שבבים הם היסוד של הטכנולוגיה המודרנית, הם רכיבים זעירים המהווים את המוח והלב של כל מכשיר אלקטרוני – מטלפונים חכמים ועד למחשבי-על.
בבסיסו, שבב הוא מעגל חשמלי שלם המוטבע על פיסת סיליקון קטנה, לעיתים בגודל של מילימטרים בודדים. מה שהופך את השבב למיוחד כל כך היא היכולת לדחוס לתוכו מיליארדי רכיבים אלקטרוניים זעירים, בעיקר טרנזיסטורים, המחוברים זה לזה באמצעות רשת סבוכה של מוליכים מיקרוסקופיים. כל אחד מהטרנזיסטורים הללו, שגודלם יכול להגיע לננומטרים בודדים, מתפקד כמתג זעיר המאפשר או מונע מעבר של זרם חשמלי. הסידור של הטרנזיסטורים והחיבורים ביניהם מאפשרים לשבב לבצע פעולות לוגיות ואריתמטיות מורכבות, לאחסן מידע ולנהל את זרימת הנתונים במערכות אלקטרוניות. היכולת לשלב כל כך הרבה פונקציונליות בשטח כה קטן היא שמאפשרת את המזעור המתמיד של מכשירים אלקטרוניים ואת העלייה המתמדת בעוצמתם החישובית.
קצת היסטוריה
הכל החל בשנת 1958, כאשר שני ממציאים, ג’ק קילבי מחברת Texas Instruments ורוברט נויס מ Fairchild Semiconductor, פיתחו באופן עצמאי את הרעיון של המעגל המשולב. הישג זה היווה מהפכה של ממש, שכן לראשונה ניתן היה לשלב מספר רכיבים אלקטרוניים על גבי פיסת סיליקון אחת במקום לחבר רכיבים נפרדים. שבע שנים מאוחר יותר, בשנת 1965, ניסח גורדון מור, אחד ממייסדי אינטל, את מה שיהפוך ל”חוק מור” – תחזית לפיה מספר הטרנזיסטורים בשבב יוכפל כל 18-24 חודשים. תחזית זו, שהתגלתה כמדויקת להפליא למשך עשורים רבים, הפכה למעין נבואה המגשימה את עצמה, כאשר תעשיית השבבים כולה התאמצה לעמוד בקצב הזה. בשנות ה 70 וה 80 של המאה ה 20, עם התפתחות המיקרו-מעבדים והמחשבים האישיים, השבבים הפכו למוצר צריכה המוני, ומאז הם ממשיכים להתפתח ולהשתכלל ללא הרף. מהפכת האינטרנט והמכשירים הניידים בשנות ה 90 ואילך הובילה לפיתוח שבבים מתקדמים עוד יותר, המסוגלים לבצע חישובים מורכבים במהירות עצומה תוך צריכת אנרגיה מינימלית.
איזה סוגי שבבים יש?
לכל סוג שבב יש תפקיד ספציפי במערכת. המעבדים (CPU) הם אולי הסוג המוכר ביותר, ולא בכדי – הם מהווים את ליבת המחשב או המכשיר החכם, מבצעים את החישובים המורכבים ומנהלים את פעולות המערכת כולה. מעבדים מודרניים מכילים מיליארדי טרנזיסטורים ומסוגלים לבצע טריליוני פעולות בשנייה. לצד המעבדים, קיימים שבבי זיכרון מסוגים שונים. זיכרון RAM (Random Access Memory) משמש לאחסון זמני של מידע, בעוד שזיכרון ROM (Read-Only Memory) מאחסן מידע קבוע שאינו משתנה. מעבדים גרפיים (GPU) הם סוג נוסף של מעבדים המיועדים לעיבוד ותצוגה של גרפיקה מורכבת. הם משחקים תפקיד מרכזי לא רק במשחקי מחשב ועיבוד וידאו, אלא גם ביישומי בינה מלאכותית ולמידת מכונה. בעידן התקשורת האלחוטית, שבבי תקשורת הפכו לחיוניים, הם למעשה מאפשרים טכנולוגיות כמו Wi-Fi, Bluetooth ו 5G. לבסוף, עם עליית האינטרנט של הדברים (IoT), התפתחו שבבים ייעודיים למכשירי IoT, המתאפיינים בצריכת חשמל נמוכה במיוחד ויכולות תקשורת מותאמות.
הגודל כן קובע?
גודל השבב מתייחס לרוחב הטרנזיסטור הקטן ביותר על השבב, ונמדד בננומטרים (nm). התפתחות הטכנולוגיה הובילה למזעור מתמיד של גדלים אלה, מ 10,000nm בשנות ה 70 ועד ל 5nm ואף 3nm כיום. מזעור זה מאפשר להכניס יותר טרנזיסטורים לשטח נתון (זוכרים את חוק מור?), מה שמגדיל את עוצמת החישוב ויעילות האנרגיה של השבב. מספר הטרנזיסטורים בשבב מודרני יכול להגיע למיליארדים. למשל, מעבד Apple M1 Ultra מכיל כ 114 מיליארד טרנזיסטורים, בעוד שה NVIDIA H100 GPU מכיל כ 80 מיליארד. ככל שמספר הטרנזיסטורים גדל, כך גדלה יכולת החישוב של השבב.
