Meneroka Prospek Masa Depan Cip Semikonduktor Silikon

Apakah yang mentakrifkan peranan semikonduktor dalam teknologi?

Bahan boleh dikelaskan berdasarkan kekonduksian elektriknya—arus mengalir dengan mudah dalam konduktor tetapi tidak boleh dalam penebat. Semikonduktor berada di antara: mereka boleh mengalirkan elektrik dalam keadaan tertentu, menjadikannya sangat berguna dalam pengkomputeran. Dengan menggunakan semikonduktor sebagai asas untuk mikrocip, kami boleh mengawal aliran elektrik dalam peranti, membolehkan semua fungsi luar biasa yang kami harapkan hari ini.

Sejak penubuhannya,silikontelah menguasai industri cip dan teknologi, yang membawa kepada istilah "Lembah Silikon." Walau bagaimanapun, ia mungkin bukan bahan yang paling sesuai untuk teknologi masa depan. Untuk memahami perkara ini, kita mesti menyemak semula cara cip berfungsi, cabaran teknologi semasa dan bahan yang mungkin menggantikan silikon pada masa hadapan.

Bagaimanakah mikrocip menterjemah input ke dalam bahasa komputer?

Microchip diisi dengan suis kecil yang dipanggil transistor, yang menterjemah input papan kekunci dan program perisian ke dalam bahasa komputer—kod binari. Apabila suis dibuka, arus boleh mengalir, mewakili '1'; apabila ditutup, ia tidak boleh, mewakili '0'. Semua yang dilakukan oleh komputer moden akhirnya berpunca daripada suis ini.

Selama beberapa dekad, kami telah meningkatkan kuasa pengkomputeran dengan meningkatkan ketumpatan transistor pada mikrocip. Walaupun cip mikro pertama mengandungi hanya satu transistor, hari ini kita boleh merangkum berbilion-bilion suis kecil ini dalam cip sebesar kuku.

Cip mikro pertama diperbuat daripada germanium, tetapi industri teknologi segera menyedarinyasilikonadalah bahan unggul untuk pembuatan cip. Kelebihan utama silikon termasuk kelimpahan, kos rendah dan takat lebur yang lebih tinggi, yang bermaksud ia berfungsi lebih baik pada suhu tinggi. Selain itu, silikon mudah "didop" dengan bahan lain, membolehkan jurutera melaraskan kekonduksiannya dalam pelbagai cara.

Apakah cabaran yang dihadapi oleh silikon dalam pengkomputeran moden?

Strategi klasik untuk mencipta komputer yang lebih pantas dan lebih berkuasa dengan terus mengecilkan transistor masuksilikonkerepek mula goyah. Deep Jariwala, seorang profesor kejuruteraan di University of Pennsylvania, menyatakan dalam temu bual 2022 dengan The Wall Street Journal, "Walaupun silikon boleh berfungsi pada dimensi sekecil itu, kecekapan tenaga yang diperlukan untuk pengiraan telah meningkat, menjadikannya sangat tidak mampan. Dari sudut tenaga, ia tidak lagi masuk akal.”

Untuk terus meningkatkan teknologi kami tanpa menjejaskan alam sekitar, kami mesti menangani isu kemampanan ini. Dalam usaha ini, beberapa penyelidik sedang mengkaji dengan teliti cip yang diperbuat daripada bahan semikonduktor selain daripada silikon, termasuk galium nitrida (GaN), sebatian yang diperbuat daripada galium dan nitrogen.

Mengapakah galium nitrida mendapat perhatian sebagai bahan semikonduktor?

Kekonduksian elektrik semikonduktor berbeza-beza, terutamanya disebabkan oleh apa yang dikenali sebagai "celah jalur". Proton dan neutron berkelompok dalam nukleus, manakala elektron mengorbit di sekelilingnya. Untuk bahan mengalirkan elektrik, elektron mesti boleh melompat dari "jalur valens" ke "jalur pengaliran." Tenaga minimum yang diperlukan untuk peralihan ini mentakrifkan jurang jalur bahan.

Dalam konduktor, kedua-dua kawasan ini bertindih, menyebabkan tiada celah jalur—elektron boleh melalui bahan ini secara bebas. Dalam penebat, jurang jalur adalah sangat besar, menjadikannya sukar bagi elektron untuk melintasi walaupun dengan tenaga yang ketara digunakan. Semikonduktor, seperti silikon, menduduki tempat tengah;silikonmempunyai celah jalur 1.12 volt elektron (eV), manakala galium nitrida mempunyai celah jalur 3.4 eV, mengkategorikannya sebagai "semikonduktor celah jalur lebar" (WBGS).

