सिलिकन सेमीकन्डक्टर चिप्सको भविष्यका सम्भावनाहरू अन्वेषण गर्दै

प्रविधिमा अर्धचालकहरूको भूमिकालाई के परिभाषित गर्छ?

सामग्रीहरूलाई तिनीहरूको विद्युतीय चालकताको आधारमा वर्गीकृत गर्न सकिन्छ - वर्तमान प्रवाहहरू कन्डक्टरहरूमा सजिलैसँग तर इन्सुलेटरहरूमा सकिँदैन। अर्धचालकहरू बीचमा पर्छन्: तिनीहरूले विशेष परिस्थितिहरूमा बिजुली सञ्चालन गर्न सक्छन्, तिनीहरूलाई कम्प्युटिङमा अत्यन्त उपयोगी बनाउँछ। माइक्रोचिपहरूको आधारको रूपमा अर्धचालकहरू प्रयोग गरेर, हामी आज भर परेका सबै उल्लेखनीय कार्यहरूलाई सक्षम पार्दै, यन्त्रहरू भित्र बिजुलीको प्रवाहलाई नियन्त्रण गर्न सक्छौं।

तिनीहरूको स्थापनादेखि नै,सिलिकनचिप र टेक्नोलोजी उद्योगमा प्रभुत्व जमाएको छ, जसले "सिलिकन भ्याली" शब्दको नेतृत्व गर्यो। यद्यपि, यो भविष्यका प्रविधिहरूको लागि सबैभन्दा उपयुक्त सामग्री नहुन सक्छ। यो बुझ्नको लागि, हामीले चिप्सले कसरी काम गर्छ, वर्तमान प्राविधिक चुनौतीहरू, र भविष्यमा सिलिकनलाई प्रतिस्थापन गर्न सक्ने सामग्रीहरू पुन: अवलोकन गर्नुपर्छ।

माइक्रोचिपले इनपुटहरूलाई कम्प्युटर भाषामा कसरी अनुवाद गर्छ?

माइक्रोचिपहरू ट्रान्जिस्टर भनिने स-साना स्विचहरूले भरिएका हुन्छन्, जसले किबोर्ड इनपुटहरू र सफ्टवेयर प्रोग्रामहरूलाई कम्प्युटर भाषा-बाइनरी कोडमा अनुवाद गर्छ। जब स्विच खुला हुन्छ, वर्तमान प्रवाह हुन सक्छ, '1' को प्रतिनिधित्व गर्दै; बन्द हुँदा, यो '0' को प्रतिनिधित्व गर्न सक्दैन। आधुनिक कम्प्यूटरहरूले गर्ने सबै कुरा अन्ततः यी स्विचहरूमा उबलिन्छ।

दशकौंदेखि, हामीले माइक्रोचिपहरूमा ट्रान्जिस्टरहरूको घनत्व बढाएर कम्प्युटिङ् शक्तिमा सुधार गरेका छौं। पहिलो माइक्रोचिपमा एउटा मात्रै ट्रान्जिस्टर भएको भए पनि आज हामी यी अर्बौं स-साना स्विचलाई औँलाको नङको आकारको चिप्समा समेट्न सक्छौं।

पहिलो माइक्रोचिप जर्मेनियमबाट बनेको थियो, तर टेक्नोलोजी उद्योगले चाँडै बुझ्योसिलिकनचिप निर्माणको लागि उत्कृष्ट सामग्री थियो। सिलिकनका प्राथमिक फाइदाहरूमा यसको प्रचुरता, कम लागत, र उच्च पग्लने बिन्दु समावेश छ, जसको मतलब यसले उच्च तापमानमा राम्रो प्रदर्शन गर्दछ। थप रूपमा, सिलिकन अन्य सामग्रीहरूसँग "डोप" गर्न सजिलो छ, इन्जिनियरहरूलाई विभिन्न तरिकामा यसको चालकता समायोजन गर्न अनुमति दिन्छ।

सिलिकनले आधुनिक कम्प्युटिङमा कस्ता चुनौतीहरू सामना गर्छन्?