ובכן, זה לא כזה קל
הקושי העיקרי בהמשך מזעור השבב נובע ממגבלות פיזיקליות. ככל שהטרנזיסטורים קטנים יותר, מתגברות תופעות קוונטיות כמו זליגת אלקטרונים, מה שמקשה על פעולה אמינה של השבב. בנוסף, פיזור החום הופך לאתגר משמעותי יותר ככל שצפיפות הטרנזיסטורים עולה. היעד הנוכחי של תעשיית השבבים הוא להגיע לייצור מסחרי של שבבים בגודל 2nm ואף מתחת לכך. חברות כמו TSMC ו IBM כבר הכריזו על התקדמות לקראת טכנולוגיית 2nm, עם תוכניות לייצור מסחרי בשנים הקרובות. בתחום מעבדי ה CPU, חברת Intel הייתה המובילה ההיסטורית, אך בשנים האחרונות TSMC, המייצרת עבור חברות כמו AMD ו Apple, תפסה את ההובלה בטכנולוגיית הייצור המתקדמת ביותר. נכון ל 2024, המעבדים המתקדמים ביותר מיוצרים בטכנולוגיית 5nm, עם תוכניות להתקדם ל-3nm ו-2nm בעתיד הקרוב. בתחום ה GPU, חברת NVIDIA היא המובילה בשוק, כאשר השבבים המתקדמים ביותר שלה מיוצרים בטכנולוגיית 5nm. חברת AMD גם משתמשת בטכנולוגיה דומה. בשוק הזיכרון, חברות כמו Samsung ו SK Hynix מובילות בפיתוח וייצור של שבבי DRAM ו NAND flash. הן משתמשות בטכנולוגיות ייצור הנעות בין 10nm ל 7nm, עם מאמצים להגיע ל 5nm בעתיד הקרוב. ככל שהתעשייה מתקדמת לעבר גדלים קטנים יותר, האתגרים הטכנולוגיים והכלכליים גדלים, מה שמוביל לחיפוש אחר פתרונות חדשניים כמו ארכיטקטורות תלת-ממדיות וטכנולוגיות חישוב קוונטי.
אז על מה כל המהומה בעולם?
תעשיית השבבים היא הרבה יותר מסתם ענף טכנולוגי – היא מהווה מנוע צמיחה משמעותי בכלכלה העולמית ומוקד למתיחות גיאופוליטית. ערכה של תעשייה זו נאמד במאות מיליארדי דולרים, והיא מהווה חוליה קריטית בשרשרת האספקה של כמעט כל מוצר טכנולוגי. חשיבותה האסטרטגית של התעשייה הפכה אותה למוקד של מאבקי כוח בין המעצמות הגדולות. מלחמת הסחר בין ארצות הברית לסין, למשל, התמקדה במידה רבה בתעשיית השבבים, עם הגבלות על העברת טכנולוגיה וניסיונות לשליטה בשרשרת האספקה העולמית. כתוצאה מכך, מדינות רבות, כולל ארה”ב, סין, יפן ומדינות האיחוד האירופי, משקיעות סכומי עתק בפיתוח יכולות ייצור עצמאיות של שבבים מתקדמים, במטרה להבטיח את הביטחון הטכנולוגי והכלכלי שלהן. מגמה זו של “לאומיות טכנולוגית” צפויה להשפיע עמוקות על המבנה העתידי של תעשיית השבבים העולמית ועל יחסי הכוחות הגלובליים בכלל.
לסיכום, השבבים האלקטרוניים מהווים את אבן היסוד של העידן הטכנולוגי המודרני. מאז המצאתם בשנות החמישים של המאה העשרים, הם עברו התפתחות מואצת והפכו לחלק בלתי נפרד מכל היבט בחיינו. התקדמות מתמדת בטכנולוגיית הייצור של שבבים ממשיכה לדחוף את גבולות המזעור והיעילות, מאפשרת פיתוח של מכשירים חכמים יותר, מהירים יותר וחסכוניים יותר באנרגיה. במקביל, כיווני מחקר חדשניים כמו חישוב קוונטי ושבבים נוירומורפיים (שבבים המחקים את המבנה המורכב של המוח האנושי) מבטיחים לפתוח אופקים חדשים בעולם המחשוב והבינה המלאכותית. ללא ספק, ניתן לומר שהעתיד לא יהיה משעמם ורווי עיניין, גם בפן הגאופוליטי. בפרק הבא נעסוק בתפקיד של כמעט כל חברה בורסאית בתחום השבבים בשרשרת הייצור.