Paggalugad sa Hinaharap na mga Prospect ng Silicon Semiconductor Chips

Ano ang tumutukoy sa papel ng mga semiconductor sa teknolohiya?

Maaaring uriin ang mga materyales batay sa kanilang electrical conductivity—madaling dumadaloy ang kasalukuyang sa mga conductor ngunit hindi sa mga insulator. Ang mga semiconductor ay nasa pagitan: maaari silang magsagawa ng kuryente sa ilalim ng mga partikular na kundisyon, na ginagawa itong lubhang kapaki-pakinabang sa pag-compute. Sa pamamagitan ng paggamit ng mga semiconductors bilang pundasyon para sa mga microchip, makokontrol natin ang daloy ng kuryente sa loob ng mga device, na pinapagana ang lahat ng kahanga-hangang function na ating pinagkakatiwalaan ngayon.

Mula noong sila ay nagsimula,silikonay nangibabaw sa industriya ng chip at teknolohiya, na humahantong sa terminong "Silicon Valley." Gayunpaman, maaaring hindi ito ang pinakaangkop na materyal para sa mga teknolohiya sa hinaharap. Upang maunawaan ito, dapat nating balikan kung paano gumagana ang mga chip, ang kasalukuyang mga hamon sa teknolohiya, at ang mga materyales na maaaring palitan ang silicon sa hinaharap.

Paano isinasalin ng mga microchip ang mga input sa wika ng computer?

Ang mga microchip ay puno ng maliliit na switch na tinatawag na transistor, na nagsasalin ng mga keyboard input at software program sa wika ng computer—binary code. Kapag nakabukas ang switch, maaaring dumaloy ang kasalukuyang, na kumakatawan sa isang '1'; kapag isinara, hindi ito maaaring, na kumakatawan sa isang '0'. Ang lahat ng ginagawa ng modernong mga computer sa huli ay bumabagsak sa mga switch na ito.

Sa loob ng mga dekada, pinahusay namin ang kapangyarihan sa pag-compute sa pamamagitan ng pagpapataas ng density ng mga transistor sa mga microchip. Habang ang unang microchip ay naglalaman lamang ng isang transistor, ngayon ay maaari nating i-encapsulate ang bilyun-bilyong maliliit na switch na ito sa mga chip na kasing laki ng isang kuko.

Ang unang microchip ay gawa sa germanium, ngunit ang industriya ng teknolohiya ay mabilis na natanto iyonsilikonay isang mahusay na materyal para sa paggawa ng chip. Kabilang sa mga pangunahing bentahe ng Silicon ang kasaganaan nito, mababang halaga, at mas mataas na punto ng pagkatunaw, na nangangahulugang mas mahusay itong gumaganap sa mataas na temperatura. Bilang karagdagan, ang silicon ay madaling "doped" sa iba pang mga materyales, na nagpapahintulot sa mga inhinyero na ayusin ang conductivity nito sa iba't ibang paraan.

Anong mga hamon ang kinakaharap ng silikon sa modernong computing?

Ang klasikong diskarte sa paggawa ng mas mabilis, mas makapangyarihang mga computer sa pamamagitan ng patuloy na pagliit ng mga transistorsilikonang mga chips ay nagsisimula nang bumagsak. Sinabi ni Deep Jariwala, isang propesor ng engineering sa Unibersidad ng Pennsylvania, sa isang panayam noong 2022 sa The Wall Street Journal, "Habang ang silicon ay maaaring gumana sa gayong maliliit na dimensyon, ang kahusayan ng enerhiya na kinakailangan para sa isang pagtutuos ay tumataas, na ginagawa itong lubos na hindi napapanatiling. Mula sa pananaw ng enerhiya, hindi na ito makatuwiran."

Upang patuloy na mapahusay ang ating teknolohiya nang hindi na mapinsala ang kapaligiran, dapat nating tugunan ang isyung ito sa pagpapanatili. Sa pagtugis na ito, masusing sinusuri ng ilang mananaliksik ang mga chip na gawa sa mga materyales na semiconductor maliban sa silicon, kabilang ang gallium nitride (GaN), isang tambalang gawa sa gallium at nitrogen.

