آسیا در برابر غرب: مهندسی برق و الکترونیک

اگر به خاطر داشته باشید ما بحث را در مقاله اول با طرح یک پرسش ساده اما بنیادین شروع کردیم که چرا کشورهای غربی همیشه در علم و تکنولوژی پیشتاز هستند. در ادامه این واقعیت را با آمار و اعداد اثبات کردیم. هر فرد با هر تخصصی ممکن است دلیل این پیشرفت را از دریچه نگاه خود ببیند، قطعا نظر مورخان، فیلسوفان و جغرافی‌دانان یکسان نیست. هر چه که هست ما خوب می‌دانیم آنها به شکل متفاوتی از ما فکر می‌کنند (برای مثال ما به آیینه جلویی خودرو آیینه جلو می‌گوییم چون در قسمت جلویی خودرو قرار دارد ولی انگلیسی‌ها به آن آیینه دید-عقب می‌گویند چون تصویر عقب خودرو را نشان می‌دهد! ما به اصطلاح می‌گوییم شهر را مثل کف دستم می‌شناسم ولی آنها می‌گویند شهر را مثل پشت دستم می‌شناسم!).

نوع فکر محاسباتی (Calculative) و منطقی آنها بسیار مناسب توسعه علم و تکنولوژی، ساخت ابزار و نوع‌آوری است و هدف ما مهندسین هم نوع‌آوری، طراحی کارآمدتر و قابل‌اطمینان‌تر فرآیندها  و دستگاه‌های الکترونیکی است. ایده بسیار ساده است ما تمامی دلایل پیشرفت عنوان شده که کنترلی روی آنها نداریم (مثل فرماسیون اجتماعی، سیر تحولات تاریخی، استعمار و غیره ) را کنار گذاشته و روی چیزی تمرکز می‌کنیم که از نظر من نه تنها بسیار مهم‌تر از بقیه دلایل هست بلکه روی آن کنترل داشته و می‌توانیم آن را یاد بگیریم یعنی مولفه‌های فکری آنها. در ضمن دیدیم که برخی ویژگی‌های شخصیتی مثل کنجکاوی، تواضع و اعتراف به ندانستن هم می‌توانند به اندازه همان ابزارهای فکری به ما کمک کنند.

بدون بررسی دقیق و ریشه‌های تاریخی در مقالات قبلی، مطالب جنبه تحکمی و نصیحتی به خود می‌گرفت برای مثال کنجکاو باشیم، متواضع باشیم یا فکر انتقادی داشته باشیم و کمتر کسی علاقه به شنیدن نصیحت دارد. اگر بپذیریم که بسیاری از علوم سیر تکاملی خودشان را در کشورهای اروپایی طی کردند، علم مهندسی هم از این قاعده مستثنی نیست. در ابتدای کشف الکتریسیته، دانشمندان بسیاری در اروپا زندگی خود را وقف شناخت و کنترل آن کردند.

دانشمندانی مثل جرج  اهم، جیمز ماکسول، نیکولا تسلا، مایکل فارادی، الساندرو ولتا و هاینریش هرتز که حتی نامشان هم برای ما یادآور واحدهای اندازه‌گیری کمیت‌هایی مثل مقاومت (اهم)، فرکانس (هرتز)، ظرفیت خازنی (فاراد)، مغناطیس (تسلا) و ولتاژ (ولت) هست. شخصا حساب ماکسول را از بقیه دانشمندان جدا می‌کنم زیرا ماکسول نابغه‌ای بود که تنها با تکیه بر علم ریاضی و حل معادلات وجود امواج الکترومغناطیس در فضا را اثبات کرد قبل از اینکه حتی در آزمایشگاه وجود آن اثبات شود و این در تاریخ الکتریسیته بی‌نظیر است. و اینجا جا دارد یادی کنیم از دانشمندی به نام الیور لاج که قبل از هرتز توانست در عمل امواج الکترومغناطیس ماکسول را در آزمایشگاه ببیند و اثبات کند ولی درست قبل از اعلام دست‌آوردش به انجمن علمی به مدت دو هفته به تعطیلات رفت و درست در همین بازه هاینریش هرتز زودتر از او این کشف را به انجمن علمی ارسال کرد و به همین دلیل ما امروز می‌گوییم برق شهر 50 هرتز است و نه 50 لاج!

این دانشمندان به علت داشتن ویژگی‌هایی از جمله کنجکاوی و تمایل به کشف و با داشتن مهارت‌هایی مثل تفکر انتقادی و تحلیلی که در مقالات قبلی عنوان شد موفق به کشف بزرگترین دست‌آوردهای تاریخ بشر شدند. امروزه تصور دنیایی بدون برق و الکترونیک برای ما بسیار دشوار هست و ما تمامی این امکانات را مدیون کشفیات آنها هستیم.

