חוק מוּר: הנבואה שהגשימה את עצמה

לפני כאלפיים שנים חיבר המשורר הרומאי אובידיוס, את הסיפור הידוע על פיגמליון מקפריסין. פיגמליון – שהיה פסל במקצועו – היה מאוד בררני בכל מה שקשור לנשים, ומשום כך לא הצליח למצוא אישה שתתאים לדרישותיו המחמירות. רק האלה אפרודיטה – אלת האהבה והיופי, האישה המושלמת – עמדה בכל ציפיותיו של פיגמליון, ועקב כך הוא בנה פסל בדמותה של אפרודיטה ולכבודה.

פיגמליון קרא לפסל שיצר: גלתיאה, ואף התייחס אליה כאל אישה לכל דבר: הוא הלביש אותה, נישק אותה, נתן לה מתנות ולא חסך ממנה דבר. פיגמליון התאהב בגלתיאה, ובכל ליבו השתוקק כי גלתיאה תהיה לו לאשה.

כך אכן קרה: יום אחד, בזמן שפיגמליון נישק את גלתיאה, הוא הופתע לגלות כי היא הפכה לאשה של ממש, בשר ודם!

הסיפור על פיגמליון וגלתיאה משמש עד היום כדוגמה לנבואה שמגשימה את עצמה. נבואות שמגשימות את עצמן נפוצות במיוחד מבחינה חברתית, ויש לכך דוגמאות רבות. בפוסט הנוכחי, אתמקד במקרה מאוד מפורסם מתחום המדע והטכנולוגיה.

קצת על טרנזיסטורים ושבבים

בשנת 1965, המהנדס האמריקני גּוֹרְדּוֹן מוּר – לימים מנכ"ל חברת אינטל – שם לב לתופעה מעניינת: 

מספר הטרנזיסטורים בתוך מעגל משולב, מכפיל את עצמו כל שנתיים בערך.

כדי להבין במה מדובר, חשוב לומר משפט או שניים על מעגלים וטרנזיסטורים:

• מעגל חשמלי מודרני, הידוע בשמו הפופולרי יותר: שבב או צ'יפ, הוא רכיב אלקטרוני שנמצא במגוון עצום של מכשירים ומכונות: מחשבים, סמארטפונים, טלוויזיות חכמות, רכבים ומה לא.
• המעגל החשמלי מורכב מתשתית, או "מצע" – העשוי על פי רוב מסיליקון – שעליו מוצמדים רכיבים אלקטרוניים קטנים יותר.
• אחד מאותם רכיבים – ואולי המרכזי ביניהם – הוא הטרנזיסטור, רכיב שבעזרתו ניתן למתג זרם חשמלי באופן מהיר.
• על ידי צירופים שונים ומשונים של מספר טרנזיסטורים ניתן לממש פעולות חישוב מורכבות.

כעת ברור מאליו כי ככל שהשבב מכיל מספר רב יותר של טרנזיסטורים, כך ניתן לממש בעזרתו פעולות מורכבות יותר; פעולות שדורשות כוח חישוב גדול יותר. 

גורדון מור, שבאותה תקופה כבר רכש ניסיון בתעשיית השבבים, שם לב כי השבבים שמיוצרים בתעשייה מתפתחים בקצב מאוד מהיר: כל שנתיים בערך, כמות הטרנזיסטורים במעגל החשמלי מוכפלת!¹

תופעה זו – הכפלת כמות הטרנזיסטורים כל שנתיים – נקראת בפשטות: חוק מור. ברור מאליו כי לא מדובר בחוק טבע. אין כל הכרח פיזיקלי כי כמות הטרנזיסטורים במעגל אכן תוכפל כל שנתיים. במילים אחרות: חוק מור אינו באמת חוק, אלא תחזית. 

