انجمن علمی مهندسی برق دانشگاه علم و صنعت

▫️ کسب امتیاز از طرف بنیاد نخبگان
▫️ ثبت فعالیت‌های دانشجویی انجام شده در سامانه وزارت علوم، تحقیقات و فناوری و کسب امتیاز در کارنامه فرهنگی
▫️ امکان کسب امتیاز نخبگی در صورت کسب جایزه در جشنواره بین‌المللی حرکت
▫️ ایجاد فرصت عضویت و فعالیت در اتحادیه‌های علمی دانشجویی کشوری زیر نظر وزارت علوم، تحقیقات و فناوری
▫️ فعالیت در نشریه انجمن علمی امتیازی مجزا از عضویت در انجمن دارد.

قانون مور می‌گفت تعداد ترانزیستورها باید مدام زیاد و ابعادشان کوچک شود.

در ترانزیستورهای تخت کلاسیک (Planar MOSFET)، جریان الکترون‌ها از یک کانال دو بعدی و زیر یک «گیت» (Gate) تخت عبور می‌کند.

اما وقتی طول کانال (L) خیلی کوچک شد، پدیده‌ای به نام «اثرات کانال کوتاه» (Short-Channel Effects) رخ داد.

در این حالت، گیت دیگر توانایی خاموش کردن کامل ترانزیستور را نداشت و الکترون‌ها حتی در حالت خاموش هم عبور می‌کردند.

نتیجه چی بود؟
تلفات شدید انرژی و داغ شدن بی‌حد پردازنده‌ها!

وقتی در دو بعد (2D) به بن‌بست رسیدیم، مهندسان به بعد سوم (3D) رفتند!

به جای اینکه کانال ترانزیستور یک سطح صاف روی تراشه باشد، آن را به صورت یک «باله‌ی برجسته» (Fin) از جنس سیلیكون می‌سازند.

حالا گیت دیگر فقط بالای کانال نیست، بلکه از ۳ طرف کانال را در بر می‌گیرد!

اگر عرض مؤثر کانال را در این حالت محاسبه کنیم:

W_eff = 2H_fin + W_fin

که در آن H_fin ارتفاع باله و W_fin پهنای آن است.

📱 این یعنی بدون اشغال فضای بیشتر روی سطح دو بعدی تراشه، سطح کنترل گیت روی کانال را به شدت افزایش داده‌ایم.

در ترانزیستورهای آینده، گیت باید مثل یک شیر آب کاملاً دقیق عمل کند.

یکی از پارامترهای کلیدی، شیب زیرآستانه (Subthreshold Swing یا SS) است که نشان می‌دهد ترانزیستور با چه سرعتی از حالت خاموش به روشن تغییر وضعیت می‌دهد:

SS = dV_gs / d(log10 I_d)

در حالت ایده‌آل در دمای اتاق، حد فیزیکی SS برابر 60mV/dec است.

در ترانزیستورهای تخت قدیمی با کوچک شدن ابعاد، SS خیلی زیاد می‌شد و ترانزیستور بد خاموش می‌شد. اما FinFET به دلیل تسلط ۳ طرفه گیت، SS را به حد ایده‌آل نزدیک نگه می‌دارد.

پس ترانزیستور دیگر یک کلید مکانیکی ساده نیست؛ یک شیر الکترواستاتیکی دقیق سه‌بعدی است.

با کنترل سه‌بعدی کانال، چند اتفاق فوق‌العاده رخ می‌دهد:

- جریان خاموشی یا نشتی (I_OFF) به شدت کاهش پیدا می‌کند.

- جریان حالت روشن (I_ON) افزایش می‌یابد که یعنی سرعت سوئیچینگ بالاتر.

- می‌توان با ولتاژهای پایین‌تر (V_DD) کار کرد که مصرف انرژی را به شدت کم می‌کند.

همین ساختار بود که به صنعت تراشه‌سازی اجازه داد از گره‌های ۲۲ نانومتر بگذرد و تا تراشه‌های ۳ و ۵ نانومتری امروزی پیش برود!

اینجا جذاب‌ترین بخش تکامل ترانزیستورهاست.

در ابعاد زیر ۳ نانومتر، حتی پوشش ۳ طرفه باله هم برای کنترل الکترون‌ها کافی نیست!

چون باله‌ها آن‌قدر باریک می‌شوند که کانال دوباره دچار نشت جریان می‌شود.

پس نسل بعدی معماران تراشه وارد کار می‌شوند:

GAAFET (Gate-All-Around) / Nanosheet

در این معماری، کانال‌ها به شکل نانوسیم‌ها یا نانوورق‌های معلق در می‌آیند و گیت از هر ۴ طرف (۳۶۰ درجه) کانال را احاطه می‌کند.

یعنی حرکت از «کنترل ۳ طرفه» به «کنترل مطلق ۴ طرفه».

ساخت ساختارهای سه‌بعدی در مقیاس چند نانومتر اصلاً ساده نیست.

چالش‌های اصلی عبارتند از:

- خازن‌های پارازیتی (Parasitic Capacitance) بین گیت و سورس/درین افزایش می‌یابند.

- پدیده خودگرمایی (Self-Heating Effect) رخ می‌دهد؛ چون دفع گرمای ایجاد شده در یک باله باریک سه‌بعدی بسیار سخت‌تر است.

- تلرانس ساخت باله‌ها بسیار حساس است و یک نانومتر خطا عملکرد چیپ را خراب می‌کند.

