Explorarea perspectivelor de viitor ale chipurilor semiconductoare din siliciu

Ce definește rolul semiconductorilor în tehnologie?

Materialele pot fi clasificate pe baza conductivității lor electrice - curentul circulă ușor în conductori, dar nu în izolatori. Semiconductorii se află între ele: pot conduce electricitatea în condiții specifice, făcându-le extrem de utile în calcul. Utilizând semiconductori ca bază pentru microcipuri, putem controla fluxul de electricitate în interiorul dispozitivelor, permițând toate funcțiile remarcabile pe care ne bazăm astăzi.

De la începuturile lor,siliciua dominat industria de cipuri și tehnologie, ducând la termenul „Silicon Valley”. Cu toate acestea, este posibil să nu fie cel mai potrivit material pentru tehnologiile viitoare. Pentru a înțelege acest lucru, trebuie să revizuim modul în care funcționează cipurile, provocările tehnologice actuale și materialele care ar putea înlocui siliciul în viitor.

Cum traduc microcipurile intrările în limbajul computerului?

Microcipurile sunt pline cu comutatoare minuscule numite tranzistori, care traduc intrările de la tastatură și programele software în limbaj de calculator - cod binar. Când un comutator este deschis, curentul poate circula, reprezentând un „1”; când este închis, nu poate, reprezentând un „0”. Tot ceea ce fac computerele moderne se rezumă în cele din urmă la aceste comutatoare.

Timp de zeci de ani, am îmbunătățit puterea de calcul prin creșterea densității tranzistorilor pe microcipuri. În timp ce primul microcip conținea doar un tranzistor, astăzi putem încapsula miliarde de aceste întrerupătoare minuscule în cipuri de dimensiunea unei unghii.

Primul microcip a fost fabricat din germaniu, dar industria tehnologiei și-a dat seama rapid de astasiliciua fost un material superior pentru fabricarea așchiilor. Avantajele principale ale siliciului includ abundența, costul scăzut și punctul de topire mai ridicat, ceea ce înseamnă că are performanțe mai bune la temperaturi ridicate. În plus, siliciul este ușor de „dopat” cu alte materiale, permițând inginerilor să-și ajusteze conductibilitatea în diferite moduri.

Cu ce ​​provocări se confruntă siliciul în calculul modern?

Strategia clasică de a crea computere mai rapide și mai puternice prin micșorarea continuă a tranzistorilorsiliciujetoanele începe să se clatine. Deep Jariwala, profesor de inginerie la Universitatea din Pennsylvania, a declarat într-un interviu din 2022 pentru The Wall Street Journal: „În timp ce siliciul poate funcționa la dimensiuni atât de mici, eficiența energetică necesară pentru un calcul a crescut, făcându-l extrem de nesustenabil. Din punct de vedere energetic, nu mai are sens.”

Pentru a continua să ne îmbunătățim tehnologia fără a dăuna în continuare mediului, trebuie să abordăm această problemă de durabilitate. În această urmărire, unii cercetători examinează îndeaproape cipurile fabricate din materiale semiconductoare, altele decât siliciul, inclusiv nitrura de galiu (GaN), un compus fabricat din galiu și azot.

De ce atrage atenția nitrura de galiu ca material semiconductor?

Conductivitatea electrică a semiconductorilor variază, în primul rând datorită a ceea ce este cunoscut sub numele de „bandgap”. Protonii și neutronii se grupează în nucleu, în timp ce electronii orbitează în jurul acestuia. Pentru ca un material să conducă electricitatea, electronii trebuie să poată sări de la „banda de valență” la „banda de conducere”. Energia minimă necesară pentru această tranziție definește bandgap-ul materialului.

În conductoare, aceste două regiuni se suprapun, rezultând nicio bandgap - electronii pot trece liber prin aceste materiale. În izolatoare, banda interzisă este foarte mare, ceea ce face dificilă traversarea electronilor chiar și cu o energie semnificativă aplicată. Semiconductorii, precum siliciul, ocupă un punct de mijloc;siliciuare o bandgap de 1,12 electron volți (eV), în timp ce nitrura de galiu se mândrește cu o bandgap de 3,4 eV, catalogându-l drept „semiconductor cu bandgap largă” (WBGS).

