Изучение будущих перспектив кремниевых полупроводниковых чипов

Чем определяется роль полупроводников в технике?

Материалы можно классифицировать по их электропроводности: ток легко течет в проводниках, но не протекает в изоляторах. Полупроводники занимают промежуточное положение: они могут проводить электричество при определенных условиях, что делает их чрезвычайно полезными в вычислениях. Используя полупроводники в качестве основы для микрочипов, мы можем контролировать поток электричества внутри устройств, обеспечивая выполнение всех замечательных функций, на которые мы полагаемся сегодня.

С момента их создания,кремнийдоминировала в индустрии чипов и технологий, что привело к появлению термина «Силиконовая долина». Однако, возможно, это не самый подходящий материал для будущих технологий. Чтобы понять это, мы должны еще раз взглянуть на то, как функционируют чипы, на текущие технологические проблемы и на материалы, которые могут заменить кремний в будущем.

Как микрочипы переводят входные данные на компьютерный язык?

Микрочипы заполнены крошечными переключателями, называемыми транзисторами, которые переводят ввод с клавиатуры и программы на компьютерный язык — двоичный код. Когда переключатель разомкнут, может течь ток, что соответствует «1»; в закрытом состоянии он не может, обозначая «0». Все, что делают современные компьютеры, в конечном итоге сводится к этим переключателям.

На протяжении десятилетий мы улучшали вычислительную мощность за счет увеличения плотности транзисторов на микрочипах. Хотя первый микрочип содержал всего один транзистор, сегодня мы можем поместить миллиарды этих крошечных переключателей в чипы размером с ноготь.

Первый микрочип был изготовлен из германия, но технологическая отрасль быстро поняла, чтокремнийбыл превосходным материалом для производства чипов. Основные преимущества кремния включают его распространенность, низкую стоимость и более высокую температуру плавления, что означает, что он лучше работает при повышенных температурах. Кроме того, кремний легко «легировать» другими материалами, что позволяет инженерам регулировать его проводимость различными способами.

С какими проблемами сталкивается кремний в современных вычислениях?

Классическая стратегия создания более быстрых и мощных компьютеров путем постоянного уменьшения размера транзисторов.кремнийчипы начинают давать сбои. Дип Джаривала, профессор инженерных наук Пенсильванского университета, заявил в интервью The Wall Street Journal в 2022 году: «Хотя кремний может работать при таких малых размерах, энергоэффективность, необходимая для вычислений, растет, что делает их крайне неустойчивыми. С энергетической точки зрения это больше не имеет смысла».

Чтобы продолжать совершенствовать наши технологии, не нанося при этом дальнейшего вреда окружающей среде, мы должны решить эту проблему устойчивого развития. В этом направлении некоторые исследователи внимательно изучают чипы, изготовленные из полупроводниковых материалов, отличных от кремния, включая нитрид галлия (GaN), соединение галлия и азота.

Почему нитрид галлия привлекает все больше внимания как полупроводниковый материал?

Электропроводность полупроводников варьируется, в первую очередь, из-за так называемой «зоны запрещенной зоны». Протоны и нейтроны группируются в ядре, а электроны вращаются вокруг него. Чтобы материал проводил электричество, электроны должны иметь возможность перепрыгивать из «валентной зоны» в «зону проводимости». Минимальная энергия, необходимая для этого перехода, определяет ширину запрещенной зоны материала.

В проводниках эти две области перекрываются, в результате чего запрещенная зона отсутствует — электроны могут свободно проходить через эти материалы. В изоляторах запрещенная зона очень велика, что затрудняет перемещение электронов даже при приложении значительной энергии. Полупроводники, как и кремний, занимают золотую середину;кремнийимеет ширину запрещенной зоны 1,12 электронвольта (эВ), а нитрид галлия имеет ширину запрещенной зоны 3,4 эВ, что позволяет отнести его к «широкозонному полупроводнику» (WBGS).

Материалы WBGS ближе к изоляторам по спектру проводимости, поэтому для перемещения электронов между двумя зонами требуется больше энергии, что делает их непригодными для приложений с очень низким напряжением. Однако WBGS может работать при более высоких напряжениях, температурах и энергетических частотах, чемна основе кремнияполупроводники, что позволяет устройствам, использующим их, работать быстрее и эффективнее.

Рэйчел Оливер, директор Кембриджского центра GaN, рассказала Freethink: «Если вы положите руку на зарядное устройство телефона, оно будет горячим; это энергия, которую тратят кремниевые чипы. Зарядные устройства GaN намного прохладнее на ощупь — тратится значительно меньше энергии».

Галлий и его соединения десятилетиями использовались в технологической отрасли, в том числе в светодиодах, лазерах, военных радарах, спутниках и солнечных элементах. Однако,нитрид галлияв настоящее время находится в центре внимания исследователей, которые надеются сделать технологии более мощными и энергоэффективными.

Какое значение имеет нитрид галлия для будущего?

Как упомянул Оливер, зарядные устройства для телефонов на основе GaN уже представлены на рынке, и исследователи стремятся использовать этот материал для разработки более быстрых зарядных устройств для электромобилей, решая значительную проблему потребителей в отношении электромобилей. «Устройства, подобные электромобилям, могут заряжаться гораздо быстрее», — сказал Оливер. «Для всего, что требует портативного питания и быстрой зарядки, нитрид галлия имеет значительный потенциал».

Нитрид галлияможет также улучшить радиолокационные системы военных самолетов и дронов, позволяя им идентифицировать цели и угрозы с больших расстояний, а также повысить эффективность серверов центров обработки данных, что имеет решающее значение для того, чтобы сделать революцию искусственного интеллекта доступной и устойчивой.