אלא שהתחזית – או "הנבואה" של מור – הגשימה את עצמה! זאת משום שחטיבות המחקר והפיתוח בתעשיית השבבים התאימו את עצמם לתחזית של מור. כלומר: היעדים של חברות הייצור הוגדרו מראש כך שיתאימו לתחזית, והחברות אכן עמדו ביעדים האלה בפועל! ניתן לראות זאת בגרף הבא, המראה את מספר הטרנזיסטורים על גבי מעגל חשמלי לאורך השנים:

מזעור טרנזיסטורים בעזרת קרני לייזר

אתם בטח יכולים לנחש כי התחזית של מור התממשה בעיקר תודות לשיפור היכולות בתחום המזעור. במילים פשוטות: מספר הטרנזיסטורים הלך וגדל לא כי שטח המעגל הוכפל, אלא כי עם השנים, הטרנזיסטורים הפכו להיות קטנים יותר ויותר. מכל מקום, ניתן להצביע על "אבן דרך" משמעותית בתהליך המזעור, כאשר הטרנזיסטור הפסיק להיות רכיב נפרד, חיצוני, שמולבש על המעגל "מלמעלה". במקום זאת, הטרנזיסטור הוטמע בתוך המעגל והפך להיות חלק בלתי נפרד ממנו. באנלוגיה גסה, ניתן לחשוב על ההבדל בין שתי השיטות כמו על ההבדל בין מדבקה המונחת על העור לבין קעקוע הנעשה במחט. 

התהליך שבו הטרנזיסטור מוטמע במעגל נקרא: פוטו-ליתוגרפיה. התהליך המלא מורכב יחסית, אך העיקרון הבסיסי די פשוט: על ידי אור עוצמתי וממוקד – קרן לייזר למשל – ניתן "לחרוט" מבנים שונים ומגוונים על גבי תשתית הסיליקון עצמה של המעגל. בעזרת תכנון מתאים וחיווט מדויק, המבנים הללו עצמם מתפקדים כטרנזיסטורים במעגל.

כעת ברור כיצד ניתן היה להגדיל את מספר הטרנזיסטורים במעגל משולב בקצב גבוה כל כך; מזעור הטרנזיסטורים נעשה על ידי חריטת מבנים יותר ויותר קטנים על גבי המעגל.

הסיבה לכך פשוטה: את קרני הלייזר ניתן למקד כך "שטביעת האצבע" שלהם על גבי המעגל תהיה קטנה מאוד. למשל: ניתן למקד קרן לייזר לגודל טיפוסי של פחות מחמישה מליוניות המטר.² לשם השוואה, עובי שערה אנושית הוא כ-70 מיליוניות המטר.

למעשה, ניתן להקטין עוד ועוד את טביעת האצבע של קרן הלייזר על המעגל על ידי שימוש בקרני לייזר בצבעים שונים, או בשפה מקצועית יותר: על ידי שינוי אורך-הגל של קרן הלייזר.

בשלב זה, אין צורך לפרט מהי ההגדרה המדויקת של אורך-גל מבחינה פיזיקלית. לצורך הפוסט, חשוב רק לזכור את הדברים הבאים:

1. אורך-גל זו תכונה של האור.
2. אורך הגל נמדד בננומטרים. ננומטר אחד שווה ל- 1/1,000,000,000 של מטר.
3. אורך-הגל משתנה עם שינוי צבע האור. למשל: לקרן אדומה יש אורך גל של 720 ננומטר, לקרן ירוקה אורך גל של 530 ננומטר ולקרן סגולה 400 ננומטר.
4. ככל שאורך הגל של האור קטן יותר, כך ניתן למקד את האור באופן חזק יותר, ועל ידי כך לייצר מבנים קטנים יותר על גבי המעגל.
5. אורך-הגל הולך וקטן ככל שצבע האור משתנה מאדום לסגול על פי קשת הצבעים, או בשפה מקצועית יותר: הספקטרום הנראה של האור. תופעה זו ניתן לראות בהדמיה להלן:

מכאן נובע כי על ידי שימוש בקרן לייזר ירוקה ניתן לשלב יותר טרנזיסטורים במעגל בהשוואה לקרן לייזר אדומה. הגדלה נוספת של מספר הטרנזיסטורים ניתן להשיג על ידי מעבר לקרן סגולה, וכן הלאה. כך התעשייה נכנסה לסוג של מרוץ, שמילת המפתח בו היא: הקטנת אורך-הגל כדי לייצר עוד ועוד טרנזיסטורים על גבי המעגל.