Bahan WBGS lebih dekat dengan penebat dalam spektrum kekonduksian, memerlukan lebih banyak tenaga untuk elektron bergerak antara dua jalur, menjadikannya tidak sesuai untuk aplikasi voltan sangat rendah. Walau bagaimanapun, WBGS boleh beroperasi pada voltan, suhu dan frekuensi tenaga yang lebih tinggi daripadaberasaskan silikonsemikonduktor, membolehkan peranti yang menggunakannya berjalan dengan lebih pantas dan lebih cekap.

Rachel Oliver, pengarah Cambridge GaN Centre, memberitahu Freethink, “Jika anda meletakkan tangan anda pada pengecas telefon, ia akan terasa panas; itulah tenaga yang dibazirkan oleh cip silikon. Pengecas GaN berasa lebih sejuk apabila disentuh—tenaga yang terbuang jauh berkurangan."

Gallium dan sebatiannya telah digunakan dalam industri teknologi selama beberapa dekad, termasuk dalam diod pemancar cahaya, laser, radar tentera, satelit dan sel suria. Walau bagaimanapun,galium nitridakini menjadi tumpuan penyelidik yang berharap untuk menjadikan teknologi lebih berkuasa dan cekap tenaga.

Apakah implikasi yang dipegang oleh galium nitrida untuk masa depan?

Seperti yang dinyatakan oleh Oliver, pengecas telefon GaN sudah pun berada di pasaran, dan penyelidik menyasarkan untuk memanfaatkan bahan ini untuk membangunkan pengecas kenderaan elektrik yang lebih pantas, menangani kebimbangan pengguna yang ketara mengenai kenderaan elektrik. "Peranti seperti kenderaan elektrik boleh mengecas dengan lebih cepat," kata Oliver. "Untuk apa sahaja yang memerlukan kuasa mudah alih dan pengecasan pantas, galium nitrida mempunyai potensi yang besar."

Galium nitridajuga boleh meningkatkan sistem radar pesawat tentera dan dron, membolehkan mereka mengenal pasti sasaran dan ancaman dari jarak yang lebih jauh, dan meningkatkan kecekapan pelayan pusat data, yang penting untuk menjadikan revolusi AI mampu milik dan mampan.

Memandangkan itugalium nitridacemerlang dalam banyak aspek dan telah wujud sejak sekian lama, mengapa industri cip mikro terus dibina di sekitar silikon? Jawapannya, seperti biasa, terletak pada kos: cip GaN lebih mahal dan kompleks untuk dikeluarkan. Mengurangkan kos dan meningkatkan pengeluaran akan mengambil masa, tetapi kerajaan A.S. sedang giat berusaha untuk memulakan industri baru muncul ini.

Pada Februari 2024, Amerika Syarikat memperuntukkan $1.5 bilion kepada syarikat pembuatan semikonduktor GlobalFoundries di bawah Akta CHIPS dan Sains untuk mengembangkan pengeluaran cip domestik.

 Sebahagian daripada dana ini akan digunakan untuk menaik taraf kemudahan pembuatan di Vermont, membolehkannya mengeluarkan secara besar-besarangalium nitrida(GaN) semikonduktor, keupayaan yang pada masa ini tidak direalisasikan di A.S. Menurut pengumuman pembiayaan, semikonduktor ini akan digunakan dalam kenderaan elektrik, pusat data, telefon pintar, grid kuasa dan teknologi lain. 

Walau bagaimanapun, walaupun A.S. berjaya memulihkan operasi biasa di seluruh sektor pembuatannya, pengeluaranGaNcip adalah bergantung kepada bekalan galium yang stabil, yang pada masa ini tidak dijamin. 

Walaupun galium jarang berlaku—ia terdapat dalam kerak bumi pada paras yang setanding dengan tembaga—ia tidak wujud dalam deposit besar yang boleh ditambang seperti tembaga. Walau bagaimanapun, jumlah surih galium boleh didapati dalam bijih yang mengandungi aluminium dan zink, membolehkan pengumpulannya semasa pemprosesan unsur-unsur ini. 

Sehingga 2022, kira-kira 90% daripada galium dunia dihasilkan di China. Sementara itu, A.S. tidak mengeluarkan galium sejak 1980-an, dengan 53% daripada galiumnya diimport dari China dan selebihnya diperoleh dari negara lain. 

Pada Julai 2023, China mengumumkan akan mula menyekat eksport galium dan bahan lain, germanium, atas sebab keselamatan negara. 

