חיישנים קוונטיים

האיחוד האירופי מעניק 76 מיליון אירו לבדיקה קוונטית של שבבים

פורסם בתאריך ע"י Techtime

הנציבות האירופית אישרה השבוע מענק ממשלתי גרמני בהיקף של 76 מיליון אירו לחברת QuantumDiamonds ממינכן, לצורך הקמת מתקן ייצור חדש למערכות בדיקה ומטרולוגיה עבור תעשיית השבבים. המהלך אושר במסגרת חוק השבבים האירופי (European Chips Act), שנועד לחזק את עצמאותה הטכנולוגית של אירופה ולהקטין את תלותה בשרשראות אספקה חיצוניות.

המענק יינתן כחלק מפרויקט בהיקף כולל של כ־152 מיליון אירו, שבמסגרתו תקים החברה במינכן מתקן ייצור למערכות בדיקה המבוססות על חיישנים קוונטיים. מבחינת בריסל, מדובר במהלך נוסף במאמץ לבסס "ריבונות טכנולוגית" אירופית בתחומים אסטרטגיים ובהם שבבים, מחשוב מתקדם ובינה מלאכותית.

אולם מעבר לסכום עצמו, ההחלטה חושפת מגמה מעניינת יותר. בשנים האחרונות הופנו מרבית הסובסידיות האירופיות למפעלי ייצור שבבים של חברות כמו TSMC, אינפיניאון וגלובלפאונדריז. במקרה הנוכחי בחרה הנציבות להשקיע דווקא בחברה העוסקת בציוד בדיקה ומדידה – תחום שפחות מושך כותרות, אך נחשב לאחד המרכיבים הקריטיים ביותר בתעשיית השבבים המודרנית.

QuantumDiamonds נוסדה בשנת 2022 כספין־אוף של האוניברסיטה הטכנית של מינכן (TUM). החברה צמחה מתוך מחקריו של פרופ' דומיניק בוכר בתחום החישה הקוונטית, ומנוהלת על ידי קווין ברגהוף. בשנים האחרונות היא גייסה הון ממשקיעים פרטיים ומקרנות גרמניות, ובמקביל פיתחה את מערכת הבדיקה המסחרית הראשונה שלה עבור תעשיית השבבים.

העובדה שהנציבות אישרה השקעה כה משמעותית בחברה צעירה יחסית עשויה להעיד גם על השלב שבו היא נמצאת. לפי פרסומי החברה, הטכנולוגיה שלה כבר נבחנה בפרויקטי הוכחת היתכנות אצל תשעה מתוך עשרת יצרני השבבים הגדולים בעולם, והיא כבר החלה בהתקנות מסחריות ראשונות. בשנה האחרונה אף צירפה החברה כיועץ את ד"ר דייוויד סו, לשעבר מנהל תחום ניתוח הכשלים (Failure Analysis) ב־TSMC, הנחשב לאחד המומחים הבולטים בעולם בתחום. אינדיקציה נוספת לבשלות המסחרית של החברה היא זהות הלקוחות הראשונים שלה: לא יצרני שבבים עצמם, אלא מעבדות שירות מובילות לניתוח כשלים ובהן Eurofins EAG בארצות הברית ו־iST בטייוואן. מעבדות מסוג זה מספקות שירותים למגוון רחב של יצרני שבבים, ולכן עשויות לשמש עבור החברה ערוץ חדירה יעיל במיוחד לשוק. אם עד היום פעלה בהיקפים מוגבלים יחסית, הקמת המפעל החדש צפויה לאפשר לה לעבור לשלב של ייצור מסחרי רחב יותר.

לבדוק מבלי להרוס

בלב הטכנולוגיה של QuantumDiamonds נמצאים יהלומים סינתטיים המכילים פגמים אטומיים מסוג NV Centers (Nitrogen Vacancy Centers). פגמים אלה מתפקדים כחיישנים קוונטיים רגישים במיוחד לשדות מגנטיים זעירים. כאשר שבב פועל, הזרמים החשמליים העוברים בו מייצרים שדות מגנטיים, והחיישנים מסוגלים למפות אותם בדיוק גבוה במיוחד. בניגוד לכלי בדיקה רבים המתמקדים במבנה הפיזי של הרכיב, המערכת של החברה מאפשרת לראות כיצד הזרם החשמלי נע בפועל בתוך השבב ולאתר במהירות תקלות כגון נתקי הולכה (Open Defects), הנחשבים לאחד מגורמי הפגיעה המרכזיים בתפוקת הייצור של שבבים מתקדמים.

