Khám phá triển vọng tương lai của chip bán dẫn silicon

Điều gì xác định vai trò của chất bán dẫn trong công nghệ?

Vật liệu có thể được phân loại dựa trên độ dẫn điện của chúng—dòng điện dễ dàng chạy trong dây dẫn nhưng không thể chạy trong chất cách điện. Chất bán dẫn nằm ở giữa: chúng có thể dẫn điện trong những điều kiện cụ thể, khiến chúng cực kỳ hữu ích trong điện toán. Bằng cách sử dụng chất bán dẫn làm nền tảng cho vi mạch, chúng ta có thể kiểm soát dòng điện bên trong các thiết bị, tạo điều kiện cho tất cả các chức năng vượt trội mà chúng ta dựa vào ngày nay.

Kể từ khi thành lập,silicđã thống trị ngành công nghiệp chip và công nghệ, dẫn đến thuật ngữ “Thung lũng Silicon”. Tuy nhiên, nó có thể không phải là vật liệu phù hợp nhất cho công nghệ tương lai. Để hiểu điều này, chúng ta phải xem lại cách thức hoạt động của chip, những thách thức công nghệ hiện tại và các vật liệu có thể thay thế silicon trong tương lai.

Làm thế nào để vi mạch dịch đầu vào sang ngôn ngữ máy tính?

Các vi mạch chứa đầy các công tắc nhỏ gọi là bóng bán dẫn, giúp dịch các đầu vào bàn phím và chương trình phần mềm sang ngôn ngữ máy tính—mã nhị phân. Khi công tắc mở, dòng điện có thể chạy qua, đại diện cho số '1'; khi đóng, nó không thể, đại diện cho '0'. Mọi thứ mà máy tính hiện đại thực hiện cuối cùng đều tập trung vào các công tắc này.

Trong nhiều thập kỷ, chúng tôi đã cải thiện sức mạnh tính toán bằng cách tăng mật độ bóng bán dẫn trên vi mạch. Trong khi vi mạch đầu tiên chỉ chứa một bóng bán dẫn thì ngày nay chúng ta có thể gói gọn hàng tỷ công tắc nhỏ bé này trong những con chip có kích thước bằng móng tay.

Con vi mạch đầu tiên được làm từ germanium, nhưng ngành công nghệ đã nhanh chóng nhận ra rằngsiliclà vật liệu ưu việt để sản xuất chip. Ưu điểm chính của silicon bao gồm sự phong phú, chi phí thấp và điểm nóng chảy cao hơn, có nghĩa là nó hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ cao. Ngoài ra, silicon rất dễ “pha tạp” với các vật liệu khác, cho phép các kỹ sư điều chỉnh độ dẫn điện của nó theo nhiều cách khác nhau.

Silicon phải đối mặt với những thách thức gì trong điện toán hiện đại?

Chiến lược cổ điển nhằm tạo ra những chiếc máy tính nhanh hơn, mạnh hơn bằng cách liên tục thu nhỏ các bóng bán dẫn trongsilicchip đang bắt đầu chùn bước. Deep Jariwala, giáo sư kỹ thuật tại Đại học Pennsylvania, cho biết trong một cuộc phỏng vấn năm 2022 với The Wall Street Journal, “Mặc dù silicon có thể hoạt động ở những kích thước nhỏ như vậy, nhưng hiệu suất năng lượng cần thiết cho quá trình tính toán ngày càng tăng, khiến nó trở nên cực kỳ không bền vững. Từ quan điểm năng lượng, nó không còn ý nghĩa nữa.”

Để tiếp tục cải tiến công nghệ mà không gây tổn hại thêm cho môi trường, chúng ta phải giải quyết vấn đề bền vững này. Trong quá trình theo đuổi mục tiêu này, một số nhà nghiên cứu đang kiểm tra chặt chẽ các con chip được làm từ vật liệu bán dẫn không phải silicon, bao gồm cả gali nitrit (GaN), một hợp chất được làm từ gali và nitơ.

Tại sao gali nitrit lại được chú ý làm vật liệu bán dẫn?

Độ dẫn điện của chất bán dẫn thay đổi, chủ yếu là do cái được gọi là “khe hở”. Các proton và neutron tụ lại trong hạt nhân, trong khi các electron quay quanh nó. Để một vật liệu dẫn điện, các electron phải có khả năng nhảy từ “dải hóa trị” sang “dải dẫn”. Năng lượng tối thiểu cần thiết cho quá trình chuyển đổi này xác định dải cấm của vật liệu.

Trong chất dẫn điện, hai vùng này chồng lên nhau, dẫn đến không có vùng cấm—các electron có thể di chuyển tự do qua các vật liệu này. Trong các chất cách điện, vùng cấm rất lớn, khiến các electron khó di chuyển ngay cả khi áp dụng năng lượng đáng kể. Chất bán dẫn, như silicon, chiếm vị trí trung gian;siliccó dải tần 1,12 electron volt (eV), trong khi gali nitrit có dải tần 3,4 eV, được phân loại là “chất bán dẫn dải rộng” (WBGS).

