Εξερευνώντας τις μελλοντικές προοπτικές των τσιπ ημιαγωγών πυριτίου

Τι καθορίζει τον ρόλο των ημιαγωγών στην τεχνολογία;

Τα υλικά μπορούν να ταξινομηθούν με βάση την ηλεκτρική τους αγωγιμότητα—το ρεύμα ρέει εύκολα στους αγωγούς αλλά δεν μπορεί στους μονωτές. Οι ημιαγωγοί βρίσκονται στο ενδιάμεσο: μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, καθιστώντας τους εξαιρετικά χρήσιμους στους υπολογιστές. Χρησιμοποιώντας τους ημιαγωγούς ως βάση για τα μικροτσίπ, μπορούμε να ελέγξουμε τη ροή του ηλεκτρισμού μέσα στις συσκευές, επιτρέποντας όλες τις αξιόλογες λειτουργίες στις οποίες βασιζόμαστε σήμερα.

Από την ίδρυσή τους,πυρίτιοέχει κυριαρχήσει στη βιομηχανία τσιπ και τεχνολογίας, οδηγώντας στον όρο «Silicon Valley». Ωστόσο, μπορεί να μην είναι το καταλληλότερο υλικό για μελλοντικές τεχνολογίες. Για να το κατανοήσουμε αυτό, πρέπει να επανεξετάσουμε τον τρόπο λειτουργίας των τσιπ, τις τρέχουσες τεχνολογικές προκλήσεις και τα υλικά που μπορεί να αντικαταστήσουν το πυρίτιο στο μέλλον.

Πώς τα μικροτσίπ μεταφράζουν τις εισόδους στη γλώσσα του υπολογιστή;

Τα μικροτσίπ είναι γεμάτα με μικροσκοπικούς διακόπτες που ονομάζονται τρανζίστορ, οι οποίοι μεταφράζουν τις εισόδους του πληκτρολογίου και τα προγράμματα λογισμικού σε γλώσσα υπολογιστή — δυαδικό κώδικα. Όταν ένας διακόπτης είναι ανοιχτός, το ρεύμα μπορεί να ρέει, αντιπροσωπεύοντας το '1'. όταν είναι κλειστό, δεν μπορεί, αντιπροσωπεύοντας ένα '0'. Όλα όσα κάνουν οι σύγχρονοι υπολογιστές καταλήγουν τελικά σε αυτούς τους διακόπτες.

Για δεκαετίες, έχουμε βελτιώσει την υπολογιστική ισχύ αυξάνοντας την πυκνότητα των τρανζίστορ σε μικροτσίπ. Ενώ το πρώτο μικροτσίπ περιείχε μόνο ένα τρανζίστορ, σήμερα μπορούμε να ενσωματώσουμε δισεκατομμύρια από αυτούς τους μικροσκοπικούς διακόπτες σε μάρκες μεγέθους ενός νυχιού.

Το πρώτο μικροτσίπ κατασκευάστηκε από γερμάνιο, αλλά η βιομηχανία τεχνολογίας το συνειδητοποίησε γρήγοραπυρίτιοήταν ένα ανώτερο υλικό για την κατασκευή τσιπ. Τα κύρια πλεονεκτήματα του πυριτίου περιλαμβάνουν την αφθονία, το χαμηλό κόστος και το υψηλότερο σημείο τήξης, που σημαίνει ότι αποδίδει καλύτερα σε υψηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, το πυρίτιο είναι εύκολο να «εμποτιστεί» με άλλα υλικά, επιτρέποντας στους μηχανικούς να προσαρμόσουν την αγωγιμότητά του με διάφορους τρόπους.

Ποιες προκλήσεις αντιμετωπίζει το πυρίτιο στη σύγχρονη πληροφορική;

Η κλασική στρατηγική της δημιουργίας ταχύτερων, πιο ισχυρών υπολογιστών με συνεχή συρρίκνωση των τρανζίστορπυρίτιοοι μάρκες έχουν αρχίσει να παραπαίουν. Ο Deep Jariwala, καθηγητής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, δήλωσε σε συνέντευξή του το 2022 στη Wall Street Journal, «Ενώ το πυρίτιο μπορεί να λειτουργήσει σε τόσο μικρές διαστάσεις, η ενεργειακή απόδοση που απαιτείται για έναν υπολογισμό έχει αυξηθεί, καθιστώντας τον εξαιρετικά μη βιώσιμο. Από ενεργειακή άποψη, δεν έχει πλέον νόημα».