באמצעות טכנולוגיה זו ניתן לבצע בדיקות תלת־ממדיות לא־הרסניות של שבבים, לזהות זרמי זליגה, לאתר תקלות בשכבות פנימיות ולבצע ניתוחי כשל (Failure Analysis) מבלי לפרק את הרכיב. החברה אינה מציגה את המערכת כתחליף לכלי המטרולוגיה הקיימים, אלא ככלי שמסייע לצמצם משמעותית את הזמן הנדרש לאיתור מקור התקלה. לאחר שהמערכת ממפה את אזור הבעיה, ניתן להשתמש בכלי ניתוח מסורתיים כדי לבצע חקירה מעמיקה וממוקדת יותר.

הצורך בפתרונות כאלה גובר על רקע המעבר לשבבי AI מתקדמים, אריזות תלת־ממדיות (3D Packaging) ומערכות המבוססות על מספר שבבים המחוברים יחד. בעוד שבעבר ניתן היה לחתוך רכיב פגום ולנתח אותו באמצעים מסורתיים, כיום חלק מהבעיות נמצאות עמוק בתוך מבנים צפופים ומורכבים שקשה מאוד לגשת אליהם מבלי לגרום נזק לרכיב עצמו.

המיקוד של החברה משקף גם את הכיוון שאליו צועדת התעשייה. מרבית היישומים שמציגה QuantumDiamonds קשורים לשבבי AI, אריזות מתקדמות מסוג 2.5D ו־3D, טכנולוגיות Chiplets ורכיבי הספק מבוססי GaN ו־SiC. ככל שהשבבים הופכים צפופים ומורכבים יותר, כך גדל הצורך בכלי בדיקה המסוגלים "לראות" לתוך הרכיב מבלי להשמיד אותו בתהליך. אם הטכנולוגיה תוכיח את עצמה בקנה מידה רחב, היא עשויה לפתוח קטגוריה חדשה של מערכות מטרולוגיה המבוססות על חישה קוונטית.

[מקור תמונה: QuantumDiamonds]

היום שאחרי ה-GPS: טיסת ניסוי מוצלחת במערכת ניווט קוונטית

פורסם בתאריך ע"י Techtime

בתמונה למעלה: מערכת הניווט MagNav שהותקנה במטוס C-17A של חה"א האמריקאי, במסגרת ההדגמה למשרד ההגנה שהתקיימה במאי 2023. צילום: SandboxAQ

יצרנית המטוסים Airbus וחברת SandboxAQ האמריקאית, השלימו באחרונה ניסוי מוטס מוצלח במערכת ניווט של SandboxAQ אשר מבוססת על חישה קוונטית ואינה תלויה בלווייני GPS. במהלך יותר מ-150 שעות טיסה ברחבי ארצות הברית, הוכיחה מערכת MagNav יכולת לקבוע את מיקום המטוס בדיוק של פחות מ-2 מייל ימיים, וביותר ממחצית מהקריאות אף דיוק של פחות מ-550 מטרים – כך דיווחו שתי החברות. התוצאה הזו אינה רק טכנית, היא עומדת בקריטריונים שמציבה רשות התעופה הפדרלית של ארה"ב (FAA) לדיוק ניווט עבור טיסות אזרחיות בשלב הקריטי של en-route navigation, כלומר, ניווט בין־עירוני בגובה שיוט. זוהי רמת הדיוק הנדרשת ממערכות GPS לצורך ניהול מסלולים בטוחים במרחב האווירי.

הניסוי הוכיח ש-MagNav בשלה לשימוש בשוק האזרחי והצבאי. הוא מגיע על רקע בעיה גוברת: התלות המוחלטת של עולם התעופה ב-GPS הפכה לנקודת תורפה אסטרטגית. בעשור האחרון דווח על מקרים רבים של שיבוש מכוון (Jamming) וזיוף אותות (Spoofing), במיוחד באזורים מתוחים כמו אוקראינה, ישראל ואפילו בחלקים מאירופה. שיבוש כזה עלול להוציא מטוס ממסלולו ואף לסכן חיים. לצד הפיתוח של מערכות הגנת GPS, ישנו מאמץ בתעשייה לפתח מערכות ניווט שונות, שאינן תלויות ב-GPS.