Materialele WBGS sunt mai aproape de izolatorii din spectrul de conductivitate, necesitând mai multă energie pentru ca electronii să se deplaseze între cele două benzi, făcându-le nepotrivite pentru aplicații de foarte joasă tensiune. Cu toate acestea, WBGS poate funcționa la tensiuni, temperaturi și frecvențe de energie mai mari decâtpe bază de siliciusemiconductori, permițând dispozitivelor care le folosesc să ruleze mai rapid și mai eficient.

Rachel Oliver, directorul Cambridge GaN Centre, a declarat pentru Freethink: „Dacă pui mâna pe un încărcător de telefon, se va simți fierbinte; aceasta este energia risipită de cipurile de siliciu. Încărcătoarele GaN se simt mult mai reci la atingere – există mult mai puțină energie risipită.”

Galiul și compușii săi au fost utilizați în industria tehnologică de zeci de ani, inclusiv în diode emițătoare de lumină, lasere, radare militare, sateliți și celule solare. Cu toate acestea,nitrură de galiueste în prezent în centrul atenției cercetătorilor care speră să facă tehnologia mai puternică și mai eficientă din punct de vedere energetic.

Ce implicații are nitrura de galiu pentru viitor?

După cum a menționat Oliver, încărcătoarele de telefoane GaN sunt deja pe piață, iar cercetătorii își propun să folosească acest material pentru a dezvolta încărcătoare pentru vehicule electrice mai rapide, abordând o preocupare semnificativă a consumatorilor în ceea ce privește vehiculele electrice. „Dispozitive precum vehiculele electrice se pot încărca mult mai repede”, a spus Oliver. „Pentru orice necesită putere portabilă și încărcare rapidă, nitrura de galiu are un potențial semnificativ.”

Nitrură de galiupoate, de asemenea, să îmbunătățească sistemele radar ale aeronavelor militare și dronelor, permițându-le să identifice ținte și amenințări de la distanțe mai mari și să îmbunătățească eficiența serverelor centrelor de date, ceea ce este crucial pentru a face revoluția AI accesibilă și durabilă.

Dat fiindnitrură de galiuexcelează în multe aspecte și există de ceva timp, de ce industria microcipurilor continuă să construiască în jurul siliciului? Răspunsul, ca întotdeauna, constă în cost: cipurile GaN sunt mai scumpe și mai complexe de fabricat. Reducerea costurilor și extinderea producției va dura timp, dar guvernul SUA lucrează activ pentru a demara această industrie emergentă.

În februarie 2024, Statele Unite au alocat 1,5 miliarde de dolari companiei de producție de semiconductori GlobalFoundries în cadrul CHIPS and Science Act pentru a extinde producția internă de cipuri.

 O parte din aceste fonduri va fi utilizată pentru a moderniza o unitate de producție din Vermont, permițându-i să producă în masă.nitrură de galiu(GaN), o capacitate care nu este realizată în prezent în SUA. Potrivit anunțului de finanțare, acești semiconductori vor fi utilizați în vehicule electrice, centre de date, smartphone-uri, rețele electrice și alte tehnologii. 

Cu toate acestea, chiar dacă SUA reușesc să restabilească operațiunile normale în sectorul său de producție, producția deGaNchips-uri depinde de o aprovizionare stabilă de galiu, care în prezent nu este garantată. 

Deși galiul nu este rar - este prezent în scoarța terestră la niveluri comparabile cu cuprul - nu există în depozite mari, care pot fi exploatate, cum ar fi cuprul. Cu toate acestea, urme de galiu pot fi găsite în minereurile care conțin aluminiu și zinc, permițând colectarea acestuia în timpul procesării acestor elemente. 

Începând cu 2022, aproximativ 90% din galiu din lume a fost produs în China. Între timp, SUA nu a mai produs galiu din anii 1980, cu 53% din galiu importat din China, iar restul provenind din alte țări. 

În iulie 2023, China a anunțat că va începe să restricționeze exporturile de galiu și alt material, germaniu, din motive de securitate națională. 

