สำรวจอนาคตของชิปเซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอน

อะไรเป็นตัวกำหนดบทบาทของเซมิคอนดักเตอร์ในด้านเทคโนโลยี?

วัสดุสามารถจำแนกตามการนำไฟฟ้าได้ โดยกระแสจะไหลได้ง่ายในตัวนำ แต่ไม่สามารถไหลในฉนวนได้ อุปกรณ์กึ่งตัวนำอยู่ในระหว่างนี้: สามารถนำไฟฟ้าได้ภายใต้สภาวะเฉพาะ ทำให้มีประโยชน์อย่างยิ่งในการคำนวณ ด้วยการใช้เซมิคอนดักเตอร์เป็นรากฐานสำหรับไมโครชิป เราสามารถควบคุมการไหลของไฟฟ้าภายในอุปกรณ์ ทำให้เกิดฟังก์ชันที่น่าทึ่งทั้งหมดที่เราพึ่งพาในปัจจุบัน

นับตั้งแต่ก่อตั้งพวกเขาซิลิคอนได้ครองอุตสาหกรรมชิปและเทคโนโลยี จนนำไปสู่คำว่า "Silicon Valley" อย่างไรก็ตาม อาจไม่ใช่วัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเทคโนโลยีในอนาคต เพื่อทำความเข้าใจเรื่องนี้ เราต้องทบทวนวิธีการทำงานของชิป ความท้าทายทางเทคโนโลยีในปัจจุบัน และวัสดุที่อาจมาแทนที่ซิลิคอนในอนาคต

ไมโครชิปแปลอินพุตเป็นภาษาคอมพิวเตอร์ได้อย่างไร

ไมโครชิปเต็มไปด้วยสวิตช์เล็กๆ ที่เรียกว่าทรานซิสเตอร์ ซึ่งแปลอินพุตของแป้นพิมพ์และโปรแกรมซอฟต์แวร์เป็นภาษาคอมพิวเตอร์ ซึ่งก็คือรหัสไบนารี่ เมื่อสวิตช์เปิดอยู่ กระแสสามารถไหลได้ คิดเป็น '1'; เมื่อปิดแล้วจะไม่สามารถแสดงเป็น '0' ทุกสิ่งที่คอมพิวเตอร์สมัยใหม่ทำในท้ายที่สุดแล้วต้องอาศัยสวิตช์เหล่านี้

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่เราปรับปรุงพลังการประมวลผลโดยการเพิ่มความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์บนไมโครชิป แม้ว่าไมโครชิปตัวแรกจะมีทรานซิสเตอร์เพียงตัวเดียว แต่ปัจจุบันเราสามารถรวมสวิตช์เล็กๆ เหล่านี้นับพันล้านตัวไว้ในชิปขนาดเท่าเล็บมือได้

ไมโครชิปตัวแรกทำจากเจอร์เมเนียม แต่อุตสาหกรรมเทคโนโลยีตระหนักได้อย่างรวดเร็วซิลิคอนเป็นวัสดุที่เหนือกว่าสำหรับการผลิตชิป ข้อได้เปรียบหลักของซิลิคอน ได้แก่ ความอุดมสมบูรณ์ ต้นทุนต่ำ และจุดหลอมเหลวที่สูงกว่า ซึ่งหมายความว่าจะทำงานได้ดีขึ้นที่อุณหภูมิสูง นอกจากนี้ ซิลิคอนยัง "เจือ" กับวัสดุอื่นๆ ได้ง่าย ช่วยให้วิศวกรสามารถปรับค่าการนำไฟฟ้าได้หลายวิธี

ซิลิคอนเผชิญกับความท้าทายอะไรบ้างในการประมวลผลสมัยใหม่

กลยุทธ์คลาสสิกในการสร้างคอมพิวเตอร์ที่เร็วขึ้นและทรงพลังยิ่งขึ้นโดยการลดขนาดทรานซิสเตอร์อย่างต่อเนื่องซิลิคอนชิปเริ่มสะดุด Deep Jariwala ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมที่มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียกล่าวในการสัมภาษณ์กับ The Wall Street Journal ในปี 2022 ว่า “แม้ว่าซิลิคอนสามารถทำงานได้ในขนาดที่เล็กเช่นนี้ แต่ประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่จำเป็นสำหรับการคำนวณก็เพิ่มขึ้น ทำให้ไม่ยั่งยืนอย่างยิ่ง จากมุมมองด้านพลังงาน มันไม่สมเหตุสมผลอีกต่อไป”