הקטנת אורך-הגל לא נעצרה באור סגול כמובן. אפשר כמובן להקטין את אורך הגל עוד יותר אל עבר התחום הבלתי נראה של האור. במילים פשוטות: קשת הצבעים שראינו בהדמיה לעיל – המתחילה באדום ומסתיימת בסגול – מתייחסת רק לתחום מאוד ספציפי של האור הנקרא: התחום הנראה, אותו אנו מסוגלים לראות בעין האנושית. אך ניתן לייצר קרני אור עם אורכי גל קצרים יותר, הנמצאים בתחום הבלתי נראה הנקרא: תחום האולטרה סגול. השמש עצמה – בנוסף לאור בתחום הנראה – מייצרת גם קרני אור בתחום האולטרה סגול, קרניים שכידוע מזיקות לעור ויכולות אף לגרום לסרטן. את תחום האולטרה סגול עצמו ניתן לחלק לתחומי משנה:

• אולטרה סגול קרוב: אורכי גל מ- 380 ועד 200 ננומטר.
• אולטרה סגול קיצוני: אורכי גל מ- 200 עד 10 ננומטר.

אז לאן הגיעה התעשייה היום? היכן המרוץ נעצר? כמה קטן אורך הגל של האור במכונות הפוטו-ליתוגרפיה לייצור שבבים?

על מכונות מפלצתיות ומונופולים בתעשייה

לאחרונה, תעשיית ייצור השבבים הגיעה לאבן דרך משמעותית: מכונות פוטו-ליתוגרפיה מסוגלות לייצר שבבים על ידי שימוש בקרני אור בקצה הנמוך ביותר של תחום האולטרה סגול, קרוב מאוד לגבול התחתון של התחום הקיצוני שתיארנו לעיל; ליתר דיוק: אנו מסוגלים לבצע פוטו-ליתוגרפיה על ידי קרני אור באורך גל של 13.5 ננומטר. החברה השולטת בתחום נכון להיום היא חברת ASML, והשליטה האמורה נובעת מהעובדה הפשוטה שחברה זו היא החברה היחידה שמסוגלת לייצר מכונה שכזו.

מדובר במכונה מפלצתית של ממש, בעלת מאות אלפי חלקים. לפי הסרטון של חברת אינטל – שקנתה את המכונה – נדרשו שלושה מטוסים וארבעים משאיות תובלה רק כדי לשנע את המכונה בחלקים ולהרכיב אותה מחדש במפעל של אינטל!

רכיבי המכונה עצמם מגיעים מ-800 ספקים שונים. חלק מהרכיבים מיוחדים עד כדי כך, שיש רק ספק אחד שמסוגל לייצר אותם. כדי לשמר את המונופול בתחום, חברת ASML רוכשת חלק מאותם ספקים. לשם השוואה: דמיינו כי יש רק ספק אחד בעולם שמסוגל לייצר צמיגי רכב לנסיעת שטח, וחברת טויוטה רוכשת את הספק הזה עבור הג'יפים שלה!

העלות של המכונה כל כך גבוהה – בערך 200 מיליון דולר – שחלק מחברות יצור השבבים פשוט לא מסוגלות לקנות אותה, ונאלצו עקב כך לפרוש מהמשחק, פשוטו כמשמעו. נראה כי המחיר של הגרסה הבאה והמשופרת של המכונה יעלה ל-300 מיליון דולר! רק ענקיות כמו אינטל וסמסונג יכולות בכלל להרשות מכונה כזו לעצמן.

איך לייצר אור אולטרה-סגול קיצוני?

השיטה שבה המכונה מייצרת את קרני האור מתוחכמת ביותר. כאמור, מכונת הפוטו-ליתוגרפיה של חברת ASML מייצרת אור בעל אורך גל של 13.5 ננומטר. האתגר לעשות זאת נובע מכך שאין לנו לייזר שפועל באורכי הגל הקצרים האלה; אורך הגל הקצר ביותר שניתן להפיק כיום ממכשיר לייזר עומד על בערך 270 ננומטר. במידה והיינו יכולים לייצר לייזר הפולט אור בעל אורך גל של 13.5 ננומטר, החיים היו ה-ר-ב-ה יותר פשוטים.