При условиинитрид галлияпревосходит во многих аспектах и ​​существует уже некоторое время, почему индустрия микрочипов продолжает строиться на кремнии? Ответ, как всегда, кроется в стоимости: чипы GaN более дороги и сложны в производстве. Сокращение затрат и масштабирование производства потребуют времени, но правительство США активно работает над тем, чтобы дать толчок этой развивающейся отрасли.

В феврале 2024 года Соединенные Штаты выделили 1,5 миллиарда долларов компании-производителю полупроводников GlobalFoundries в соответствии с Законом о CHIPS и науке для расширения внутреннего производства чипов.

 Часть этих средств будет использована для модернизации производственного предприятия в Вермонте, что позволит начать массовое производство.нитрид галлия(GaN) — возможность, которая в настоящее время не реализована в США. Согласно объявлению о финансировании, эти полупроводники будут использоваться в электромобилях, центрах обработки данных, смартфонах, электросетях и других технологиях. 

Однако даже если США удастся восстановить нормальную работу всего производственного сектора, производствоГаНПроизводство чипов зависит от стабильных поставок галлия, которые в настоящее время не гарантированы. 

Хотя галлий не является редкостью — он присутствует в земной коре в количествах, сравнимых с уровнем меди, — он не существует в крупных, пригодных для добычи месторождениях, таких как медь. Тем не менее, следовые количества галлия можно обнаружить в рудах, содержащих алюминий и цинк, что позволяет собирать его при переработке этих элементов. 

По состоянию на 2022 год около 90% мирового галлия производилось в Китае. Между тем, США не производят галлий с 1980-х годов: 53% галлия импортируется из Китая, а остальная часть поступает из других стран. 

В июле 2023 года Китай объявил, что начнет ограничивать экспорт галлия и другого материала, германия, по соображениям национальной безопасности. 

Правила Китая не запрещают прямой экспорт галлия в США, но требуют от потенциальных покупателей подать заявку на получение разрешений и получить одобрение китайского правительства. 

Американские оборонные подрядчики почти наверняка столкнутся с отказом, особенно если они включены в «список ненадежных организаций» Китая. На данный момент эти ограничения, похоже, привели к росту цен на галлий и увеличению сроков поставки заказов для большинства производителей чипов, а не к его явному дефициту, хотя Китай может принять решение ужесточить контроль над этим материалом в будущем. 

США давно осознали риски, связанные с их сильной зависимостью от Китая в вопросах добычи важнейших полезных ископаемых: во время спора с Японией в 2010 году Китай временно запретил экспорт редкоземельных металлов. К тому времени, когда Китай объявил о своих ограничениях в 2023 году, США уже изучали методы укрепления своих цепочек поставок. 

Возможные альтернативы включают импорт галлия из других стран, таких как Канада (если они смогут достаточно нарастить производство), и переработку материала из электронных отходов — исследования в этой области финансируются Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. 

Также возможен вариант налаживания внутренних поставок галлия. 

Компания Nyrstar, базирующаяся в Нидерландах, заявила, что ее цинковый завод в Теннесси может добыть достаточно галлия, чтобы удовлетворить 80% текущего спроса в США, но строительство перерабатывающего предприятия обойдется в 190 миллионов долларов. В настоящее время компания ведет переговоры с правительством США о финансировании расширения.

Потенциальные источники галлия также включают месторождение в Раунд-Топ, штат Техас. В 2021 году Геологическая служба США подсчитала, что это месторождение содержит около 36 500 тонн галлия — для сравнения, в 2022 году Китай произвел 750 тонн галлия. 

Обычно галлий встречается в следовых количествах и сильно рассеян; однако в марте 2024 года компания American Critical Materials Corp. обнаружила месторождение с относительно высокой концентрацией высококачественного галлия в Национальном лесу Кутенай в Монтане. 

В настоящее время галлий из Техаса и Монтаны еще не добыт, но исследователи из Национальной лаборатории Айдахо и Американской корпорации Critical Materials сотрудничают в разработке экологически чистого метода получения этого материала. 

Галлий — не единственный вариант для США улучшить технологию микрочипов: Китай может производить более совершенные чипы, используя некоторые неограниченные материалы, которые в некоторых случаях могут превосходить чипы на основе галлия. 

В октябре 2024 года производитель чипов Wolfspeed получил финансирование в размере до 750 миллионов долларов в рамках Закона о CHIPS для строительства крупнейшего в США предприятия по производству чипов из карбида кремния (также известного как SiC). Этот тип чипов дороже, чемнитрид галлияно предпочтителен для определенных применений, таких как мощные солнечные электростанции. 

Оливер рассказал Freethink: «Нитрид галлия очень хорошо работает в определенных диапазонах напряжения, в то время каккарбид кремнияработает лучше у других. Так что это зависит от напряжения и мощности, с которыми вы имеете дело». 

США также финансирует исследования микрочипов на основе широкозонных полупроводников, ширина запрещенной зоны которых превышает 3,4 эВ. К этим материалам относятся алмаз, нитрид алюминия и нитрид бора; хотя они дороги и сложны в обработке, чипы, изготовленные из этих материалов, однажды могут предложить замечательные новые функциональные возможности при меньших экологических затратах.

 «Если вы говорите о типах напряжений, которые могут использоваться при передаче энергии морского ветра в береговую сеть,нитрид галлияможет не подойти, поскольку не выдерживает такого напряжения», — объяснил Оливер. «Такие материалы, как нитрид алюминия, обладающие широкой запрещенной зоной, могут».