เพื่อปรับปรุงเทคโนโลยีของเราต่อไปโดยไม่ทำร้ายสิ่งแวดล้อมอีกต่อไป เราต้องแก้ไขปัญหาความยั่งยืนนี้ ในการแสวงหานี้ นักวิจัยบางคนกำลังตรวจสอบชิปที่ทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์นอกเหนือจากซิลิคอนอย่างใกล้ชิด ซึ่งรวมถึงแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ซึ่งเป็นสารประกอบที่ทำจากแกลเลียมและไนโตรเจน

เหตุใดแกลเลียมไนไตรด์จึงได้รับความสนใจในฐานะวัสดุเซมิคอนดักเตอร์

ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์แตกต่างกันไป โดยสาเหตุหลักมาจากสิ่งที่เรียกว่า "แถบแบนด์" โปรตอนและนิวตรอนกระจุกอยู่ในนิวเคลียส ในขณะที่อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียส สำหรับวัสดุที่จะนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะต้องสามารถกระโดดจาก "แถบวาเลนซ์" ไปยัง "แถบการนำไฟฟ้า" ได้ พลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนแปลงนี้จะกำหนดแถบความถี่ของวัสดุ

ในตัวนำ บริเวณทั้งสองนี้ทับซ้อนกัน ส่งผลให้ไม่มีแถบความถี่ อิเล็กตรอนสามารถผ่านวัสดุเหล่านี้ได้อย่างอิสระ ในฉนวน แถบความถี่มีขนาดใหญ่มาก ทำให้ยากที่อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปแม้จะใช้พลังงานจำนวนมากก็ตาม เซมิคอนดักเตอร์ เช่น ซิลิคอน ครอบครองพื้นที่ตรงกลางซิลิคอนมี bandgap ที่ 1.12 อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) ในขณะที่แกลเลียมไนไตรด์มี bandgap ที่ 3.4 eV ซึ่งจัดอยู่ในประเภท "เซมิคอนดักเตอร์ bandgap แบบกว้าง" (WBGS)

วัสดุ WBGS นั้นอยู่ใกล้กับฉนวนในสเปกตรัมการนำไฟฟ้า ทำให้ต้องใช้พลังงานมากขึ้นเพื่อให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ระหว่างสองแถบนี้ ทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำมาก อย่างไรก็ตาม WBGS สามารถทำงานที่แรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิ และความถี่พลังงานที่สูงกว่าที่ใช้ซิลิกอนเซมิคอนดักเตอร์ช่วยให้อุปกรณ์ที่ใช้ทำงานได้เร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

Rachel Oliver ผู้อำนวยการ Cambridge GaN Centre บอกกับ Freethink ว่า “ถ้าคุณวางมือบนที่ชาร์จโทรศัพท์ มันจะรู้สึกร้อน นั่นคือพลังงานที่สูญเสียไปจากชิปซิลิคอน เครื่องชาร์จ GaN ให้ความรู้สึกเย็นกว่ามากเมื่อสัมผัส—เปลืองพลังงานน้อยลงอย่างเห็นได้ชัด”

แกลเลียมและสารประกอบของมันถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมเทคโนโลยีมานานหลายทศวรรษ ซึ่งรวมถึงในไดโอดเปล่งแสง เลเซอร์ เรดาร์ทางการทหาร ดาวเทียม และเซลล์แสงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม,แกลเลียมไนไตรด์ปัจจุบันเป็นจุดสนใจของนักวิจัยที่หวังจะทำให้เทคโนโลยีมีประสิทธิภาพและประหยัดพลังงานมากขึ้น

แกลเลียมไนไตรด์มีผลกระทบต่ออนาคตอย่างไร

ดังที่ Oliver กล่าวไว้ เครื่องชาร์จโทรศัพท์ของ GaN มีอยู่แล้วในตลาด และนักวิจัยตั้งเป้าที่จะใช้ประโยชน์จากวัสดุนี้เพื่อพัฒนาเครื่องชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าที่เร็วขึ้น โดยจัดการกับข้อกังวลของผู้บริโภคที่สำคัญเกี่ยวกับยานพาหนะไฟฟ้า “อุปกรณ์อย่างรถยนต์ไฟฟ้าสามารถชาร์จได้เร็วกว่ามาก” โอลิเวอร์กล่าว “สำหรับทุกสิ่งที่ต้องใช้พลังงานแบบพกพาและการชาร์จอย่างรวดเร็ว แกลเลียมไนไตรด์มีศักยภาพที่สำคัญ”