ट्रान्जिस्टरहरूलाई निरन्तर संकुचित गरेर छिटो, थप शक्तिशाली कम्प्युटरहरू सिर्जना गर्ने क्लासिक रणनीतिसिलिकनचिप्स लड्न थालेको छ। पेन्सिलभेनिया विश्वविद्यालयका इन्जिनियरिङका प्रोफेसर दीप जरिवालाले वाल स्ट्रीट जर्नलसँगको २०२२ को अन्तर्वार्तामा भने, “जबकि सिलिकनले यस्तो सानो आयाममा काम गर्न सक्छ, तर गणनाको लागि आवश्यक ऊर्जा दक्षता बढ्दै गएको छ, जसले यसलाई अत्यन्तै दिगो बनाएको छ। ऊर्जा दृष्टिकोणबाट, यसले अब कुनै अर्थ राख्दैन। ”

वातावरणलाई थप हानी नगरी हाम्रो टेक्नोलोजी सुधार गर्न जारी राख्न, हामीले यो दिगोपन मुद्दालाई सम्बोधन गर्नुपर्छ। यस खोजमा, केही अनुसन्धानकर्ताहरूले ग्यालियम र नाइट्रोजनबाट बनेको यौगिक ग्यालियम नाइट्राइड (GaN) सहित सिलिकन बाहेक अन्य अर्धचालक सामग्रीबाट बनेको चिपहरू नजिकबाट जाँचिरहेका छन्।

ग्यालियम नाइट्राइडले अर्धचालक सामग्रीको रूपमा किन ध्यान दिइरहेको छ?

अर्धचालकहरूको विद्युतीय चालकता फरक हुन्छ, मुख्यतया "ब्यान्डग्याप" भनेर चिनिने कारणले। न्यूक्लियसमा प्रोटोन र न्युट्रोन क्लस्टर हुन्छन्, जबकि इलेक्ट्रोनहरू यसको वरिपरि परिक्रमा गर्छन्। विद्युत सञ्चालन गर्न सामग्रीको लागि, इलेक्ट्रोनहरू "भ्यालेन्स ब्यान्ड" बाट "कंडक्शन ब्यान्ड" मा हाम फाल्न सक्षम हुनुपर्छ। यस संक्रमणको लागि आवश्यक न्यूनतम ऊर्जाले सामग्रीको ब्यान्डग्याप परिभाषित गर्दछ।

कन्डक्टरहरूमा, यी दुई क्षेत्रहरू ओभरल्याप हुन्छन्, परिणामस्वरूप कुनै ब्यान्डग्याप हुँदैन - इलेक्ट्रोनहरू यी सामग्रीहरू मार्फत स्वतन्त्र रूपमा जान सक्छन्। इन्सुलेटरहरूमा, ब्यान्डग्याप धेरै ठूलो हुन्छ, यसले महत्त्वपूर्ण ऊर्जा प्रयोग गर्दा पनि इलेक्ट्रोनहरूलाई पार गर्न गाह्रो बनाउँछ। अर्धचालकहरू, सिलिकन जस्तै, एक मध्य जमीन कब्जा;सिलिकन1.12 इलेक्ट्रोन भोल्ट (eV) को ब्यान्डग्याप छ, जबकि ग्यालियम नाइट्राइडले 3.4 eV को ब्यान्डग्याप घमण्ड गर्दछ, यसलाई "वाइड ब्यान्डग्याप सेमीकन्डक्टर" (WBGS) को रूपमा वर्गीकृत गर्दछ।

WBGS सामग्रीहरू चालकता स्पेक्ट्रममा इन्सुलेटरहरूको नजिक छन्, इलेक्ट्रोनहरूलाई दुई ब्यान्डहरू बीच सार्नको लागि थप ऊर्जा चाहिन्छ, तिनीहरूलाई धेरै कम भोल्टेज अनुप्रयोगहरूको लागि अनुपयुक्त बनाउँछ। यद्यपि, WBGS ले उच्च भोल्टेज, तापक्रम, र ऊर्जा फ्रिक्वेन्सीहरूमा काम गर्न सक्छसिलिकन आधारितअर्धचालकहरू, तिनीहरूलाई छिटो र अधिक कुशलतापूर्वक चलाउन प्रयोग गर्ने यन्त्रहरूलाई अनुमति दिन्छ।

क्याम्ब्रिज गाएन सेन्टरका निर्देशक रेचेल ओलिभरले फ्रीथिंकलाई बताइन्, “यदि तपाईंले फोन चार्जरमा हात राख्नुभयो भने, यो तातो महसुस हुनेछ; त्यो सिलिकन चिप्स द्वारा बर्बाद ऊर्जा हो। GaN चार्जरहरू स्पर्श गर्न धेरै कूलर महसुस गर्छन् - त्यहाँ ऊर्जा धेरै कम बर्बाद हुन्छ।"

