Истражување на идните изгледи на силиконските полупроводнички чипови

Што ја дефинира улогата на полупроводниците во технологијата?

Материјалите може да се класифицираат врз основа на нивната електрична спроводливост - струјата лесно тече во проводниците, но не може во изолаторите. Полупроводниците спаѓаат помеѓу: тие можат да спроведат електрична енергија под специфични услови, што ги прави исклучително корисни во пресметките. Со користење на полупроводници како основа за микрочипови, можеме да го контролираме протокот на електрична енергија во уредите, овозможувајќи ги сите извонредни функции на кои се потпираме денес.

Од нивното основање,силикондоминираше во индустријата за чипови и технологија, што доведе до терминот „Силиконската долина“. Сепак, можеби не е најсоодветен материјал за идните технологии. За да го разбереме ова, мора повторно да погледнеме како функционираат чиповите, тековните технолошки предизвици и материјалите што може да го заменат силиконот во иднина.

Како микрочиповите ги преведуваат влезовите на компјутерски јазик?

Микрочиповите се полни со мали прекинувачи наречени транзистори, кои ги преведуваат влезовите од тастатурата и софтверските програми на компјутерски јазик - бинарен код. Кога прекинувачот е отворен, струјата може да тече, што претставува '1'; кога е затворен, не може, што претставува „0“. Сè што прават модерните компјутери на крајот се сведува на овие прекинувачи.

Со децении, ја подобрувавме компјутерската моќ со зголемување на густината на транзисторите на микрочиповите. Додека првиот микрочип содржеше само еден транзистор, денес можеме да инкапсулираме милијарди од овие мали прекинувачи во чипови со големина на нокт.

Првиот микрочип беше направен од германиум, но технолошката индустрија брзо го сфати тоасиликонбеше супериорен материјал за производство на чипови. Примарните предности на силиконот го вклучуваат неговото изобилство, ниска цена и повисока точка на топење, што значи дека има подобри перформанси на покачени температури. Дополнително, силиконот лесно се „допингува“ со други материјали, што им овозможува на инженерите да ја прилагодат неговата спроводливост на различни начини.

Со какви предизвици се соочува силиконот во модерните компјутери?

Класичната стратегија за создавање побрзи, помоќни компјутери со постојано намалување на транзисторитесиликончипсот почнува да попушта. Дип Јаривала, професор по инженерство на Универзитетот во Пенсилванија, во интервју за The Wall Street Journal во 2022 година изјави: „Додека силиконот може да работи на толку мали димензии, енергетската ефикасност потребна за пресметување се зголемува, што го прави крајно неодржлив. Од енергетска гледна точка, повеќе нема смисла“.

За да продолжиме да ја подобруваме нашата технологија без дополнително да ѝ штетиме на животната средина, мора да го решиме ова прашање за одржливост. Во оваа потрага, некои истражувачи внимателно ги испитуваат чиповите направени од полупроводнички материјали различни од силициумот, вклучувајќи го и галиум нитрид (GaN), соединение направено од галиум и азот.

Зошто галиум нитридот привлекува внимание како полупроводнички материјал?

Електричната спроводливост на полупроводниците варира, првенствено поради она што е познато како „пропустливост“. Протоните и неутроните се собираат во јадрото, додека електроните орбитираат околу него. За материјалот да спроведува електрична енергија, електроните мора да бидат способни да скокаат од „валентниот опсег“ до „појасот на спроводливост“. Минималната енергија потребна за оваа транзиција го дефинира опсегот на материјалот.

Во спроводниците, овие два региони се преклопуваат, што резултира со никаков пропуст - електроните можат слободно да минуваат низ овие материјали. Во изолаторите, процепот е многу голем, што го отежнува поминувањето на електроните дури и со примена на значителна енергија. Полупроводниците, како силикон, заземаат средна основа;силиконима пропуст од 1,12 електрон волти (eV), додека галиум нитрид може да се пофали со пропуст од 3,4 eV, категоризирајќи го како „полупроводник со широк опсег“ (WBGS).

