Истраживање будућих изгледа силицијумских полупроводничких чипова

Шта дефинише улогу полупроводника у технологији?

Материјали се могу класификовати на основу њихове електричне проводљивости - струја лако тече у проводницима, али не може у изолаторима. Полупроводници су између: они могу да проводе електричну енергију под одређеним условима, што их чини изузетно корисним у рачунарству. Коришћењем полупроводника као основе за микрочипове, можемо да контролишемо проток електричне енергије унутар уређаја, омогућавајући све изванредне функције на које се данас ослањамо.

Од њиховог настанка,силицијумје доминирао у индустрији чипова и технологије, што је довело до израза „Силицијумска долина“. Међутим, то можда није најпогоднији материјал за будуће технологије. Да бисмо ово разумели, морамо поново да погледамо како чипови функционишу, тренутне технолошке изазове и материјале који би могли заменити силицијум у будућности.

Како микрочипови преводе уносе на рачунарски језик?

Микрочипови су испуњени сићушним прекидачима званим транзистори, који преводе уносе са тастатуре и софтверске програме у рачунарски језик — бинарни код. Када је прекидач отворен, струја може да тече, што представља '1'; када је затворен, не може, што представља '0'. Све што савремени рачунари раде на крају се своди на ове прекидаче.

Деценијама смо побољшавали рачунарску снагу повећањем густине транзистора на микрочиповима. Док је први микрочип садржао само један транзистор, данас можемо да инкапсулирамо милијарде ових сићушних прекидача у чипове величине нокта.

Први микрочип је направљен од германијума, али је технолошка индустрија то брзо схватиласилицијумје био врхунски материјал за производњу чипова. Примарне предности силицијума укључују његову обиље, ниску цену и вишу тачку топљења, што значи да ради боље на повишеним температурама. Поред тога, силицијум се лако „допира“ другим материјалима, омогућавајући инжењерима да прилагоде његову проводљивост на различите начине.

Са којим изазовима се суочава силицијум у модерном рачунарству?

Класична стратегија стварања бржих, моћнијих рачунара сталним скупљањем транзисторасилицијумчипс почиње да посустаје. Дееп Јаривала, професор инжењерства на Универзитету у Пенсилванији, изјавио је у интервјуу за Тхе Валл Стреет Јоурнал из 2022. године: „Иако силицијум може да ради на тако малим димензијама, енергетска ефикасност потребна за прорачун расте, што га чини изузетно неодрживим. Са енергетског становишта, то више нема смисла.”

Да бисмо наставили да унапређујемо нашу технологију без даљег наношења штете животној средини, морамо да се позабавимо овим питањем одрживости. У овој потрази, неки истраживачи помно испитују чипове направљене од полупроводничких материјала који нису силицијум, укључујући галијум нитрид (ГаН), једињење направљено од галијума и азота.

Зашто галијум нитрид привлачи пажњу као полупроводнички материјал?

Електрична проводљивост полупроводника варира, првенствено због онога што је познато као "појасни размак". Протони и неутрони се групишу у језгру, док електрони круже око њега. Да би материјал могао проводити електричну енергију, електрони морају бити у стању да скоче из „валентног појаса“ у „појас проводљивости“. Минимална енергија потребна за ову транзицију дефинише размак материјала.

У проводницима, ова два региона се преклапају, што резултира без размака - електрони могу слободно да прођу кроз ове материјале. У изолаторима, размак је веома велик, што отежава пролазак електрона чак и са значајном примењеном енергијом. Полупроводници, попут силицијума, заузимају средину;силицијумима појас од 1,12 електрон-волти (еВ), док се галијум нитрид може похвалити појасним размаком од 3,4 еВ, категоришући га као „широкопојасни полупроводник“ (ВБГС).

ВБГС материјали су ближи изолаторима у спектру проводљивости, захтевајући више енергије за кретање електрона између два опсега, што их чини неприкладним за апликације на веома ниском напону. Међутим, ВБГС може да ради на вишим напонима, температурама и енергетским фреквенцијама одна бази силицијумаполупроводника, омогућавајући уређајима који их користе да раде брже и ефикасније.

Рејчел Оливер, директорка Кембриџ ГаН центра, рекла је за Фреетхинк: „Ако ставите руку на пуњач за телефон, биће вам вруће; то је енергија коју троше силицијумски чипови. ГаН пуњачи су много хладнији на додир – има знатно мање расипања енергије.“

Галијум и његова једињења се деценијама користе у технолошкој индустрији, укључујући диоде које емитују светлост, ласере, војне радаре, сателите и соларне ћелије. међутим,галијум нитридаје тренутно у фокусу истраживача који се надају да ће технологија учинити моћнијом и енергетски ефикаснијом.

Какве импликације има галијум нитрид за будућност?

Као што је Оливер поменуо, ГаН пуњачи за телефоне су већ на тржишту, а истраживачи имају за циљ да искористе овај материјал за развој бржих пуњача за електрична возила, решавајући значајну забринутост потрошача у вези са електричним возилима. „Уређаји попут електричних возила могу се пунити много брже“, рекао је Оливер. "За све што захтева преносиву снагу и брзо пуњење, галијум нитрид има значајан потенцијал."

Галијум нитридтакође може побољшати радарске системе војних авиона и беспилотних летелица, омогућавајући им да идентификују мете и претње са веће удаљености, и побољшају ефикасност сервера центара података, што је кључно да би револуција вештачке интелигенције била приступачна и одржива.