به راستی کسب مهارت در نحوه فکر کردن به مانند آنها چقدر می‌تواند به موفقیت ما مهندسان الکترونیک کمک کند؟

جیمز ماکسول

تجربه در مقابل علم

معمولا مسیر شغلی ما مهندسان الکترونیک به این شکل بوده که ابتدا وارد دانشگاه شدیم و شروع به یادگیری مطالبی به شکل تئوری کردیم. شاید در بین کلاس‌های تئوری سری هم به آزمایشگاه‌ها زدیم و نحوه کار کردن با یکسری وسایل اندازه‌گیری مثل اسیلوسکوپ و یا مالتی‌متر را یاد گرفتیم. ما شاید حتی پروژه‌های کوچکی را نیز به سرانجام رساندیم.

اما هنگامی که وارد بازار کار شدیم به یکباره احساس کردیم که تمامی دروس دانشگاه تنها تئوری بوده و ارزش چندانی نداشته است. در ادامه تمامی افراد با تجربه در بازار کار هم به ما یادآوری کردند که تئوری اهمیت آنچنانی ندارد و اینجا حرف اول را تجربه و کارهای عملی می‌زند و واقعا هم یک مهندس در میدان عمل ساخته می‌شود.

ولی حتی با تجربه‌ترین مهندسان هم ممکن است سال‌ها در یک سطح باقی بمانند و به بن‌بست برسند. اینجا یاد جمله‌ي جالبی از مهندس ارشد تیم سیستم‌های نهفته شرکت آمازون افتادم که گفت: بیایید واقعیت تلخ را بپذیریم، بیست سال تجربه ما در این حوزه در حقیقت یک سال تجربه هست که بیست بار تکرار شده. احتمالا منظور این بوده که اکثر مهندسان در حال انجام کارهای تکراری هستند و به این شکل یک سال تجربه با بیست سال تجربه چه تفاوتی دارد!؟

از نظر من مهندسان با تجربه نیاز دارند تا دوباره بازگشتی به تئوریات فراموش شده داشته باشند. البته منظور تئوریات سنگین دوران تحصیل نیست که اکثر دانشجویان برای گرفتن نمره قبولی آنها را حفظ می‌کنند. منظور من تئوریات کاربردی و مهم هست، تئوری که به خوبی فهمیده شده است. در اینجا یکی از جملات شایگان را از کتاب آسیا در برابر غرب نقل می‌کنم:‌ “علوم غربی، علوم تذکری ما نیست و نمی‌توان با حفظ کردن آنها را یاد گرفت”. وقتی واعظی بالای منبر رفته و ما را نصیحت می‌کند و ما هم فقط به نشانه تایید سر بالا و پایین می‌کنیم این علم تذکری است و نه تحلیلی. وقتی نگاهی به طراحی‌های پیشرفته محصولات غربی داشته باشیم مثلا مادربورد یک لپ‌تاپ به غیر از علم الکترونیک و هنر، وجود تئوریات هم ملموس است.

(ما فعلا مسائل مربوط به بازار آزاد و رقابت بین شرکت‌ها برای ساخت محصول بهتر در کشوری مثل آمریکا را کنار می‌گذاریم. دقیقا نمی‌توانیم بگوییم بازار ایران هرگز درخواستی برای طراحی‌های پیشرفته ندارد چون صنایع نظامی، صنایع پزشکی و هوافضا در ایران هم وجود دارند و کم و بیش نیازمند این چنین طراحی‌هایی هستند. هرچند که هنوز پای صنایع پیشرفته به محصولات تجاری خیلی باز نشده ولی می‌توانیم با اطمینان بگوییم که این روند در آینده نزدیک تغییر خواهد کرد. در ضمن برای ما قابلیت اطمینان بالا برای هر نوع محصولی دارای ارزش است.)