Peraturan China tidak secara langsung melarang eksport galium ke A.S., tetapi ia memerlukan pembeli berpotensi untuk memohon permit dan mendapatkan kelulusan daripada kerajaan China. 

Kontraktor pertahanan AS hampir pasti akan menghadapi penolakan, terutamanya jika mereka disenaraikan dalam "senarai entiti yang tidak boleh dipercayai" China. Setakat ini, sekatan ini nampaknya telah menyebabkan harga galium meningkat dan masa penghantaran pesanan dilanjutkan untuk kebanyakan pengeluar cip, dan bukannya kekurangan langsung, walaupun China mungkin memilih untuk mengetatkan kawalannya ke atas bahan ini pada masa hadapan. 

A.S. telah lama mengiktiraf risiko yang berkaitan dengan pergantungan beratnya pada China untuk mineral kritikal—semasa pertikaian dengan Jepun pada 2010, China melarang sementara eksport logam nadir bumi. Pada masa China mengumumkan sekatannya pada 2023, A.S. sudah pun meneroka kaedah untuk mengukuhkan rantaian bekalannya. 

Alternatif yang mungkin termasuk mengimport galium dari negara lain, seperti Kanada (jika mereka dapat meningkatkan pengeluaran dengan secukupnya), dan mengitar semula bahan daripada sisa elektronik—penyelidikan dalam bidang ini dibiayai oleh Agensi Projek Penyelidikan Lanjutan Jabatan Pertahanan A.S.. 

Mewujudkan bekalan domestik galium juga merupakan pilihan. 

Nyrstar, sebuah syarikat yang berpangkalan di Belanda, menunjukkan bahawa kilang zinknya di Tennessee boleh mengekstrak galium yang mencukupi untuk memenuhi 80% permintaan A.S. semasa, tetapi membina kemudahan pemprosesan itu akan menelan kos sehingga $190 juta. Syarikat itu kini sedang berunding dengan kerajaan A.S. untuk pembiayaan pengembangan.

Sumber galium yang berpotensi juga termasuk deposit di Round Top, Texas. Pada tahun 2021, Tinjauan Geologi A.S. menganggarkan bahawa deposit ini mengandungi kira-kira 36,500 tan galium—sebagai perbandingan, China menghasilkan 750 tan galium pada tahun 2022. 

Biasanya, galium berlaku dalam jumlah surih dan sangat tersebar; bagaimanapun, pada Mac 2024, American Critical Materials Corp. menemui deposit dengan kepekatan galium berkualiti tinggi yang agak tinggi di Hutan Negara Kootenai di Montana. 

Pada masa ini, galium dari Texas dan Montana masih belum diekstrak, tetapi penyelidik dari Idaho National Laboratory dan American Critical Materials Corp. sedang bekerjasama untuk membangunkan kaedah mesra alam untuk mendapatkan bahan ini. 

Gallium bukanlah satu-satunya pilihan bagi A.S. untuk menambah baik teknologi mikrocip—China boleh menghasilkan cip yang lebih maju menggunakan beberapa bahan tanpa kekangan, yang dalam beberapa kes mungkin mengatasi cip berasaskan gallium. 

Pada Oktober 2024, pengeluar cip Wolfspeed memperoleh pembiayaan sehingga $750 juta melalui Akta CHIPS untuk membina kemudahan pembuatan cip silikon karbida (juga dikenali sebagai SiC) terbesar di A.S. Cip jenis ini lebih mahal daripadagalium nitridatetapi lebih baik untuk aplikasi tertentu, seperti loji tenaga solar berkuasa tinggi. 

Oliver memberitahu Freethink, "Gallium nitride berfungsi dengan baik pada julat voltan tertentu, manakalasilikon karbidaberprestasi lebih baik pada orang lain. Jadi ia bergantung pada voltan dan kuasa yang anda hadapi.” 

A.S. juga membiayai penyelidikan ke dalam mikrocip berdasarkan semikonduktor celah jalur lebar, yang mempunyai celah jalur lebih besar daripada 3.4 eV. Bahan-bahan ini termasuk berlian, aluminium nitrida, dan boron nitrida; walaupun ia mahal dan mencabar untuk diproses, cip yang diperbuat daripada bahan ini mungkin suatu hari nanti menawarkan fungsi baharu yang luar biasa pada kos alam sekitar yang lebih rendah.

 "Jika anda bercakap tentang jenis voltan yang mungkin terlibat dalam menghantar kuasa angin luar pesisir ke grid darat,galium nitridamungkin tidak sesuai, kerana ia tidak dapat mengendalikan voltan itu,” jelas Oliver. "Bahan seperti aluminium nitrida, yang mempunyai jurang jalur lebar, boleh."