הסיבה לכך פשוטה: לייזר לכשעצמו הוא מערכת מורכבת, אך לייזרים קיימים כבר עשרות שנים בתעשייה, והמדע צבר ידע וניסיון רב בתחום הזה. במילים אחרות: לא צריך להמציא את הגלגל. אך במקרה שאין לנו לייזר שנוכל להשתמש בו, יש לחשוב על דרך אחרת, חדשה ומתוחכמת. כיצד? היכונו להתרשם:

• המכונה מזריקה בקצב גבוה טיפות זעירות של בדיל מותך – בזו אחר זו – כך שנוצרת מעין "רכבת" של טיפות בדיל אחת אחרי השנייה, בדומה לטיפות מים הנופלות מברז דולף.
• קרן לייזר נפרדת, באורך גל הרבה יותר גדול ובעוצמה גדולה במיוחד, שולחת פולסים בדידים של אור שפוגעים בטיפות הבדיל בסנכרון ותזמון מדהימים.
• טיפות הבדיל מתחממות באופן רגעי ומהיר לטמפרטורה אדירה של מאות אלפי מעלות צלזיוס.³
• בטמפרטורה זו, אטומי הבדיל מתפרקים לחלוטין ונוצרת פלזמה; מצב שבו החומר אינו מורכב מאטומים שלמים, אלא מחלקיקים המרכיבים את האטום, כך שנוצרת תערובת של אלקטרונים, פרוטונים ונוטרונים.⁴
• עקב הטמפרטורה הגבוהה, הפלזמה זורחת באור אולטרה סגול קיצוני באורך גל של 13.5 ננומטרים.
• האור הזה נאסף על ידי מערכת אופטית מורכבת של עדשות ומראות, ולבסוף ממוקד בהתאם כדי ליצור את המעגל עצמו! הסרטון הבא מציג הדמיה פשוטה של העקרונות הללו:

המישור השטוח ביותר על פני כדור הארץ

המראות שמנתבות את האור האולטרה-סגול אל המעגל הן סיפור מדהים בפני עצמו:

• הדרישה הראשונה מהמראות היא רמת המישוריות. המשמעות של דרישה זו היא כי תהליך הליטוש של המראות צריך להיות חסר תקדים: משטח המראה צריך להיות מישורי עד כדי סטייה מקסימלית של 50 פיקומטר, כלומר: 50 טריליוניות של המטר.⁵ אם זה לא אומר לכם הרבה, חשבו על כך בצורה הבאה: אם המראה הייתה בגודל של כל ארצות הברית, אז ההר הגבוה ביותר לא היה עולה על חצי מילימטר! משטח המראה הוא עד כדי כך מישורי!⁶
• הדרישה הנוספת שראויה לציון היא השליטה המדהימה על התנועה הזוויתית של המראה. כדי ליצור מבנים קטנים כל כך על המעגל החשמלי, נדרשת מהמראה רזולוציה זוויתית של 0.6 ננו-רדיאן. אם גם נתון זה לא אומר לכם הרבה, חשבו על כך באופן הבא: אם המראה הייתה מנתבת את קרן האור אל הירח, היא הייתה מסוגלת להזיז את הקרן – על הירח! – בקפיצות של 20 ס"מ!⁷

היכולות המרשימות הללו דורשות מהטמפרטורה של המראה להיות יציבה ואחידה בצורה בלתי רגילה תוך כדי פעולת המכונה, שהרי קרן האור שפוגעת במראה מחממת אותה. האתגר לייצב את הטמפרטורה של המראה הוא לא קל. מדוע? ראשית, קרן האור שפוגעת במראה לא פוגעת בכל שטח המראה אלא רק בחלק משטח זה, כך שהמראה מתחממת רק בחלקה, אך שאר שטח המראה נשאר קר באופן יחסי. שנית, גם צורת הקרן עצמה אינה בהכרח קבועה לחלוטין ומשתנה מעט עם הזמן. מדובר בשינויים קטנים מאוד, אך אלו שינויים מספיקים כדי לייצר הבדלי טמפרטורה זעירים בין מקומות שונים על פני המראה, תופעה שגורמת למאמצים מכנים ועל ידי כך לעיוותים של משטח המראה. כל אלה הם חדשות רעות מאוד, אם אנו רוצים שהמראה תתפקד בדיוק כל כך גבוה.