سال‌ها پیش در یک کلاس الکترونیک شرکت می‌کردم. استاد (که فردی بسیار با تجربه و شناخته شده‌ای هم هستند) وارد کلاس شد و از ما پرسید: بچه‌ها تا حالا فکر کردید وقتی ما سوار هواپیما میشیم زندگیمون را دادیم دست یک مشت قطعه نیمه‌هادی! این صحبت من را به فکر فرو برد. واقعا تا آن زمان به خصوص اینکه در ابتدای مسیر هم بودیم فقط تلاش می‌کردیم چیزی سر هم کنیم که کار کند و به فروش برسد. قابلیت اطمینان چیزی بود که اصلا مسئله ما نبود. امروزه معمولا در هر وسیله مهمی حداقل یک مدار الکترونیکی وجود دارد که وظیفه کنترل و نظارت را بر عهده دارد. امروز کشتی‌ها، خودروها، دستگاه‌های بیمارستانی همه با الکترونیک کنترل می‌شوند. یک لحظه تصور اینکه مدار کنترل خودرو بخواهد اسیر نویز کلیدزنی کویل موتور خودرو یا نویز بیرونی بشود ما را به وحشت می‌اندازد چون ممکن هست تمام سرنشینان خودرو کشته بشوند یا درست در هنگام عملیات احیای یک بیمار دستگاهی از کار بیفتد! یا اینکه یک موشک از مسیرش خارج شده و در یک کشور بی‌طرف فرود بیاید.

ما امروز به مانند گذشته دیگر با فرکانس‌ها، ولتاژها و جریان‌های پایین سر و کار نداریم. انتظارات مصرف کنندگان بالا رفته و به دنبال آن انتظار شرکت‌ها از طراحان الکترونیک هم بیشتر شده است. زمانی که فرکانس یک سیگنال 5 گیگاهرتز است هیچ چیز درست کار نمی‌کند چون در این فرکانس سلف‌ها و خازن‌های پارازیت خط انتقال خود را نشان می‌دهند و بسیار اثر گذار می‌شوند. در الکترونیک قدرت‌ هم گاهی چنان ولتاژ و جریان بالاست که حتی طراحی PCB آن هم تبدیل به مسئله می‌شود.

چیزی که ما مشاهده می‌کنیم این هست که امروز قابلیت اطمینان خیلی بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد. هر روز یک استاندارد جدید بین‌المللی به لیست استاندارد شرکت‌ها اضافه می‌شود. تمامی این موارد به این معنی است که ما باید خیلی دقیق‌تر تئوری‌ها را بررسی کنیم و آنها را به کار بگیریم. تئوریات این امکان را به ما می‌دهند که کنترل دقیقی روی عملکرد مدار داشته باشیم و بهتر بتوانیم رفتار آنها را پیش‌بینی کنیم. 

برای مثال زمانی که با افزایش زیاد فرکانس سیگنال پدیده‌ای به نام اثر پوستی رخ می‌دهد و تمام جریان از پوسته نازک سیم عبور کرده و سطح داخلی سیم خالی از الکترون می‌شود ما از چه راه عملی و با کدام دستگاه می‌توانیم آن را مشاهده کنیم؟ حتی اگر دستگاه اندازه‌گیری آن هم موجود باشد احتمالا بسیار گران خواهد بود.

زمانی که با افزایش زیاد فرکانس سیگنال پدیده‌ای به نام اثر پوستی رخ می‌دهد و تمام جریان از پوسته نازک سیم عبور کرده و تمام گوشته سیم خالی از الکترون می‌شود ما از چه راه عملی و با کدام دستگاه می‌توانیم آن را مشاهده کنیم؟ حتی اگر دستگاه اندازه‌گیری آن هم موجود باشد بسیار گران خواهد بود.

در تصویر بالا شما فرمول عمق نفوذ جریان در یک ‌هادی را مشاهده می‌کنید. با فرض اینکه فرکانس سیگنال ما 5 گیگاهرتز باشد و سیم از جنس مس، عمق نفوذ جریان تنها 0.93 میکرومتر خواهد بود! یعنی حتی اگر قطر سیم مسی یک متر هم باشد (که برای عبور جریان چند کیلوآمپری کافی است) در این فرکانس، سیگنال تنها به عمق 930  نانومتری آن نفوذ خواهد کرد (شما می‌توانید تمام محتویات داخلی سیم مسی در بیاورید چون هیچ الکترونی از آن عبور نمی‌کند! ).