Για να συνεχίσουμε να βελτιώνουμε την τεχνολογία μας χωρίς να βλάπτουμε περαιτέρω το περιβάλλον, πρέπει να αντιμετωπίσουμε αυτό το ζήτημα αειφορίας. Σε αυτή την επιδίωξη, ορισμένοι ερευνητές εξετάζουν προσεκτικά τα τσιπ που κατασκευάζονται από ημιαγωγικά υλικά εκτός από το πυρίτιο, συμπεριλαμβανομένου του νιτριδίου του γαλλίου (GaN), μιας ένωσης που κατασκευάζεται από γάλλιο και άζωτο.

Γιατί το νιτρίδιο του γαλλίου κερδίζει την προσοχή ως υλικό ημιαγωγών;

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών ποικίλλει, κυρίως λόγω αυτού που είναι γνωστό ως «διάκενο ζώνης». Τα πρωτόνια και τα νετρόνια συγκεντρώνονται στον πυρήνα, ενώ τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από αυτόν. Προκειμένου ένα υλικό να μεταφέρει ηλεκτρισμό, τα ηλεκτρόνια πρέπει να μπορούν να μεταπηδούν από τη «ζώνη σθένους» στη «ζώνη αγωγιμότητας». Η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για αυτή τη μετάβαση καθορίζει το διάκενο ζώνης του υλικού.

Στους αγωγούς, αυτές οι δύο περιοχές αλληλεπικαλύπτονται, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει διάκενο - τα ηλεκτρόνια μπορούν να περάσουν ελεύθερα μέσα από αυτά τα υλικά. Στους μονωτές, το διάκενο ζώνης είναι πολύ μεγάλο, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη διέλευση των ηλεκτρονίων ακόμη και με σημαντική ενέργεια που εφαρμόζεται. Οι ημιαγωγοί, όπως το πυρίτιο, καταλαμβάνουν μια μέση λύση.πυρίτιοέχει διάκενο ζώνης 1,12 ηλεκτρον βολτ (eV), ενώ το νιτρίδιο του γαλλίου μπορεί να υπερηφανεύεται για ένα διάκενο ζώνης 3,4 eV, κατηγοριοποιώντας το ως «ημιαγωγό ευρείας ζώνης» (WBGS).

Τα υλικά WBGS είναι πιο κοντά σε μονωτές στο φάσμα της αγωγιμότητας, απαιτώντας περισσότερη ενέργεια για να κινηθούν τα ηλεκτρόνια μεταξύ των δύο ζωνών, καθιστώντας τα ακατάλληλα για εφαρμογές πολύ χαμηλής τάσης. Ωστόσο, το WBGS μπορεί να λειτουργεί σε υψηλότερες τάσεις, θερμοκρασίες και συχνότητες ενέργειας από ό,τιμε βάση το πυρίτιοημιαγωγών, επιτρέποντας στις συσκευές που τους χρησιμοποιούν να λειτουργούν πιο γρήγορα και πιο αποτελεσματικά.

Η Rachel Oliver, διευθύντρια του Cambridge GaN Centre, είπε στο Freethink: «Αν βάλεις το χέρι σου σε έναν φορτιστή τηλεφώνου, θα αισθανθείς ζεστό. αυτή είναι η ενέργεια που σπαταλάται από τα τσιπ πυριτίου. Οι φορτιστές GaN αισθάνονται πολύ πιο δροσεροί στην αφή - υπάρχει σημαντικά λιγότερη σπατάλη ενέργειας.