Bakit nakakakuha ng pansin ang gallium nitride bilang isang materyal na semiconductor?

Ang electrical conductivity ng semiconductors ay nag-iiba, pangunahin dahil sa tinatawag na "bandgap." Ang mga proton at neutron ay kumpol sa nucleus, habang ang mga electron ay umiikot sa paligid nito. Para sa isang materyal na magdadala ng kuryente, ang mga electron ay dapat na makalukso mula sa "valence band" patungo sa "conduction band." Ang minimum na enerhiya na kinakailangan para sa paglipat na ito ay tumutukoy sa bandgap ng materyal.

Sa mga konduktor, nagsasapawan ang dalawang rehiyong ito, na nagreresulta sa walang bandgap—malayang makakadaan ang mga electron sa mga materyal na ito. Sa mga insulator, ang bandgap ay napakalaki, na ginagawang mahirap para sa mga electron na tumawid kahit na may makabuluhang enerhiya na inilapat. Ang mga semiconductor, tulad ng silikon, ay sumasakop sa gitnang lupa;silikonay may bandgap na 1.12 electron volts (eV), habang ipinagmamalaki ng gallium nitride ang bandgap na 3.4 eV, na ikinategorya ito bilang isang "wide bandgap semiconductor" (WBGS).

Ang mga materyales ng WBGS ay mas malapit sa mga insulator sa conductivity spectrum, na nangangailangan ng mas maraming enerhiya para sa mga electron na lumipat sa pagitan ng dalawang banda, na ginagawa itong hindi angkop para sa napakababang boltahe na mga aplikasyon. Gayunpaman, ang WBGS ay maaaring gumana sa mas mataas na boltahe, temperatura, at mga frequency ng enerhiya kaysa sabatay sa silikonsemiconductors, na nagpapahintulot sa mga device na gumagamit ng mga ito na tumakbo nang mas mabilis at mas mahusay.

Sinabi ni Rachel Oliver, direktor ng Cambridge GaN Centre, sa Freethink, “Kung ilalagay mo ang iyong kamay sa charger ng telepono, magiging mainit ito; iyon ang enerhiyang nasayang ng mga silicon chips. Mas malamig ang pakiramdam ng mga GaN charger sa pagpindot—kaunti lang ang nasayang na enerhiya."

Ang Gallium at ang mga compound nito ay ginamit sa industriya ng teknolohiya sa loob ng mga dekada, kabilang ang mga light-emitting diode, laser, military radar, satellite, at solar cell. gayunpaman,gallium nitrideay kasalukuyang pinagtutuunan ng pansin ng mga mananaliksik na umaasa na gawing mas makapangyarihan at matipid sa enerhiya ang teknolohiya.

Ano ang mga implikasyon ng gallium nitride para sa hinaharap?

Gaya ng binanggit ni Oliver, nasa merkado na ang mga charger ng telepono ng GaN, at nilalayon ng mga mananaliksik na gamitin ang materyal na ito upang makabuo ng mas mabilis na mga charger ng de-kuryenteng sasakyan, na tumutugon sa isang makabuluhang alalahanin ng consumer tungkol sa mga de-kuryenteng sasakyan. "Ang mga device tulad ng mga de-kuryenteng sasakyan ay maaaring mag-charge nang mas mabilis," sabi ni Oliver. "Para sa anumang bagay na nangangailangan ng portable power at mabilis na pag-charge, ang gallium nitride ay may malaking potensyal."

Gallium nitridemaaari ring pahusayin ang mga sistema ng radar ng mga sasakyang panghimpapawid at drone ng militar, na nagbibigay-daan sa kanila na tukuyin ang mga target at banta mula sa mas malalayong distansya, at pagbutihin ang kahusayan ng mga server ng data center, na napakahalaga para gawing abot-kaya at sustainable ang AI revolution.