WBGS материјалите се поблиску до изолаторите во спектарот на спроводливост, барајќи повеќе енергија за електроните да се движат помеѓу двете опсези, што ги прави несоодветни за апликации со многу низок напон. Сепак, WBGS може да работи на повисоки напони, температури и енергетски фреквенции отколкуна база на силиконполупроводници, овозможувајќи им на уредите што ги користат да работат побрзо и поефикасно.

Рејчел Оливер, директорка на Cambridge GaN центарот, изјави за Freethink: „Ако ја ставите раката на полнач за телефон, ќе ви биде жешко; тоа е енергијата потрошена од силиконските чипови. Полначите GaN се чувствуваат многу поладни на допир - има значително помалку потрошена енергија.

Галиумот и неговите соединенија се користат во технолошката индустрија со децении, вклучително и во диоди што емитуваат светлина, ласери, воени радари, сателити и соларни ќелии. Сепак,галиум нитридмоментално е во фокусот на истражувачите кои се надеваат дека ќе ја направат технологијата помоќна и енергетски поефикасна.

Какви импликации има галиум нитрид за иднината?

Како што спомена Оливер, полначите за телефони GaN се веќе на пазарот, а истражувачите имаат за цел да го искористат овој материјал за да развијат побрзи полначи за електрични возила, адресирање на значителна загриженост на потрошувачите во врска со електричните возила. „Уредите како електричните возила можат да се полнат многу побрзо“, рече Оливер. „За сè што бара пренослива енергија и брзо полнење, галиум нитридот има значителен потенцијал“.

Галиум нитридможе исто така да ги подобри радарските системи на воените авиони и беспилотните летала, овозможувајќи им да идентификуваат цели и закани од поголеми растојанија и да ја подобрат ефикасноста на серверите на центрите за податоци, што е клучно за да се направи револуцијата на вештачката интелигенција достапна и одржлива.

Со оглед на тоагалиум нитридсе истакнува во многу аспекти и постои веќе некое време, зошто индустријата за микрочипови продолжува да се гради околу силиконот? Одговорот, како и секогаш, лежи во цената: GaN чиповите се поскапи и покомплексни за производство. Намалувањето на трошоците и зголемувањето на производството ќе потрае, но американската влада активно работи на отпочнување на оваа индустрија во развој.

Во февруари 2024 година, Соединетите Држави доделија 1,5 милијарди долари на компанијата за производство на полупроводници GlobalFoundries според Законот за ЧИПС и наука за проширување на домашното производство на чипови.

 Дел од овие средства ќе бидат искористени за надградба на производствен погон во Вермонт, што ќе му овозможи масовно производствогалиум нитрид(GaN) полупроводници, способност што во моментов не е реализирана во САД. Според најавата за финансирање, овие полупроводници ќе се користат во електрични возила, центри за податоци, паметни телефони, електрични мрежи и други технологии. 

Сепак, дури и ако САД успеат да ги вратат нормалните операции низ нивниот производствен сектор, производството наGaNчипсот зависи од стабилното снабдување со галиум, кое во моментов не е загарантирано. 

Иако галиумот не е редок - тој е присутен во Земјината кора на нивоа споредливи со бакарот - тој не постои во големи наоѓалишта што можат да се ископуваат како бакар. Сепак, трагите на галиум може да се најдат во рудите што содржат алуминиум и цинк, што овозможува негово собирање за време на обработката на овие елементи. 

Од 2022 година, приближно 90% од светскиот галиум се произведуваше во Кина. Во меѓувреме, САД не произведуваат галиум од 1980-тите, со 53% од нивниот галиум увезен од Кина, а остатокот од други земји. 

Во јули 2023 година, Кина објави дека ќе започне да го ограничува извозот на галиум и друг материјал, германиум, поради национална безбедност. 