Το γάλλιο και οι ενώσεις του έχουν χρησιμοποιηθεί στη βιομηχανία τεχνολογίας για δεκαετίες, συμπεριλαμβανομένων των διόδων εκπομπής φωτός, των λέιζερ, των στρατιωτικών ραντάρ, των δορυφόρων και των ηλιακών κυψελών. Ωστόσο,νιτρίδιο του γαλλίουείναι επί του παρόντος το επίκεντρο των ερευνητών που ελπίζουν να κάνουν την τεχνολογία πιο ισχυρή και ενεργειακά αποδοτική.

Τι επιπτώσεις έχει το νιτρίδιο του γαλλίου για το μέλλον;

Όπως ανέφερε ο Oliver, οι φορτιστές τηλεφώνου GaN είναι ήδη στην αγορά και οι ερευνητές στοχεύουν να αξιοποιήσουν αυτό το υλικό για να αναπτύξουν ταχύτερους φορτιστές ηλεκτρικών οχημάτων, αντιμετωπίζοντας μια σημαντική ανησυχία των καταναλωτών σχετικά με τα ηλεκτρικά οχήματα. «Συσκευές όπως τα ηλεκτρικά οχήματα μπορούν να φορτιστούν πολύ πιο γρήγορα», είπε ο Oliver. "Για οτιδήποτε απαιτεί φορητή ισχύ και γρήγορη φόρτιση, το νιτρίδιο του γαλλίου έχει σημαντικές δυνατότητες."

Νιτρίδιο του γαλλίουμπορεί επίσης να βελτιώσει τα συστήματα ραντάρ στρατιωτικών αεροσκαφών και drones, επιτρέποντάς τους να εντοπίζουν στόχους και απειλές από μεγαλύτερες αποστάσεις και να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητα των διακομιστών των κέντρων δεδομένων, κάτι που είναι ζωτικής σημασίας για να γίνει η επανάσταση της τεχνητής νοημοσύνης προσιτή και βιώσιμη.

Δοθέντος ότινιτρίδιο του γαλλίουυπερέχει σε πολλές πτυχές και υπάρχει εδώ και αρκετό καιρό, γιατί η βιομηχανία μικροτσίπ συνεχίζει να χτίζεται γύρω από το πυρίτιο; Η απάντηση, όπως πάντα, βρίσκεται στο κόστος: τα τσιπ GaN είναι πιο ακριβά και πολύπλοκα στην κατασκευή. Η μείωση του κόστους και η κλιμάκωση της παραγωγής θα απαιτήσει χρόνο, αλλά η κυβέρνηση των ΗΠΑ εργάζεται ενεργά για να ξεκινήσει αυτή την αναδυόμενη βιομηχανία.

Τον Φεβρουάριο του 2024, οι Ηνωμένες Πολιτείες διέθεσαν 1,5 δισεκατομμύρια δολάρια στην εταιρεία κατασκευής ημιαγωγών GlobalFoundries βάσει του νόμου CHIPS και Science Act για να επεκτείνουν την εγχώρια παραγωγή τσιπ.

 Ένα μέρος αυτών των κεφαλαίων θα χρησιμοποιηθεί για την αναβάθμιση μιας μονάδας παραγωγής στο Βερμόντ, επιτρέποντάς της να παράγει μαζικάνιτρίδιο του γαλλίουΗμιαγωγοί (GaN), μια δυνατότητα που δεν υλοποιείται επί του παρόντος στις ΗΠΑ. Σύμφωνα με την ανακοίνωση χρηματοδότησης, αυτοί οι ημιαγωγοί θα χρησιμοποιηθούν σε ηλεκτρικά οχήματα, κέντρα δεδομένων, smartphone, δίκτυα ισχύος και άλλες τεχνολογίες. 

Ωστόσο, ακόμα κι αν οι ΗΠΑ καταφέρουν να αποκαταστήσουν τις κανονικές λειτουργίες σε ολόκληρο τον κατασκευαστικό τους τομέα, η παραγωγήGaNchips εξαρτάται από μια σταθερή παροχή γαλλίου, η οποία επί του παρόντος δεν είναι εγγυημένη. 