С обзиром на тогалијум нитридаистиче се у многим аспектима и постоји већ неко време, зашто индустрија микрочипова наставља да се гради око силицијума? Одговор, као и увек, лежи у цени: ГаН чипови су скупљи и сложенији за производњу. Смањење трошкова и повећање производње ће потрајати, али америчка влада активно ради на покретању ове индустрије у настајању.

У фебруару 2024. Сједињене Државе су доделиле 1,5 милијарди долара компанији за производњу полупроводника ГлобалФоундриес према Закону о ЦХИПС-у и науци за проширење домаће производње чипова.

 Део ових средстава биће употребљен за надоградњу производног погона у Вермонту, омогућавајући му масовну производњугалијум нитрида(ГаН) полупроводници, способност која тренутно није реализована у САД. Према најави финансирања, ови полупроводници ће се користити у електричним возилима, дата центрима, паметним телефонима, електричним мрежама и другим технологијама. 

Међутим, чак и ако САД успеју да обнове нормално пословање у свом производном сектору, производњаГаНчипова зависи од стабилног снабдевања галијумом, што тренутно није загарантовано. 

Иако галијум није реткост – присутан је у Земљиној кори на нивоима који су упоредиви са бакром – он не постоји у великим налазиштима за вађење попут бакра. Без обзира на то, количине галијума у ​​траговима се могу наћи у рудама које садрже алуминијум и цинк, што омогућава његово сакупљање током обраде ових елемената. 

Од 2022. године, отприлике 90% светског галијума произведено је у Кини. У међувремену, САД нису производиле галијум од 1980-их, при чему се 53% галијума увози из Кине, а остатак долази из других земаља. 

У јулу 2023. Кина је објавила да ће почети да ограничава извоз галијума и другог материјала, германијума, из разлога националне безбедности. 

Кинески прописи не забрањују директно извоз галијума у ​​САД, али захтевају од потенцијалних купаца да се пријаве за дозволе и добију одобрење од кинеске владе. 

Амерички одбрамбени извођачи готово су сигурни да ће се суочити са одбијањем, посебно ако су наведени на кинеској „листи непоузданих субјеката“. Чини се да су до сада ова ограничења резултирала повећањем цена галијума и продуженим роковима испоруке за већину произвођача чипова, а не потпуним недостатком, иако би Кина могла одлучити да пооштри контролу над овим материјалом у будућности. 

САД су одавно препознале ризике повезане са великим ослањањем на Кину у погледу критичних минерала — током спора са Јапаном 2010. године, Кина је привремено забранила извоз ретких земних метала. У време када је Кина објавила своја ограничења 2023. године, САД су већ истраживале методе за јачање својих ланаца снабдевања. 

Могуће алтернативе укључују увоз галијума из других земаља, као што је Канада (ако могу у довољној мери да повећају производњу) и рециклирање материјала из електронског отпада – истраживање у овој области финансира Агенција за напредна истраживања Министарства одбране САД. 

Успостављање домаћег снабдевања галијумом је такође опција. 

Нирстар, компанија са седиштем у Холандији, навела је да би њена фабрика цинка у Тенесију могла да извуче довољно галијума да задовољи 80% тренутне потражње САД, али би изградња постројења за прераду коштала до 190 милиона долара. Компанија тренутно преговара са владом САД о финансирању проширења.

Потенцијални извори галијума такође укључују лежиште у Роунд Топу, Тексас. Године 2021., Амерички геолошки завод је проценио да ово налазиште садржи приближно 36.500 тона галијума — за поређење, Кина је 2022. произвела 750 тона галијума. 

Типично, галијум се јавља у траговима и изузетно је распршен; међутим, у марту 2024. године, Америцан Цритицал Материалс Цорп. открила је лежиште са релативно високом концентрацијом висококвалитетног галијума у ​​Националној шуми Коотенаи у Монтани. 

Тренутно, галијум из Тексаса и Монтане тек треба да се извуче, али истраживачи из Националне лабораторије Идахо и Америцан Цритицал Материалс Цорп. сарађују на развоју еколошки прихватљивог метода за добијање овог материјала. 

Галијум није једина опција за САД да унапреде технологију микрочипова – Кина може да производи напредније чипове користећи неке неограничене материјале, који у неким случајевима могу надмашити чипове засноване на галијуму. 

У октобру 2024., произвођач чипова Волфспеед је обезбедио до 750 милиона долара финансирања кроз ЦХИПС Ацт за изградњу највеће фабрике за производњу чипова од силицијум карбида (такође познатог као СиЦ) у САД. Овај тип чипа је скупљи одгалијум нитридаали је пожељно за одређене примене, као што су соларне електране велике снаге. 

Оливер је рекао Фреетхинк-у: „Галијум нитрид ради веома добро на одређеним напонским опсезима, доксилицијум карбидаделује боље код других. Дакле, зависи од напона и снаге са којом имате посла." 

САД такође финансирају истраживања микрочипова заснованих на полупроводницима широког појаса, који имају ширину појаса већи од 3,4 еВ. Ови материјали укључују дијамант, алуминијум нитрид и бор нитрид; иако су скупи и изазовни за обраду, чипови направљени од ових материјала могу једног дана понудити изванредне нове функционалности уз ниже еколошке трошкове.

 „Ако говорите о врстама напона који би могли бити укључени у преношење енергије ветра на мору на копнену мрежу,галијум нитридаможда није прикладан, јер не може да издржи тај напон“, објаснио је Оливер. "Материјали као што је алуминијум нитрид, који имају широки појас, могу."