Reglementările Chinei nu interzic definitiv exporturile de galiu către SUA, dar impun potențialilor cumpărători să solicite permise și să obțină aprobarea de la guvernul chinez. 

Contractorii de apărare din SUA sunt aproape siguri că se vor confrunta cu respingeri, mai ales dacă sunt listați pe „lista de entități nesigure” a Chinei. Până acum, aceste restricții par să fi dus la creșterea prețurilor galiului și la prelungirea timpului de livrare a comenzilor pentru majoritatea producătorilor de cipuri, mai degrabă decât la o lipsă totală, deși China ar putea alege să-și întărească controlul asupra acestui material în viitor. 

Statele Unite au recunoscut de mult riscurile asociate cu dependența sa puternică de China pentru minerale critice – în timpul unei dispute cu Japonia din 2010, China a interzis temporar exportul de metale din pământuri rare. Până când China și-a anunțat restricțiile în 2023, SUA explora deja metode pentru a-și consolida lanțurile de aprovizionare. 

Alternativele posibile includ importul de galiu din alte țări, cum ar fi Canada (dacă pot crește suficient producția) și reciclarea materialului din deșeurile electronice - cercetarea în acest domeniu este finanțată de Agenția pentru Proiecte Avansate de Cercetare a Departamentului Apărării din SUA. 

Stabilirea unei aprovizionări interne de galiu este, de asemenea, o opțiune. 

Nyrstar, o companie cu sediul în Țările de Jos, a indicat că fabrica sa de zinc din Tennessee ar putea extrage suficient galiu pentru a satisface 80% din cererea actuală din SUA, dar construirea unității de procesare ar costa până la 190 de milioane de dolari. Compania negociază în prezent cu guvernul SUA pentru finanțarea extinderii.

Sursele potențiale de galiu includ și un depozit în Round Top, Texas. În 2021, U.S. Geological Survey a estimat că acest zăcământ conține aproximativ 36.500 de tone de galiu - prin comparație, China a produs 750 de tone de galiu în 2022. 

De obicei, galiul apare în urme și este extrem de dispersat; cu toate acestea, în martie 2024, American Critical Materials Corp. a descoperit un depozit cu o concentrație relativ mare de galiu de înaltă calitate în Pădurea Națională Kootenai din Montana. 

În prezent, galiul din Texas și Montana nu a fost încă extras, dar cercetătorii de la Laboratorul Național Idaho și American Critical Materials Corp. colaborează pentru a dezvolta o metodă prietenoasă cu mediul pentru obținerea acestui material. 

Galiul nu este singura opțiune pentru SUA de a îmbunătăți tehnologia microcipurilor — China poate produce cipuri mai avansate folosind unele materiale neconstrânse, care în unele cazuri pot depăși cipurile pe bază de galiu. 

În octombrie 2024, producătorul de cipuri Wolfspeed a asigurat o finanțare de până la 750 de milioane de dolari prin Legea CHIPS pentru a construi cea mai mare unitate de producție de cipuri cu carbură de siliciu (cunoscută și sub numele de SiC) din SUA. Acest tip de cip este mai scump decâtnitrură de galiudar este de preferat pentru anumite aplicații, cum ar fi centralele solare de mare putere. 

Oliver a spus pentru Freethink: „Nitrura de galiu se comportă foarte bine la anumite intervale de tensiunecarbură de siliciuse comporta mai bine la altii. Deci depinde de tensiunea și puterea cu care aveți de-a face.” 

SUA finanțează, de asemenea, cercetarea în domeniul microcipurilor bazate pe semiconductori cu bandă largă, care au o bandgap mai mare de 3,4 eV. Aceste materiale includ diamant, nitrură de aluminiu și nitrură de bor; deși sunt costisitoare și dificil de procesat, cipurile fabricate din aceste materiale ar putea oferi într-o zi funcționalități noi remarcabile la costuri de mediu mai mici.

 „Dacă vorbiți despre tipurile de tensiuni care ar putea fi implicate în transmiterea energiei eoliene offshore către rețeaua onshore,nitrură de galius-ar putea să nu fie potrivit, deoarece nu poate face față acestei tensiuni”, a explicat Oliver. „Materiale precum nitrura de aluminiu, care au o bandă largă, pot.”