پس سؤال اصلی فقط این نیست که:

«چطور ترانزیستور را کوچک‌تر کنیم؟»

بلکه سؤال مهم‌تر این است:

«چطور ساختاری بسازیم که هم کنترل کاملی روی جریان داشته باشد، هم گرمای شدید محلی را دفع کند، هم کم‌مصرف باشد و هم تولید انبوه آن اقتصادی بماند؟»

برای ثبت نام با ما در ارتباط باشید:
@EESSA_IUST

تا یک ماه پس از پایان کارگاه، پروفایل لینکدین شما به‌صورت اختصاصی بررسی می‌شود و برای رفع نقاط ضعف، افزایش اثربخشی و حرفه‌ای‌تر شدن آن، بازخورد و راهکارهای عملی دریافت خواهید کرد.

یکی از ایده‌های بنیادی در مخابرات این است:

هرچه پهنای باند بیشتری در اختیار داشته باشیم، ظرفیت بیشتری برای انتقال اطلاعات خواهیم داشت.

در ساده‌ترین حالت، نرخ داده را می‌توان به شکل زیر مرتبط با پهنای باند در نظر گرفت:

R ∝ B

یعنی اگر بخواهیم نرخ انتقال داده را افزایش دهیم، یکی از راه‌ها افزایش پهنای باند است.

اما طیف فرکانسی زیر 6GHz به‌شدت شلوغ است.

بنابراین ارتباطات آینده مجبورند به سمت باندهای فرکانسی بالاتر حرکت کنند؛ از جمله باندهای میلی‌متری و در برخی سناریوهای 6G، فرکانس‌های بسیار بالاتر مانند Sub-THz.

اینجا یک اتفاق جالب رخ می‌دهد:

هرچه فرکانس بیشتر شود، طول موج کمتر می‌شود.

چون:

λ = c / f

پس در فرکانس‌های بالا، λ کوچک‌تر می‌شود.

و این اتفاق برای طراحی آنتن فوق‌العاده مهم است.

ابعاد بسیاری از ساختارهای آنتنی با طول موج ارتباط دارند.

مثلاً اگر ابعاد یک عنصر آنتنی را به صورت نسبتی از طول موج در نظر بگیریم:

L ≈ αλ

که α یک ضریب وابسته به نوع آنتن است.

پس وقتی λ کاهش پیدا می‌کند، می‌توانیم ساختارهای آنتنی بسیار کوچک‌تری بسازیم.

و این یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های فرکانس‌های بالا است:

📱 فضای بسیار بیشتری برای قرار دادن عناصر آنتنی در یک سطح کوچک داریم.

در سیستم‌های آینده، ممکن است با آرایه‌هایی متشکل از تعداد زیادی عنصر روبه‌رو باشیم.

به این مفهوم می‌گوییم:

Massive MIMO

اگر وزن مختلط هر عنصر را به صورت:

w_n = a_n e^{jφ_n}

بنویسیم، می‌توانیم با تغییر دامنه و فاز وزن‌ها، شکل تابش را کنترل کنیم.

پس آنتن دیگر یک قطعه‌ی فلزی ساده نیست که فقط انرژی را به فضا بفرستد.

در واقع یک سیستم محاسباتی-الکترومغناطیسی داریم که مدام تصمیم می‌گیرد:

«انرژی را به کدام سمت بفرستم؟»

هرچه فرکانس بالاتر برود، انتشار موج سخت‌تر می‌شود.

در فضای آزاد:

P_r ∝ 1 / R²

و از طرف دیگر، در مقیاس لینک، افزایش فرکانس معمولاً با چالش‌های بیشتری مثل تلفات مسیر، نفوذ ضعیف‌تر در برخی مواد و حساسیت بیشتر به موانع همراه است.

حالا تصور کنید کاربر داخل یک ساختمان حرکت می‌کند.

یک لحظه روبه‌روی ایستگاه پایه است.

لحظه‌ی بعد پشت یک دیوار قرار می‌گیرد.

اگر پرتو باریک باشد، ممکن است مسیر مستقیم کاملاً از بین برود.

پس آنتن 6G باید بتواند خودش را با محیط وفق دهد.

و اینجا یک مفهوم بسیار مهم وارد بازی می‌شود:

Reconfigurable Antennas

اینجا شاید یکی از جذاب‌ترین تفاوت‌های 6G با نسل‌های قبلی دیده شود.

در سیستم‌های کلاسیک بیشتر به این شکل فکر می‌کنیم:

Transmitter → Channel → Receiver

اما در نسل‌های آینده می‌توانیم تصور کنیم:

Transmitter → Smart Environment → Receiver

یعنی محیط هم بخشی از طراحی لینک شود.

برای مثال، اگر مسیر مستقیم بین فرستنده و گیرنده مناسب نباشد، یک سطح هوشمند می‌تواند موج را طوری بازتاب دهد که مسیر مؤثرتری ایجاد شود.

در چنین شرایطی، دیگر فقط آنتن را طراحی نمی‌کنیم.

بلکه:

مسیر انتشار موج را هم طراحی می‌کنیم.

همه‌چیز در فرکانس‌های بالا ایده‌آل نیست.

با افزایش فرکانس، ساخت آنتن‌ها و مدارهای RF سخت‌تر می‌شود.

اتلاف‌ها مهم‌تر می‌شوند.

تلرانس‌های ساخت حساس‌تر می‌شوند.

و در فرکانس‌های Sub-THz حتی کوچک‌ترین تغییرات هندسی می‌توانند روی عملکرد ساختار اثر بگذارند.

از طرف دیگر، وقتی تعداد عناصر آنتنی زیاد شود، کنترل تک‌تک آن‌ها نیز پیچیده‌تر و پرهزینه‌تر می‌شود.

پس سؤال اصلی فقط این نیست که:

«چطور آنتن 6G بسازیم؟»

بلکه سؤال مهم‌تر این است:

«چطور آنتنی بسازیم که هم کوچک باشد، هم کم‌مصرف، هم قابل‌کنترل، هم پهن‌باند و هم قابل ساخت؟»