در حال حاضر قصد نداریم به راحتی از کنار این فرمول عبور کنیم. شاید بتوانیم با تحلیل و فکر انتقادی اطلاعات سودمندی را از آن استخراج کنیم. چرا با افزایش فرکانس سیگنال قدرت سیگنال کمتر می‌شود (معلول) ؟ چون مقاومت هادی بیشتر می‌شود (علت). چرا مقاومت هادی بیشتر می‌شود (معلول)؟ چون عمق نفوذ جریان در هادی کمتر می‌شود(علت). فعلا دلیل فیزیکی این رخداد در سطح الکترون‌ها را کنار می‌گذاریم و روی فرمول متمرکز می‌شویم. فرکانس سیگنال در مخرج کسر قرار دارد پس قاعدتا با عمق نفوذ جریان رابطه عکس دارد یعنی هر چقدر فرکانس بیشتر شود عمق نفوذ جریان کمتر می‌شود. اما با چه شدتی؟ چون کل کسر زیر رادیکال قرار دارد (و همینطور فرکانس) این رادیکال قدرت تاثیرگذاری متغیرها را کمتر می‌کند بطور مثال اگر ما فرکانس را 9 برابر کنیم، عمق نفوذ جریان فقط 3 برابر کمتر می‌شود یعنی یک-سوم. چطور می‌توان این مشکل را حل کرد؟ یا باید مخرج کسر را کوچکتر کنیم و یا باید صورت کسر بزرگتر شود.

مقاومت ویژه هادی p در صورت کسر هست. ما می‌دانیم مقاومت ویژه فلز نقره از مس کمتر هست، پس بهتر است مس را با نقره جایگزین کنیم، زیباتر هم هست (سابجکتیو) اما مقاومت ویژه نقره چقدر از مس کمتر هست؟ تنها حدود 7 درصد که در ضمن رادیکال اثربخشی آن را کمتر هم می‌کند و در ضمن قیمت آن هم بسیار بیشتر از مس هست (حالا آبجکتیو شد). پس راه حل چیست؟ از همان مس استفاده می‌کنیم منتها ضخامت مس را دو برابر عمق نفوذ  محاسبه شده در نظر ‌می‌گیریم و هرگاه جریان عبوری زیاد بود بسته به مقدار آن چند رشته از آن سیم را در کنار هم می‌گذاریم و آنها را با هم موازی می‌کنیم و به این شکل دیگر هیچ فضایی از سیم مسی به هدر نمی‌رود. و این همان راه‌حل برای ساخت ترانس (بطور دقیق‌تر سلف تزویج) یک مبدل Flyback با جریان و فرکانس بالاست.

این یک مثال ساده بود. شما بسته به حوزه‌ای از الکترونیک که در آن مشغول به کار هستید ممکن هست با بسیاری از این فرمول‌ها برخورد کنید. به کمک ابزارهای فکری به راحتی می‌توانید اطلاعات زیادی را از این فرمول‌ها استخراج کنید. هنوز یک‌‌ کار دیگر را می‌توان با این فرمول انجام داد. حالا که انتخاب نهایی ما مس هست پس می‌توانیم تمامی متغیر‌های ثابت را حذف کنیم و فقط مولفه فرکانس را نگه داریم یعنی:

عکس فرمول

به خاطر سپردن این فرمول ساده شده بسیار آسانتر هست.

صد میلیارد ترانزیستور در یک چیپ! چطور ممکن هست؟

پس از معرفی تکنولوژی ساخت آی‌سی در مقیاس تنها یک نانومتر ( اندازه یک اتم یک دهم نانومتر هست یعنی در این مقیاس اندازه یک ترانزیستور تنها ده برابر اندازه یک اتم هست!) شرکت IBM مدعی است که می‌تواند صد میلیارد ترانزیستور را در یک چیپ جا بدهد! چطور می‌توان این همه ترانزیستور را که تنها چند ده سال پیش فقط ده عدد از آن در کف یک دست جا می‌شد را امروز در یک چیپ با مساحت 16 سانتی‌متر مربع جای داد؟

هر کجا که تکنولوژی در لبه قرار دارد نقش تئوری‌ها پررنگ تر می‌شود. تئوری و محاسبات به شما می‌گویند که شما تا کجا قدرت تغییر مرزهای یک علوم را دارید و برای برداشتن قدم بعدی باید از چه مانعی عبور کنید. ما می‌دانیم که المان سوئیچ ترانزیستوری دارای یک تلفات دینامیکی و یک تلفات استاتیکی هست. درسته که یک ترانزیستور با ابعاد کوچک تلفات توان بسیار کمی دارد اما صد میلیارد عدد از آن ترانزیستور چطور!؟ عدد بسیار بزرگی خواهد بود. توان مصرفی در نهایت به حرارت تبدیل شده و این حرارت زیاد انجام محاسبه‌ برای چیپ را غیرممکن می‌کند. پس قدم اول کاهش توان مصرفی هر ترانزیستور خواهد بود. فرمول توان مصرفی ترانزیستور مشخص هست. اگر راه‌حل مداری برای کاهش آن وجود نداشته باشد چاره‌ای جز بهبود تکنولوژی و رسیدن به گره ساخت پایین‌تر نیست چون هر چقدر ترانزیستور کوچکتر باشد توان‌مصرفی آن هم کمتر است و این یعنی الزام بهبود دستگاه لیتوگرافی، کاری که IBM انجام داد. پس قاعدتا گلوگاه برای ساخت چیپ‌های قدرتمندتر نسبت به نسل قبلی ساخت یک دستگاه لیتوگرافی بهتر است.