ग्यालियम र यसका यौगिकहरू प्रकाश उत्सर्जन गर्ने डायोडहरू, लेजरहरू, सैन्य रडार, उपग्रहहरू, र सौर्य कक्षहरू सहित टेक उद्योगमा दशकौंदेखि प्रयोग हुँदै आएका छन्। तर,ग्यालियम नाइट्राइडहाल अनुसन्धानकर्ताहरूको फोकस हो जसले प्रविधिलाई अझ शक्तिशाली र ऊर्जा-कुशल बनाउने आशा गर्दछ।

ग्यालियम नाइट्राइडले भविष्यमा के प्रभाव पार्छ?

ओलिभरले उल्लेख गरेझैं, GaN फोन चार्जरहरू पहिले नै बजारमा छन्, र अनुसन्धानकर्ताहरूले विद्युतीय सवारीसाधनको सन्दर्भमा उपभोक्ताको महत्त्वपूर्ण चिन्तालाई सम्बोधन गर्दै छिटो विद्युतीय सवारी चार्जरहरू विकास गर्न यस सामग्रीको लाभ उठाउने लक्ष्य राखेका छन्। ओलिभरले भने, "विद्युतीय सवारीसाधन जस्ता यन्त्रहरूले धेरै छिटो चार्ज गर्न सक्छन्।" "पोर्टेबल पावर र द्रुत चार्ज चाहिने कुनै पनि चीजको लागि, ग्यालियम नाइट्राइडको महत्त्वपूर्ण क्षमता छ।"

ग्यालियम नाइट्राइडयसले सैन्य विमान र ड्रोनको राडार प्रणालीलाई पनि बृद्धि गर्न सक्छ, जसले तिनीहरूलाई धेरै टाढाबाट लक्ष्य र खतराहरू पहिचान गर्न अनुमति दिन्छ, र डाटा सेन्टर सर्भरहरूको दक्षता सुधार गर्दछ, जुन एआई क्रान्तिलाई किफायती र दिगो बनाउनको लागि महत्त्वपूर्ण छ।

त्यो दिएरग्यालियम नाइट्राइडधेरै पक्षहरूमा उत्कृष्ट छ र केहि समयको लागि वरिपरि रहेको छ, किन माइक्रोचिप उद्योगले सिलिकन वरिपरि निर्माण गर्न जारी राख्छ? जवाफ, सधैं जस्तै, लागतमा निहित छ: GaN चिपहरू अधिक महँगो र निर्माण गर्न जटिल छन्। लागत घटाउन र उत्पादन मापन गर्न समय लाग्नेछ, तर अमेरिकी सरकारले यस उदीयमान उद्योगलाई किकस्टार्ट गर्न सक्रिय रूपमा काम गरिरहेको छ।

फेब्रुअरी 2024 मा, संयुक्त राज्य अमेरिकाले घरेलू चिप उत्पादन विस्तार गर्न CHIPS र विज्ञान ऐन अन्तर्गत अर्धचालक उत्पादन कम्पनी ग्लोबलफाउन्ड्रीलाई $ 1.5 बिलियन छुट्यायो।

 यी कोषहरूको एक भाग भर्मोन्टमा उत्पादन सुविधा अपग्रेड गर्न प्रयोग गरिनेछ, यसलाई ठूलो मात्रामा उत्पादन गर्न सक्षम पार्दै।ग्यालियम नाइट्राइड(GaN) सेमीकन्डक्टरहरू, एक क्षमता जुन हाल अमेरिकामा महसुस गरिएको छैन कोष घोषणा अनुसार, यी अर्धचालकहरू विद्युतीय सवारी साधनहरू, डाटा केन्द्रहरू, स्मार्टफोनहरू, पावर ग्रिडहरू, र अन्य प्रविधिहरूमा प्रयोग गरिनेछ। 

यद्यपि, अमेरिकाले आफ्नो उत्पादन क्षेत्रमा सामान्य सञ्चालन पुनर्स्थापित गर्न प्रबन्ध गरे पनि, उत्पादनGaNचिप्स ग्यालियमको स्थिर आपूर्तिमा निर्भर छ, जुन हाल ग्यारेन्टी छैन। 