לא רואה – אלא מרגישה

מערכת MagNav מציעה גישה שונה בתכלית. במקום לקלוט אותות מלוויינים, היא מסתמכת על מדידת השדה המגנטי של כדור הארץ. כל אלמנט גיאוגרפי, אם זה הר, עמק, יער או עיר, מייצר שדות מגנטיים מקומיים ייחודיים, הנובעים מההרכב הפנימי של הקרקע: כמות המתכות בקרום האדמה, פיזור סלעים מגנטיים, שינויים גיאולוגיים ועוד. השדות המגנטיים המקומיים מתועדים במפות מגנטיות המכסות כיום כמעט את כל כדור הארץ. המפות האלה יוצרו בעיקר במהלך סקרים גיאופיזיים שנעשו לצורך חיפושי גז, מינרלים וניטור קרינה קוסמית. בצפון אמריקה, מערב אירופה ואוסטרליה, קיימות כבר מפות מגנטיות ברזולוציה גבוהה. באזורים אחרים ניתן להשלים את הנתונים תוך כדי תנועה – ממש כמו שרכב אוטונומי לומד את הסביבה תוך כדי נסיעה.

מערכת MagNav אינה מבוססת על מגנטומטרים סטנדרטיים, אלא על חיישנים קוונטיים המבוססים על תופעות קוונטיות יציבות במיוחד, כמו תגובת אלקטרונים באטום לשדה מגנטי חיצוני (אפקט זאמן): אטומים כמו רובידיום או נתרן כלואים בתוך תא אטום מוקרן בלייזר. כאשר האלקטרונים בתוכם משנים את מצבם בעקבות שינוי זעיר בשדה המגנטי, הם פולטים אור ייחודי, שהמערכת מנתחת את האור הזה בדיוק של חלקי ננוטסלה. בניגוד לחיישנים מגנטיים רגילים, החיישן הקוונטי מסוגל למדוד שדה מוחלט (ולא רק שינויים יחסיים), לזהות הבדלים זעירים בין אזורים קרובים, לפעול ביציבות בתוך מטוס מתכתי רועש בלא צורך בכיול מתמיד, ולהתמודד היטב עם רעשי רקע בזכות בידוד אקטיבי ופאסיבי. זוהי מערכת המבוססת על מדידת תכונות פיזיקליות "טהורות".

מערכות ניווט רב-שכבתיות

לאחר שהחיישן מודד את השדה המגנטי המקומי, המערכת משווה את החתימה המגנטית שהתקבלה למפת שדות ידועה, במטרה להעריך היכן המטוס נמצא. מדובר בתהליך הנעזר בבינה מלאכותית ומתבצע בזמן אמת. מערכת MagNav אינה משדרת אתות ואינה קולטת אותות. לכן היא נחשבת למערכת ניווט עצמאית לגמרי בעלת עמידות בפני שיבושים או זיוף. חברת SandboxAQ שפיתחה את המערכת יצאה מתוך חברת גוגל. מלבדה, גם בואינג מפתחת כיום פתרונות דומים המבוססים על אינרציה קוונטית.

בבריטניה מתבצעים כיום ניסויים ניסויים במנהרות הרכבת התחתית בלונדון, בהם נבדקים חיישנים קוונטיים מסוג שונה. העתיד שמסתמן בתחום הניווט הוא של מערכות רב־שכבתיות: שילוב של GPS, חישה מגנטית קוונטית, חיישני אינרציה, ניווט כוכבים, ראייה ממוחשבת ובינה מלאכותית. בדיוק כפי שרכב אוטונומי לא נשען רק על מצלמה אחת, כך גם המטוס לא יסתפק באות לווייני בודד. התוצאה תהיה ניווט בטוח, עמיד וגמיש – גם במרחבים עוינים, מתחת לפני הקרקע, או במצבי קיצון של לוחמה אלקטרונית.