Given nagallium nitridenapakahusay sa maraming aspeto at matagal nang umiral, bakit patuloy na bumubuo ang industriya ng microchip sa paligid ng silikon? Ang sagot, gaya ng dati, ay nakasalalay sa gastos: Ang mga chip ng GaN ay mas mahal at kumplikado sa paggawa. Ang pagbabawas ng mga gastos at pag-scale ng produksyon ay magtatagal, ngunit ang gobyerno ng U.S. ay aktibong nagtatrabaho upang simulan ang umuusbong na industriyang ito.

Noong Pebrero 2024, ang United States ay naglaan ng $1.5 bilyon sa semiconductor manufacturing company na GlobalFoundries sa ilalim ng CHIPS and Science Act para palawakin ang domestic chip production.

 Ang isang bahagi ng mga pondong ito ay gagamitin upang mag-upgrade ng pasilidad ng pagmamanupaktura sa Vermont, na magbibigay-daan sa paggawa nito nang maramihan.gallium nitride(GaN) semiconductors, isang kakayahan na kasalukuyang hindi naisasakatuparan sa U.S. Ayon sa anunsyo ng pagpopondo, ang mga semiconductor na ito ay gagamitin sa mga de-kuryenteng sasakyan, data center, smartphone, power grid, at iba pang teknolohiya. 

Gayunpaman, kahit na pinamamahalaan ng U.S. na ibalik ang mga normal na operasyon sa buong sektor ng pagmamanupaktura nito, ang produksyon ngGaNAng mga chips ay nakasalalay sa isang matatag na supply ng gallium, na kasalukuyang hindi ginagarantiyahan. 

Bagama't hindi bihira ang gallium—naroroon ito sa crust ng Earth sa mga antas na maihahambing sa tanso—hindi ito umiiral sa malalaking, namiminang deposito tulad ng tanso. Gayunpaman, ang mga bakas na halaga ng gallium ay matatagpuan sa mga ores na naglalaman ng aluminyo at zinc, na nagbibigay-daan para sa koleksyon nito sa panahon ng pagproseso ng mga elementong ito. 

Noong 2022, humigit-kumulang 90% ng gallium sa mundo ang ginawa sa China. Samantala, ang U.S. ay hindi gumawa ng gallium mula noong 1980s, kung saan 53% ng gallium nito ay na-import mula sa China at ang natitira ay mula sa ibang mga bansa. 

Noong Hulyo 2023, inanunsyo ng China na sisimulan nitong higpitan ang pag-export ng gallium at isa pang materyal, germanium, para sa pambansang seguridad. 

Hindi tuwirang ipinagbabawal ng mga regulasyon ng China ang pag-export ng gallium sa U.S., ngunit hinihiling nila ang mga potensyal na mamimili na mag-aplay para sa mga permit at kumuha ng pag-apruba mula sa gobyerno ng China. 

Ang mga kontratista ng depensa ng U.S. ay halos tiyak na mahaharap sa mga pagtanggi, lalo na kung sila ay nakalista sa "hindi mapagkakatiwalaang listahan ng entity" ng China. Sa ngayon, ang mga paghihigpit na ito ay lumilitaw na nagresulta sa pagtaas ng mga presyo ng gallium at pinalawig na oras ng paghahatid ng order para sa karamihan ng mga tagagawa ng chip, sa halip na isang tahasang kakulangan, bagama't maaaring piliin ng China na higpitan ang kontrol nito sa materyal na ito sa hinaharap. 

Matagal nang kinikilala ng U.S. ang mga panganib na nauugnay sa matinding pag-asa nito sa China para sa mga kritikal na mineral—sa panahon ng isang pagtatalo sa Japan noong 2010, pansamantalang ipinagbawal ng China ang pag-export ng mga rare earth metal. Sa oras na inanunsyo ng China ang mga paghihigpit nito noong 2023, ang U.S. ay nag-e-explore na ng mga paraan para palakasin ang mga supply chain nito. 