जबकि ग्यालियम दुर्लभ छैन - यो तामाको तुलनामा पृथ्वीको क्रस्टमा अवस्थित छ - यो तामा जस्तै ठूलो, खान योग्य भण्डारहरूमा अवस्थित छैन। जे होस्, ग्यालियमको ट्रेस मात्राहरू एल्युमिनियम र जस्ता युक्त अयस्कहरूमा फेला पार्न सकिन्छ, जसले यी तत्वहरूको प्रशोधन गर्दा यसको सङ्कलन गर्न अनुमति दिन्छ। 

2022 सम्म, विश्वको ग्यालियमको लगभग 90% चीनमा उत्पादन भएको थियो। यसैबीच, अमेरिकाले 1980 देखि ग्यालियम उत्पादन गरेको छैन, यसको 53% ग्यालियम चीनबाट आयात गरिएको छ र बाँकी अन्य देशहरूबाट आयात गरिएको छ। 

जुलाई 2023 मा, चीनले राष्ट्रिय सुरक्षा कारणहरूका लागि ग्यालियम र अर्को सामग्री, जर्मेनियमको निर्यातमा प्रतिबन्ध लगाउन सुरु गर्ने घोषणा गर्‍यो। 

चीनको नियमहरूले अमेरिकामा ग्यालियम निर्यातमा पूर्ण रूपमा प्रतिबन्ध लगाएको छैन, तर तिनीहरूले सम्भावित खरीददारहरूलाई अनुमतिको लागि आवेदन दिन र चिनियाँ सरकारबाट स्वीकृति प्राप्त गर्न आवश्यक छ। 

अमेरिकी रक्षा ठेकेदारहरूले अस्वीकृतिको सामना गर्ने लगभग निश्चित छन्, विशेष गरी यदि तिनीहरू चीनको "अविश्वसनीय इकाई सूची" मा सूचीबद्ध छन्। हालसम्म, यी प्रतिबन्धहरूले ग्यालियम मूल्यहरू बढाएको देखिन्छ र प्रायजसो चिप निर्माताहरूको लागि विस्तारित अर्डर डेलिभरी समयको कारण स्पष्ट रूपमा अभाव भएको देखिन्छ, यद्यपि चीनले भविष्यमा यस सामग्रीमा आफ्नो नियन्त्रण कडा गर्न रोज्न सक्छ। 

संयुक्त राज्यले लामो समयदेखि महत्वपूर्ण खनिजहरूको लागि चीनमा आफ्नो भारी निर्भरतासँग सम्बन्धित जोखिमहरू पहिचान गरेको छ - 2010 मा जापानसँगको विवादको क्रममा, चीनले दुर्लभ पृथ्वी धातुहरूको निर्यातमा अस्थायी रूपमा प्रतिबन्ध लगाएको थियो। सन् २०२३ मा चीनले आफ्नो प्रतिबन्धको घोषणा गरेपछि अमेरिकाले आफ्नो आपूर्ति शृङ्खलालाई सुदृढ पार्ने उपायहरू खोजिरहेको थियो। 

सम्भावित विकल्पहरूमा क्यानाडा जस्ता अन्य देशहरूबाट ग्यालियम आयात गर्ने (यदि तिनीहरूले पर्याप्त मात्रामा उत्पादन बढाउन सक्छ भने), र इलेक्ट्रोनिक फोहोरबाट सामग्री पुन: प्रयोग गर्ने समावेश गर्दछ—यस क्षेत्रमा अनुसन्धान अमेरिकी रक्षा विभागको उन्नत अनुसन्धान परियोजना एजेन्सीद्वारा वित्त पोषित भइरहेको छ। 

ग्यालियमको आन्तरिक आपूर्ति स्थापना गर्नु पनि एक विकल्प हो। 

नेदरल्याण्डमा रहेको कम्पनी नाइरस्टारले टेनेसीमा रहेको आफ्नो जिंक प्लान्टले हालको अमेरिकी मागको ८०% पूरा गर्न पर्याप्त ग्यालियम निकाल्न सक्ने संकेत गरेको छ, तर प्रशोधन सुविधा निर्माण गर्न १९ करोड डलर खर्च हुनेछ। कम्पनीले हाल अमेरिकी सरकारसँग विस्तार कोषका लागि वार्ता गरिरहेको छ।