Ενώ το γάλλιο δεν είναι σπάνιο - υπάρχει στον φλοιό της Γης σε επίπεδα συγκρίσιμα με τον χαλκό - δεν υπάρχει σε μεγάλα κοιτάσματα που μπορούν να εξορυχθούν όπως ο χαλκός. Ωστόσο, ίχνη γαλλίου μπορούν να βρεθούν σε μεταλλεύματα που περιέχουν αλουμίνιο και ψευδάργυρο, επιτρέποντας τη συλλογή του κατά την επεξεργασία αυτών των στοιχείων. 

Από το 2022, περίπου το 90% του παγκόσμιου γαλλίου παρήχθη στην Κίνα. Εν τω μεταξύ, οι ΗΠΑ δεν παράγουν γάλλιο από τη δεκαετία του 1980, με το 53% του γαλλίου τους να εισάγεται από την Κίνα και το υπόλοιπο να προέρχεται από άλλες χώρες. 

Τον Ιούλιο του 2023, η Κίνα ανακοίνωσε ότι θα αρχίσει να περιορίζει τις εξαγωγές γαλλίου και άλλου υλικού, του γερμανίου, για λόγους εθνικής ασφάλειας. 

Οι κανονισμοί της Κίνας δεν απαγορεύουν οριστικά τις εξαγωγές γαλλίου στις ΗΠΑ, αλλά απαιτούν από τους πιθανούς αγοραστές να υποβάλουν αίτηση για άδειες και να λάβουν έγκριση από την κινεζική κυβέρνηση. 

Οι αμυντικοί εργολάβοι των ΗΠΑ είναι σχεδόν βέβαιο ότι θα αντιμετωπίσουν απορρίψεις, ειδικά εάν περιλαμβάνονται στον «κατάλογο αναξιόπιστων οντοτήτων» της Κίνας. Μέχρι στιγμής, αυτοί οι περιορισμοί φαίνεται να οδήγησαν σε αυξημένες τιμές γαλλίου και παρατεταμένους χρόνους παράδοσης παραγγελιών για τους περισσότερους κατασκευαστές chip, παρά σε πλήρη έλλειψη, αν και η Κίνα μπορεί να επιλέξει να ενισχύσει τον έλεγχό της σε αυτό το υλικό στο μέλλον. 

Οι ΗΠΑ έχουν από καιρό αναγνωρίσει τους κινδύνους που συνδέονται με τη μεγάλη εξάρτησή τους από την Κίνα για κρίσιμα ορυκτά - κατά τη διάρκεια μιας διαμάχης με την Ιαπωνία το 2010, η Κίνα απαγόρευσε προσωρινά την εξαγωγή μετάλλων σπάνιων γαιών. Μέχρι τη στιγμή που η Κίνα ανακοίνωσε τους περιορισμούς της το 2023, οι ΗΠΑ ήδη διερευνούσαν μεθόδους για να ενισχύσουν τις αλυσίδες εφοδιασμού τους. 

Πιθανές εναλλακτικές λύσεις περιλαμβάνουν την εισαγωγή γαλλίου από άλλες χώρες, όπως ο Καναδάς (αν μπορούν να αυξήσουν επαρκώς την παραγωγή) και την ανακύκλωση του υλικού από ηλεκτρονικά απόβλητα - η έρευνα σε αυτόν τον τομέα χρηματοδοτείται από την Υπηρεσία Προηγμένων Ερευνητικών Έργων του Υπουργείου Άμυνας των ΗΠΑ. 

Η δημιουργία εγχώριας προμήθειας γαλλίου είναι επίσης μια επιλογή. 

Η Nyrstar, μια εταιρεία με έδρα στην Ολλανδία, ανέφερε ότι το εργοστάσιο ψευδαργύρου στο Τενεσί θα μπορούσε να εξάγει αρκετό γάλλιο για να καλύψει το 80% της τρέχουσας ζήτησης των ΗΠΑ, αλλά η κατασκευή της μονάδας επεξεργασίας θα κόστιζε έως και 190 εκατομμύρια δολάρια. Η εταιρεία βρίσκεται επί του παρόντος σε διαπραγματεύσεις με την κυβέρνηση των ΗΠΑ για χρηματοδότηση επέκτασης.