Kabilang sa mga posibleng alternatibo ang pag-import ng gallium mula sa ibang mga bansa, gaya ng Canada (kung sapat nilang mapapataas ang produksyon), at ang pag-recycle ng materyal mula sa elektronikong basura—pinopondohan ng U.S. Department of Defense's Advanced Research Projects Agency ang pananaliksik sa lugar na ito. 

Ang pagtatatag ng domestic supply ng gallium ay isang opsyon din. 

Ang Nyrstar, isang kumpanyang nakabase sa Netherlands, ay nagpahiwatig na ang planta ng zinc nito sa Tennessee ay maaaring kumuha ng sapat na gallium upang matugunan ang 80% ng kasalukuyang pangangailangan ng U.S., ngunit ang pagtatayo ng pasilidad sa pagpoproseso ay nagkakahalaga ng hanggang $190 milyon. Ang kumpanya ay kasalukuyang nakikipag-negosasyon sa gobyerno ng U.S. para sa pagpopondo sa pagpapalawak.

Kasama rin sa mga potensyal na mapagkukunan ng gallium ang isang deposito sa Round Top, Texas. Noong 2021, tinantya ng U.S. Geological Survey na ang depositong ito ay naglalaman ng humigit-kumulang 36,500 tonelada ng gallium—sa paghahambing, ang China ay gumawa ng 750 tonelada ng gallium noong 2022. 

Karaniwan, ang gallium ay nangyayari sa mga bakas na halaga at labis na nakakalat; gayunpaman, noong Marso 2024, natuklasan ng American Critical Materials Corp. ang isang deposito na may medyo mataas na konsentrasyon ng mataas na kalidad na gallium sa Kootenai National Forest sa Montana. 

Sa kasalukuyan, ang gallium mula sa Texas at Montana ay hindi pa nakukuha, ngunit ang mga mananaliksik mula sa Idaho National Laboratory at American Critical Materials Corp. ay nagtutulungan upang bumuo ng isang environment friendly na pamamaraan para sa pagkuha ng materyal na ito. 

Ang Gallium ay hindi lamang ang opsyon para sa U.S. na pahusayin ang teknolohiya ng microchip—Maaaring makagawa ang China ng mas advanced na mga chip gamit ang ilang hindi napigilan na mga materyales, na sa ilang mga kaso ay maaaring lumampas sa gallium-based chips. 

Noong Oktubre 2024, ang tagagawa ng chip na si Wolfspeed ay nakakuha ng hanggang $750 milyon sa pagpopondo sa pamamagitan ng CHIPS Act para itayo ang pinakamalaking silicon carbide (kilala rin bilang SiC) chip manufacturing facility sa U.S. Ang ganitong uri ng chip ay mas mahal kaysa sagallium nitridengunit mas mainam para sa ilang partikular na aplikasyon, tulad ng mga high-power solar power plant. 

Sinabi ni Oliver sa Freethink, "Ang Gallium nitride ay gumaganap nang napakahusay sa ilang mga saklaw ng boltahe, habangsilikon karbidgumaganap nang mas mahusay sa iba. Kaya depende ito sa boltahe at kapangyarihan na iyong kinakaharap." 

Pinopondohan din ng U.S. ang pananaliksik sa mga microchip batay sa wide-bandgap semiconductors, na may bandgap na higit sa 3.4 eV. Kabilang sa mga materyales na ito ang brilyante, aluminum nitride, at boron nitride; kahit na ang mga ito ay magastos at mahirap iproseso, ang mga chips na ginawa mula sa mga materyales na ito ay maaaring mag-alok balang araw ng mga kahanga-hangang bagong pag-andar sa mas mababang gastos sa kapaligiran.

 "Kung pinag-uusapan mo ang mga uri ng mga boltahe na maaaring kasangkot sa pagpapadala ng offshore wind power sa onshore grid,gallium nitridemaaaring hindi angkop, dahil hindi nito mahawakan ang boltahe na iyon, "paliwanag ni Oliver. "Ang mga materyales tulad ng aluminum nitride, na malawak na bandgap, ay maaari."