكونات كل شيء بدءًا من مراقبة التغيرات في درجة الحرارة وصولاً إلى إدارة اتصالات واي فاي في الوقت نفسه. ما معنى ذلك بالنسبة للأشخاص العاديين؟ حسنًا، هذا يعني أن ثلاجاتنا قادرة فعليًا على التعلم متى ترتفع أسعار الكهرباء، ثم تغيير عملياتها تلقائيًا إلى الأوقات غير الذروة. كما تتوقف كاميرات الأمان عن إهدار الطاقة بالعمل المستمر عندما لا يكون أحد في المنزل فعليًا، وتنشط فقط عند اكتشاف أنماط حركة مألوفة بناءً على سكان المنزل.
تُلزم قواعد التصميم البيئي الأوروبية لعام 2025 الشركات المصنعة بدمج تقنيات أكثر لدوائر التكامل التناظرية في الأجهزة المنزلية اليومية، والتي نجحت بالفعل في خفض استهلاك الطاقة في وضع الاستعداد بنسبة تقارب 40٪ منذ عام 2019. أشياء مثل منظمات الجهد ومكونات PMIC المتطورة هي ما تمكّن هذه الأجهزة من الوفاء بمتطلبات ENERGY STAR دون تجاوز علامة الواط الواحد الحرجة أثناء التوقف. ومن المنظور المستقبلي، تتوقع التوقعات الصناعية أن ينمو سوق هذه الرقائق التناظرية بما يقارب 17 مليار دولار بحلول عام 2029. وتقود أجهزة التحكم الذكية في درجة الحرارة والأنظمة الحديثة للتدفئة/التبريد هذا التوجه، وفقًا لتقارير التحليلات السوقية الأخيرة. وتكشف الأرقام عن قصة تقدّم سريع بينما تسارع الشركات للوفاء بالمتطلبات التنظيمية وتوقعات المستهلكين بشأن الكفاءة في استهلاك الطاقة.
تكمن قلوب أجهزة البث والتلفزيونات الذكية في رقاقات الدوائر المتكاملة الصغيرة هذه التي تعمل خلف الكواليس لفك التشفير ومعالجة وإرسال كل تلك الفيديوهات عالية الدقة التي اعتدنا توقعها. تقوم هذه الرقاقات الصغيرة بمهام مثل جعل دقة 4K تبدو أفضل مما ينبغي، وتُسَهِّل الحركات المتقطعة، وتعديل الجودة بناءً على جودة اتصال الإنترنت لدينا في أي لحظة معينة. وتركز بعض الرقاقات المتخصصة بشكل خاص على التعامل مع محتوى HDR أيضًا، ما يعني ألوانًا أكثر ثراءً ودرجات سوداء أعمق دون استنزاف البطارية بسرعة على تلك الأجهزة الصغيرة للبث التي يُدخلها الناس في تلفزيوناتهم. نحن نتحدث حاليًا عن سرعات تصل إلى حوالي 12 جيجابت في الثانية للمحتوى بدقة 8K، وهو شيء لا يحتاجه معظم الناس بعدُ، لكن الشركات المصنعة تستمر في إنتاجه على أي حال لأن التنافس يدفع الابتكار إلى الأمام.
تُعد الدوائر المتكاملة ذات الإشارة المختلطة نقطة الاتصال بين إشارات الصوت التناظرية التقليدية والتكنولوجيا الحديثة للتجهيز الرقمي، مما يجعل ميزات مثل إلغاء الضوضاء والتأثيرات الصوتية المكانية المتقدمة وزيادة التباين الديناميكية التي نراها في أجهزة التلفاز الذكية اليوم ممكنة. تُشغل هذه الرقائق الصغيرة خوارزميات تحسين الفيديو في الوقت الفعلي التي تعمل فعلاً مع الذكاء الاصطناعي لتحسين جودة المحتوى العادي بدقة 1080 بكسل بحيث يبدو شبيهاً بالمحتوى عالي الدقة 4K. تحتوي هذه المكونات دواخلها على محولات تناظرية إلى رقمية (ADC) تقوم بالعينة بسرعات تزيد عن 192 كيلوهرتز، ما يمنح أنظمة الصوت وأجهزة السينما المنزلية تجربة صوتية بجودة الاستوديوهات الاحترافية، وهي جودة لم يتخيل معظم الناس إمكانية تحقيقها في غرف معيشتهم. ما يجعل هذا النظام بأكمله مثيراً للاهتمام حقاً هو قدرته على الحفاظ على التوافق مع الأجهزة القديمة، وفي الوقت نفسه دفع حدود ما يمكن أن تؤديه شاشاتنا ومكبرات الصوت معاً.
يدفع اللاعبون الذين يرغبون في تشغيل سلس بمعدل 120 إطارًا في الثانية أو أكثر، إلى جانب تأثيرات إضاءة واقعية من خلال التتبع الشعاعي، في زيادة الطلب على الدوائر المتكاملة القادرة على التعامل مع كميات هائلة من البيانات في وقت واحد عبر قدرات معالجة تُقاس بالترافلوب. وفقًا لأحدث الأبحاث الصادرة عن معهد بونيمون عام 2023، فإن أكثر من نصف أجهزة الألعاب المتطورة حاليًا تأتي مزودة ببطاقات رسوميات قوية تحتوي على تصاميم رقائق متطورة تحافظ على زمن انتقال الإدخال أقل من عشرة ملي ثانية عند تشغيل ألعاب ثلاثية الأبعاد مكثفة. كما دخلت شركات تصنيع وحدات الألعاب في هذا المجال، حيث اختارت استخدام رقائق تقنية العمليات الموفرة للطاقة بدقة 5 نانومتر، والتي تساعد في إدارة الحرارة مع الحفاظ على أداء قوي. كل هذه التطورات تفسر سبب ارتفاع خدمات الألعاب السحابية بنسبة حوالي 33 بالمئة مقارنة بالعام الماضي فقط. فالخوادم التي تدعم هذه المنصات تحتاج أيضًا إلى معالجات صناعية قوية، نظرًا لأنها تقوم بتوليد ألعاب كاملة لحظيًا لملايين الأشخاص الذين يلعبون في آنٍ واحد عبر أجهزة مختلفة.