Οι πιθανές πηγές γαλλίου περιλαμβάνουν επίσης ένα κοίτασμα στο Round Top του Τέξας. Το 2021, το Γεωλογικό Ινστιτούτο των ΗΠΑ υπολόγισε ότι αυτό το κοίτασμα περιέχει περίπου 36.500 τόνους γαλλίου - σε σύγκριση, η Κίνα παρήγαγε 750 τόνους γαλλίου το 2022. 

Τυπικά, το γάλλιο εμφανίζεται σε ίχνη και είναι εξαιρετικά διασκορπισμένο. Ωστόσο, τον Μάρτιο του 2024, η American Critical Materials Corp. ανακάλυψε ένα κοίτασμα με σχετικά υψηλή συγκέντρωση γαλλίου υψηλής ποιότητας στο Εθνικό Δάσος Kootenai στη Μοντάνα. 

Επί του παρόντος, το γάλλιο από το Τέξας και τη Μοντάνα δεν έχει ακόμη εξαχθεί, αλλά ερευνητές από το Εθνικό Εργαστήριο του Αϊντάχο και την American Critical Materials Corp. συνεργάζονται για να αναπτύξουν μια φιλική προς το περιβάλλον μέθοδο για την απόκτηση αυτού του υλικού. 

Το γάλλιο δεν είναι η μόνη επιλογή για τις ΗΠΑ για τη βελτίωση της τεχνολογίας μικροτσίπ - η Κίνα μπορεί να παράγει πιο προηγμένα τσιπ χρησιμοποιώντας ορισμένα υλικά χωρίς περιορισμούς, τα οποία σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να υπερτερούν των τσιπ που βασίζονται στο γάλλιο. 

Τον Οκτώβριο του 2024, ο κατασκευαστής τσιπ Wolfspeed εξασφάλισε έως και 750 εκατομμύρια δολάρια σε χρηματοδότηση μέσω του νόμου CHIPS για την κατασκευή της μεγαλύτερης μονάδας παραγωγής τσιπ καρβιδίου του πυριτίου (επίσης γνωστή ως SiC) στις ΗΠΑ. Αυτός ο τύπος τσιπ είναι πιο ακριβός απόνιτρίδιο του γαλλίουαλλά είναι προτιμότερο για ορισμένες εφαρμογές, όπως ηλιακούς σταθμούς υψηλής ισχύος. 

Ο Oliver είπε στο Freethink, «Το νιτρίδιο του γαλλίου αποδίδει πολύ καλά σε ορισμένες περιοχές τάσης, ενώκαρβίδιο του πυριτίουαποδίδει καλύτερα σε άλλους. Επομένως, εξαρτάται από την τάση και την ισχύ με την οποία αντιμετωπίζετε.» 

Οι ΗΠΑ χρηματοδοτούν επίσης έρευνα σε μικροτσίπ που βασίζονται σε ημιαγωγούς ευρείας ζώνης, οι οποίοι έχουν διάκενο ζώνης μεγαλύτερο από 3,4 eV. Αυτά τα υλικά περιλαμβάνουν το διαμάντι, το νιτρίδιο του αργιλίου και το νιτρίδιο του βορίου. Αν και είναι δαπανηρή και δύσκολη η επεξεργασία τους, τα τσιπ που κατασκευάζονται από αυτά τα υλικά μπορεί μια μέρα να προσφέρουν αξιοσημείωτες νέες λειτουργίες με χαμηλότερο περιβαλλοντικό κόστος.

 «Αν μιλάτε για τους τύπους τάσεων που μπορεί να εμπλέκονται στη μετάδοση υπεράκτιας αιολικής ενέργειας στο χερσαίο δίκτυο,νιτρίδιο του γαλλίουμπορεί να μην είναι κατάλληλο, καθώς δεν μπορεί να διαχειριστεί αυτή την τάση», εξήγησε ο Όλιβερ. «Υλικά όπως το νιτρίδιο του αλουμινίου, τα οποία έχουν μεγάλο διάκενο, μπορούν».