Vật liệu WBGS gần với chất cách điện hơn trong phổ dẫn điện, đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để các electron di chuyển giữa hai dải, khiến chúng không phù hợp cho các ứng dụng điện áp rất thấp. Tuy nhiên, WBGS có thể hoạt động ở điện áp, nhiệt độ và tần số năng lượng cao hơndựa trên silicchất bán dẫn, cho phép các thiết bị sử dụng chúng chạy nhanh hơn và hiệu quả hơn.

Rachel Oliver, giám đốc Trung tâm Cambridge GaN, nói với Freethink: “Nếu bạn đặt tay lên bộ sạc điện thoại, nó sẽ có cảm giác nóng; đó là năng lượng bị lãng phí bởi chip silicon. Khi chạm vào bộ sạc GaN cho cảm giác mát hơn nhiều—năng lượng ít bị lãng phí hơn đáng kể.”

Gallium và các hợp chất của nó đã được sử dụng trong ngành công nghệ trong nhiều thập kỷ, bao gồm cả điốt phát sáng, tia laser, radar quân sự, vệ tinh và pin mặt trời. Tuy nhiên,gali nitrithiện đang là trọng tâm của các nhà nghiên cứu với hy vọng làm cho công nghệ trở nên mạnh mẽ hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

gali nitrua có ý nghĩa gì đối với tương lai?

Như Oliver đã đề cập, bộ sạc điện thoại GaN đã có mặt trên thị trường và các nhà nghiên cứu muốn tận dụng vật liệu này để phát triển bộ sạc xe điện nhanh hơn, giải quyết mối lo ngại đáng kể của người tiêu dùng về xe điện. Oliver cho biết: “Các thiết bị như xe điện có thể sạc nhanh hơn nhiều. “Đối với bất cứ thứ gì cần nguồn điện di động và khả năng sạc nhanh, gali nitrit có tiềm năng đáng kể.”

gali nitruacũng có thể tăng cường hệ thống radar của máy bay quân sự và máy bay không người lái, cho phép chúng xác định mục tiêu và mối đe dọa từ khoảng cách xa hơn, đồng thời cải thiện hiệu quả của các máy chủ trung tâm dữ liệu, điều này rất quan trọng để giúp cuộc cách mạng AI có giá cả phải chăng và bền vững.

Cho rằnggali nitritvượt trội về nhiều mặt và đã xuất hiện được một thời gian, tại sao ngành công nghiệp vi mạch vẫn tiếp tục phát triển dựa trên silicon? Câu trả lời, như mọi khi, nằm ở chi phí: chip GaN đắt hơn và sản xuất phức tạp hơn. Việc giảm chi phí và mở rộng quy mô sản xuất sẽ mất thời gian, nhưng chính phủ Hoa Kỳ đang tích cực nỗ lực khởi động ngành công nghiệp mới nổi này.

Vào tháng 2 năm 2024, Hoa Kỳ đã phân bổ 1,5 tỷ USD cho công ty sản xuất chất bán dẫn GlobalFoundries theo Đạo luật Khoa học và CHIPS để mở rộng sản xuất chip trong nước.

 Một phần trong số tiền này sẽ được sử dụng để nâng cấp cơ sở sản xuất ở Vermont, cho phép cơ sở sản xuất hàng loạtgali nitritChất bán dẫn (GaN), một khả năng hiện chưa được hiện thực hóa ở Hoa Kỳ. Theo thông báo tài trợ, những chất bán dẫn này sẽ được sử dụng trong xe điện, trung tâm dữ liệu, điện thoại thông minh, lưới điện và các công nghệ khác. 

Tuy nhiên, ngay cả khi Hoa Kỳ cố gắng khôi phục hoạt động bình thường trong toàn bộ lĩnh vực sản xuất của mình, hoạt động sản xuất củaGaNchip phụ thuộc vào nguồn cung cấp gali ổn định, hiện không được đảm bảo. 

Mặc dù gali không phải là hiếm – nó hiện diện trong lớp vỏ Trái đất ở mức tương đương với đồng – nhưng nó không tồn tại ở những mỏ lớn, có thể khai thác được như đồng. Tuy nhiên, một lượng nhỏ gali có thể được tìm thấy trong quặng chứa nhôm và kẽm, cho phép thu thập nó trong quá trình xử lý các nguyên tố này. 

Tính đến năm 2022, khoảng 90% gali của thế giới được sản xuất tại Trung Quốc. Trong khi đó, Mỹ đã ngừng sản xuất gali kể từ những năm 1980, với 53% gali được nhập khẩu từ Trung Quốc và phần còn lại có nguồn gốc từ các nước khác. 

Vào tháng 7 năm 2023, Trung Quốc tuyên bố sẽ bắt đầu hạn chế xuất khẩu gali và một nguyên liệu khác, gecmani, vì lý do an ninh quốc gia. 