בדיוק בשלב זה, החברה שבה אני עובד היום נכנסת לתמונה. בחברת SPECTRA-PHYSICS, אנו מתכננים ומייצרים לייזרים למגוון שימושים בתעשייה, ואחד מהם – בטח כבר ניחשתם – הוא מכונת הפוטו-ליתוגרפיה של ASML.

כדי לייצב את הטמפרטורה על פני המראה ולגרום לה להיות אחידה עד כמה שאפשר, מכונת הפוטו-ליתוגרפיה מנטרת את טמפרטורת המראה בזמן אמת, ומשתמשת בלייזר נוסף – שאנחנו מייצרים – שכל תפקידו הוא לחמם נקודתית את המראה רק במקומות "הקרים" יותר ובדיוק למשך הזמן הדרוש לכך. פעולה זו "מכריחה" שכל האזורים על גבי המראה יתחממו באופן שווה, ויהיו בטמפרטורה יציבה ואחידה. כל הבקרה הזו מתרחשת בזמן אמת ובאופן רציף!

סיכום

במשך כ-55 השנים האחרונות, תעשיית השבבים מתאמצת לעקוב אחרי התחזית המפורסמת של גורדון מור משנת 1965. השאלה המתבקשת היא:

עד מתי? כמה זמן עוד נוכל לעמוד בקצב?

התשובה היא: לא עוד הרבה זמן. למעשה, בקרוב מאוד התעשייה כבר לא תוכל להמשיך לעקוב אחרי חוק מור. הסיבה לכך פשוטה: יש גבול "קשיח" שאותו כנראה לא נוכל לחצות. בסופו של דבר, טרנזיסטורים – כמו כל רכיב אחר – מורכבים מאטומים. כבר היום ניתן לייצר בשיטת פוטו-ליתוגרפיה טרנזיסטורים בגודל של ננומטרים ספורים בלבד. אלא שכעת אנו מתקרבים לגבול שבו טרנזיסטור יהיה צריך להיות מורכב מאטומים בודדים, וגודלו של אטום סיליקון למשל הוא כחמישית ננומטר.

במילים פשוטות: לא נראה כי יש עוד הרבה לאן להתקדם. אבל ההיסטוריה מלמדת אותנו שבעזרת כושר ההמצאה האנושי חצינו בעבר הרבה גבולות. אז יש למה לחכות, העתיד בתחום מסקרן.

1. למעשה, בשנת 1965 מור חזה כי במשך העשור הקרוב הכמות תוכפל כל שנה. עשר שנים לאחר מכן, בשנת 1975, מור שינה את התחזית להכפלה כל שנתיים. [↩]
2. עבור קרן באורך גל של 750 ננומטר וקוטר של 3 מ"מ, בעזרת עדשה עם חצי אינץ' מרחק מוקד ואיכות אלומה של M²=1.2 [↩]
3. למעשה יש שני פולסים של לייזר המשחקים תפקיד בתהליך: הראשון אחראי לשינוי צורת הטיפה, מצורה כדורית לצורה שטוחה יותר, הדומה לחביתה. הפולס השני אחראי לחימום הטיפה והפיכתה לפלזמה. [↩]
4. ליתר דיוק, האלקטרונים הם החלקיקים החופשיים לגמרי. הפרוטונים והנוטרונים נשארים צמודים יחד. במילים אחרות: האטום מתפרק, אך גרעין האטום אינו מתפרק. [↩]
5. קוטר המראה כולה הוא 450 מילימטר. [↩]
6. גודלה של ארצות הברית הוא 4500 ק"מ מצפון לדרום. [↩]
7. המרחק לירח הוא 384,400 ק"מ. [↩]