عکس دوم

دستگاهی که عکس آن را در بالا مشاهده می‌کنید یک شاهکار مهندسی است. دستگاه لیتوگرافی شرکت ASML که یک شرکت هلندی است. بسیاری اعتقاد دارند این دستگاه پیچیده‌ترین و پیشرفته‌ترین دستگاهی است که تاکنون به دست بشر ساخته شده است. این دستگاه قادر هست ترانزیستورهایی به کوچکی 1 تا 3 نانومتر را روی یک ویفر پرینت کند. اهمیت اطلاعاتی ساخت این دستگاه شاید به اندازه ارزش اطلاعاتی ساخت جنگنده F-35 باشد و شرکت از آن محافظت می‌کند. تنها کشورهای مورد تایید آمریکا می‌توانند این دستگاه را خریداری کنند. در چند ماه گذشته غوغایی در فضای مجازی به پا شد که چین در حال کپی و ساخت نمونه مشابهی از این دستگاه هست که بسیار هم خوب عمل می‌کند. انتشار این خبر لرزه‌ای به تن اروپا و آمریکا انداخت چون اهمیت این دستگاه به اندازه همان شمشیر اسپانیایی‌هاست!‌

مهندسی معکوس

صنعت خودروسازی ژاپن با مهندسی معکوس خودروهای آمریکایی شروع شد پس در همه جای دنیا و نه فقط ایران مهندسی معکوس وجود دارد. اما ژاپنی‌ها به سرعت خودشان صاحب تکنولوژی طراحی خودرو شدند تا جایی که امروز خیابان‌های آمریکا پر است از خودروهای ژاپنی و کره‌ای. بسیاری از شرکت‌های ایرانی در حال مهندسی معکوس دستگاه‌های الکترونیکی هستند و این هیچ ایرادی ندارد چون ریسک مهندسی معکوس پایین بوده و زودتر به نتیجه می‌رسد. اما این رویکرد بدون ایراد نیست. 

محصولی که مهندسی معکوس شده تنها دید سطحی به مهندسان داده و آنها دید عمیقی نسبت به محصول ندارند. در واقع مهندسان هیچ اطلاعی از نحوه کارکرد مدارات با جزئیات بالا ندارند و به عبارتی تئوری مدارات و معادلات آن را نمی‌دانند. بنابراین در اکثر مواقع امکان ارتقای محصول را ندارند و نمی‌توانند ورژن‌های مختلفی از محصول را با آپشن‌های جانبی متفاوت روانه بازار کنند. پس اینطور به نظر می‌رسد که قدم بعدی پس از مهندسی معکوس یک محصول تلاش برای درک کارکرد محصول با جزئیات دقیق هست و در عمل انجام این کار دشوار هست.

کشور چین پس از دهه‌ها کارگری برای مونتاژ‌ محصولات آمریکایی و اروپایی در نهایت به این نتیجه رسید که برای رسیدن به توسعه پایدار خود باید صاحب تکنولوژی باشد. چین موفق شد به تدریج دانش و خود تکنولوژی که منجر به ساخت محصولات الکترونیکی مثل تلویزیون‌ها، گوشی‌های موبایل و دستگاه‌های بسیار پیچیده‌تر شده را کپی کند. پیشرفت چشمگیر در صنعت چین از این نقطه آغاز شد.

اتحاد مهندسین دنیا

دلیل وجود زبان بین‌المللی در دنیا امکان ایجاد ارتباط موثر بین جهانیان با هر زبانی است. در دنیای علم و مهندسی هم یک چنین رویکردی وجود دارد. اگر ما زبان مهندسی و روش علمی مشترک را یاد نگیریم و به کار نبندیم از تجربه جهانی مهندسان و دانشمندان دنیا محروم می‌شویم. حتما لازم نیست هر تجربه‌ای را خودمان به دست آوریم چون زمانبر و هزینه‌بر هست. برای مثال بسیاری از طراحان PCB با استانداردهای IPC (Institute of Printed Circuits) آشنایی دارند. این استانداردها با همکاری صدها مهندس با تجربه از سرتاسر دنیا جمع‌آوری شده است. با پیروی از این استانداردها می‌توانیم از تجربه تمام مهندسین دنیا استفاده کنیم تا کیفیت و اطمینان محصولات خود را بالا ببریم.