Các quy định của Trung Quốc không cấm hoàn toàn việc xuất khẩu gali sang Mỹ nhưng yêu cầu những người mua tiềm năng phải xin giấy phép và được chính phủ Trung Quốc chấp thuận. 

Các nhà thầu quốc phòng của Mỹ gần như chắc chắn sẽ bị từ chối, đặc biệt nếu họ bị liệt vào “danh sách thực thể không đáng tin cậy” của Trung Quốc. Cho đến nay, những hạn chế này dường như đã dẫn đến việc tăng giá gali và kéo dài thời gian giao đơn hàng cho hầu hết các nhà sản xuất chip, thay vì thiếu hụt hoàn toàn, mặc dù Trung Quốc có thể chọn thắt chặt kiểm soát vật liệu này trong tương lai. 

Hoa Kỳ từ lâu đã nhận ra những rủi ro liên quan đến việc phụ thuộc nhiều vào Trung Quốc về khoáng sản quan trọng – trong cuộc tranh chấp với Nhật Bản năm 2010, Trung Quốc đã tạm thời cấm xuất khẩu kim loại đất hiếm. Vào thời điểm Trung Quốc công bố các hạn chế vào năm 2023, Hoa Kỳ đã khám phá các phương pháp để củng cố chuỗi cung ứng của mình. 

Các giải pháp thay thế khả thi bao gồm nhập khẩu gali từ các quốc gia khác, chẳng hạn như Canada (nếu họ có thể tăng cường sản xuất đủ mức) và tái chế vật liệu từ rác thải điện tử—nghiên cứu trong lĩnh vực này đang được Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ tài trợ. 

Thiết lập nguồn cung cấp gali trong nước cũng là một lựa chọn. 

Nyrstar, một công ty có trụ sở tại Hà Lan, chỉ ra rằng nhà máy kẽm của họ ở Tennessee có thể khai thác đủ gali để đáp ứng 80% nhu cầu hiện tại của Hoa Kỳ, nhưng việc xây dựng cơ sở chế biến sẽ tiêu tốn tới 190 triệu USD. Công ty hiện đang đàm phán với chính phủ Hoa Kỳ để có được nguồn tài trợ mở rộng.

Các nguồn gali tiềm năng còn có trữ lượng ở Round Top, Texas. Vào năm 2021, Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ ước tính rằng mỏ này chứa khoảng 36.500 tấn gali—để so sánh, Trung Quốc đã sản xuất 750 tấn gali vào năm 2022. 

Thông thường, gali tồn tại ở dạng vết và rất phân tán; tuy nhiên, vào tháng 3 năm 2024, Tập đoàn Vật liệu Quan trọng Hoa Kỳ đã phát hiện ra một mỏ có nồng độ gali chất lượng cao tương đối cao ở Rừng Quốc gia Kootenai ở Montana. 

Hiện tại, gali từ Texas và Montana vẫn chưa được chiết xuất, nhưng các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho và Tập đoàn vật liệu quan trọng của Mỹ đang hợp tác để phát triển một phương pháp thân thiện với môi trường để thu được vật liệu này. 

Gallium không phải là lựa chọn duy nhất để Mỹ cải thiện công nghệ vi mạch. Trung Quốc có thể sản xuất những con chip tiên tiến hơn bằng cách sử dụng một số vật liệu không bị giới hạn, mà trong một số trường hợp có thể hoạt động tốt hơn chip làm từ gali. 

Vào tháng 10 năm 2024, nhà sản xuất chip Wolfspeed đã nhận được khoản tài trợ lên tới 750 triệu USD thông qua Đạo luật CHIPS để xây dựng cơ sở sản xuất chip cacbua silic (còn gọi là SiC) lớn nhất ở Mỹ. Loại chip này đắt hơngali nitritnhưng thích hợp hơn cho một số ứng dụng nhất định, chẳng hạn như các nhà máy điện mặt trời công suất cao. 

Oliver nói với Freethink: “Gallium nitride hoạt động rất tốt ở những dải điện áp nhất định, trong khicacbua silicthực hiện tốt hơn ở những người khác. Vì vậy, nó phụ thuộc vào điện áp và công suất mà bạn đang xử lý.” 

Hoa Kỳ cũng đang tài trợ cho nghiên cứu về vi mạch dựa trên chất bán dẫn dải rộng, có dải tần lớn hơn 3,4 eV. Những vật liệu này bao gồm kim cương, nhôm nitrit và boron nitrit; Mặc dù chúng tốn kém và khó xử lý nhưng một ngày nào đó, các con chip làm từ những vật liệu này có thể mang lại những chức năng mới đáng chú ý với chi phí môi trường thấp hơn.

 “Nếu bạn đang nói về các loại điện áp có thể liên quan đến việc truyền năng lượng gió ngoài khơi tới lưới điện trên bờ,gali nitritcó thể không phù hợp vì nó không thể xử lý được điện áp đó,” Oliver giải thích. “Các vật liệu như nhôm nitrit, có dải thông rộng, có thể.”