Кинеските регулативи целосно не го забрануваат извозот на галиум во САД, но бараат од потенцијалните купувачи да аплицираат за дозволи и да добијат одобрение од кинеската влада. 

Американските одбранбени изведувачи речиси сигурно ќе се соочат со одбивања, особено ако се наведени на „списокот на несигурни ентитети“ на Кина. Досега, овие ограничувања се чини дека резултираа со зголемени цени на галиумот и продолжено време на испорака на нарачките за повеќето производители на чипови, наместо со целосен недостиг, иако Кина може да избере да ја заостри контролата врз овој материјал во иднина. 

САД долго време ги препознаа ризиците поврзани со нивната голема зависност од Кина за критичните минерали - за време на спорот со Јапонија во 2010 година, Кина привремено го забрани извозот на метали од ретки земји. До моментот кога Кина ги објави своите ограничувања во 2023 година, САД веќе истражуваа методи за зајакнување на синџирите на снабдување. 

Можните алтернативи вклучуваат увоз на галиум од други земји, како што е Канада (ако можат доволно да го зголемат производството) и рециклирање на материјалот од електронски отпад - истражувањата во оваа област се финансирани од Агенцијата за напредни истражувачки проекти на Министерството за одбрана на САД. 

Воспоставување на домашна понуда на галиум е исто така опција. 

Нирстар, компанија со седиште во Холандија, посочи дека нејзината фабрика за цинк во Тенеси може да извлече доволно галиум за да одговори на 80% од сегашната побарувачка во САД, но изградбата на постројката за преработка ќе чини до 190 милиони долари. Компанијата во моментов преговара со американската влада за финансирање за проширување.

Потенцијалните извори на галиум, исто така, вклучуваат депозит во Round Top, Тексас. Во 2021 година, Геолошкиот институт на САД процени дека ова наоѓалиште содржи приближно 36.500 тони галиум - за споредба, Кина произведе 750 тони галиум во 2022 година. 

Типично, галиумот се јавува во трагови и е екстремно дисперзиран; сепак, во март 2024 година, American Critical Materials Corp. откри наоѓалиште со релативно висока концентрација на висококвалитетен галиум во Националната шума Коотенаи во Монтана. 

Во моментов, галиум од Тексас и Монтана допрва треба да се екстрахира, но истражувачите од Националната лабораторија Ајдахо и Американската критична корпорација за материјали соработуваат за да развијат еколошки метод за добивање на овој материјал. 

Галиумот не е единствената опција за САД да ја подобрат технологијата на микрочипови - Кина може да произведе понапредни чипови користејќи некои неограничени материјали, кои во некои случаи може да ги надминат чиповите базирани на галиум. 

Во октомври 2024 година, производителот на чипови Wolfspeed обезбеди финансирање до 750 милиони американски долари преку Законот за CHIPS за изградба на најголемиот капацитет за производство на чипови на силициум карбид (исто така познат како SiC) во САД. Овој тип чипови е поскап одгалиум нитридно се претпочита за одредени примени, како што се соларни централи со висока моќност. 

Оливер изјави за Freethink: „Галиум нитридот делува многу добро на одредени опсези на напон, додекасилициум карбидима подобри резултати кај другите. Значи, зависи од напонот и моќноста со кои се занимавате“. 

Соединетите држави, исто така, финансираат истражување за микрочипови базирани на полупроводници со широк опсег, кои имаат пропуст поголем од 3,4 eV. Овие материјали вклучуваат дијамант, алуминиум нитрид и бор нитрид; иако се скапи и предизвикувачки за обработка, чиповите направени од овие материјали еден ден може да понудат извонредни нови функционалности со пониски еколошки трошоци.

 „Ако зборувате за типовите на напони кои би можеле да бидат вклучени во преносот на енергијата на ветерот од брегот до копнената мрежа,галиум нитридможеби не е соодветен, бидејќи не може да се справи со тој напон“, објасни Оливер. „Материјалите како алуминиум нитрид, кои имаат широка јаз, можат“.