सम्भावित ग्यालियम स्रोतहरूले राउन्ड शीर्ष, टेक्सासमा जम्मा पनि समावेश गर्दछ। 2021 मा, यूएस जियोलोजिकल सर्भेले अनुमान गरेको छ कि यो निक्षेपमा लगभग 36,500 टन ग्यालियम छ - तुलनात्मक रूपमा, चीनले 2022 मा 750 टन ग्यालियम उत्पादन गर्यो। 

सामान्यतया, ग्यालियम ट्रेस मात्रामा हुन्छ र अत्यन्तै छरिएको हुन्छ; यद्यपि, मार्च २०२४ मा, अमेरिकन क्रिटिकल मटेरियल कर्पोरेशनले मोन्टानाको कुटेनाइ राष्ट्रिय वनमा उच्च गुणस्तरको ग्यालियमको तुलनात्मक रूपमा उच्च एकाग्रता भएको निक्षेप पत्ता लगायो। 

हाल, टेक्सास र मोन्टानाबाट ग्यालियम निकाल्न बाँकी छ, तर इडाहो नेशनल ल्याबोरेटरी र अमेरिकन क्रिटिकल मटेरियल कर्पोरेशनका अनुसन्धानकर्ताहरूले यो सामग्री प्राप्त गर्नको लागि वातावरण मैत्री विधि विकास गर्न सहकार्य गरिरहेका छन्। 

अमेरिकाको लागि माइक्रोचिप टेक्नोलोजी सुधार गर्न ग्यालियम मात्र विकल्प होइन-चीनले केही अनियन्त्रित सामग्रीहरू प्रयोग गरेर थप उन्नत चिपहरू उत्पादन गर्न सक्छ, जसले केही अवस्थामा ग्यालियम-आधारित चिपहरू भन्दा राम्रो प्रदर्शन गर्न सक्छ। 

अक्टोबर 2024 मा, चिप निर्माता वोल्फस्पीडले अमेरिकामा सबैभन्दा ठूलो सिलिकन कार्बाइड (जसलाई SiC पनि भनिन्छ) चिप उत्पादन गर्ने सुविधा निर्माण गर्न CHIPS ऐन मार्फत $750 मिलियन डलरसम्मको कोष सुरक्षित गर्‍यो।ग्यालियम नाइट्राइडतर उच्च शक्ति सौर्य ऊर्जा प्लान्टहरू जस्ता निश्चित अनुप्रयोगहरूको लागि उपयुक्त छ। 

ओलिभरले फ्रिथिंकलाई भने, "गैलियम नाइट्राइडले निश्चित भोल्टेज दायराहरूमा धेरै राम्रो प्रदर्शन गर्दछ, जबकिसिलिकन कार्बाइडअरूमा राम्रो प्रदर्शन गर्दछ। त्यसैले यो तपाईले काम गरिरहनुभएको भोल्टेज र पावरमा निर्भर गर्दछ। 

संयुक्त राज्यले 3.4 eV भन्दा बढी ब्यान्डग्याप भएको वाइड-ब्यान्डग्याप सेमीकन्डक्टरहरूमा आधारित माइक्रोचिपहरूमा अनुसन्धानलाई पनि अनुदान दिइरहेको छ। यी सामग्रीहरूमा हीरा, एल्युमिनियम नाइट्राइड, र बोरोन नाइट्राइड समावेश छन्; यद्यपि तिनीहरू महँगो र प्रशोधन गर्न चुनौतीपूर्ण छन्, यी सामग्रीहरूबाट बनेका चिपहरूले एक दिन कम वातावरणीय लागतहरूमा उल्लेखनीय नयाँ कार्यक्षमताहरू प्रदान गर्न सक्छन्।

 "यदि तपाइँ तटवर्ती ग्रिडमा अपतटीय हावा उर्जा पठाउनमा संलग्न हुन सक्ने भोल्टेजका प्रकारहरूको बारेमा कुरा गर्दै हुनुहुन्छ भने,ग्यालियम नाइट्राइडउपयुक्त नहुन सक्छ, किनकि यसले त्यो भोल्टेज ह्यान्डल गर्न सक्दैन," ओलिभरले बताए। "आल्मुनियम नाइट्राइड जस्ता सामग्रीहरू, जुन चौडा ब्यान्डग्याप हुन्, गर्न सक्छन्।"