แกลเลียมไนไตรด์ยังสามารถปรับปรุงระบบเรดาร์ของเครื่องบินทหารและโดรน ทำให้สามารถระบุเป้าหมายและภัยคุกคามจากระยะไกล และปรับปรุงประสิทธิภาพของเซิร์ฟเวอร์ศูนย์ข้อมูล ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการปฏิวัติ AI ในราคาไม่แพงและยั่งยืน

ระบุว่าแกลเลียมไนไตรด์มีความเป็นเลิศในหลายด้านและอยู่มาระยะหนึ่งแล้ว ทำไมอุตสาหกรรมไมโครชิปจึงยังคงสร้างโดยใช้ซิลิคอนต่อไป คำตอบอยู่ที่ต้นทุนเช่นเคย: ชิป GaN มีราคาแพงกว่าและซับซ้อนในการผลิต การลดต้นทุนและการขยายขนาดการผลิตอาจต้องใช้เวลา แต่รัฐบาลสหรัฐฯ กำลังทำงานอย่างแข็งขันเพื่อเริ่มต้นอุตสาหกรรมเกิดใหม่นี้

ในเดือนกุมภาพันธ์ ปี 2024 สหรัฐอเมริกาจัดสรรเงิน 1.5 พันล้านดอลลาร์ให้กับบริษัทผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ GlobalFoundries ภายใต้กฎหมาย CHIPS และ Science Act เพื่อขยายการผลิตชิปในประเทศ

 เงินทุนส่วนหนึ่งจะนำไปใช้ในการอัพเกรดโรงงานผลิตในรัฐเวอร์มอนต์ เพื่อให้สามารถผลิตได้จำนวนมากแกลเลียมไนไตรด์เซมิคอนดักเตอร์ (GaN) ซึ่งเป็นความสามารถที่ปัจจุบันยังไม่เกิดขึ้นจริงในสหรัฐอเมริกา ตามประกาศการระดมทุน เซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้จะถูกนำมาใช้ในยานพาหนะไฟฟ้า ศูนย์ข้อมูล สมาร์ทโฟน โครงข่ายไฟฟ้า และเทคโนโลยีอื่น ๆ 

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าสหรัฐฯ จะสามารถฟื้นฟูการดำเนินงานตามปกติในภาคการผลิตของตนได้ แต่การผลิตของกานชิปจะขึ้นอยู่กับปริมาณแกลเลียมที่มีความเสถียร ซึ่งในปัจจุบันยังไม่รับประกัน 

แม้ว่าแกลเลียมจะไม่ใช่ของหายาก แต่ก็มีอยู่ในเปลือกโลกในระดับที่เทียบได้กับทองแดง แต่ก็ไม่มีอยู่ในแหล่งสะสมขนาดใหญ่ที่สามารถขุดได้เช่นทองแดง อย่างไรก็ตาม แกลเลียมในปริมาณเล็กน้อยสามารถพบได้ในแร่ที่มีอะลูมิเนียมและสังกะสี จึงสามารถสะสมได้ในระหว่างการประมวลผลองค์ประกอบเหล่านี้ 

ในปี 2022 แกลเลียมประมาณ 90% ของโลกผลิตในจีน ในขณะเดียวกัน สหรัฐอเมริกาไม่ได้ผลิตแกลเลียมมาตั้งแต่ปี 1980 โดยแกลเลียม 53% นำเข้าจากประเทศจีน และส่วนที่เหลือมาจากประเทศอื่น 

ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2566 จีนประกาศว่าจะเริ่มจำกัดการส่งออกแกลเลียมและวัสดุอื่นอย่างเจอร์เมเนียม ด้วยเหตุผลด้านความมั่นคงของชาติ 

กฎระเบียบของจีนไม่ได้ห้ามการส่งออกแกลเลียมไปยังสหรัฐอเมริกาโดยสิ้นเชิง แต่กำหนดให้ผู้ซื้อที่มีศักยภาพต้องยื่นขอใบอนุญาตและได้รับการอนุมัติจากรัฐบาลจีน 

ผู้รับเหมาด้านกลาโหมของสหรัฐฯ เกือบจะเผชิญกับการปฏิเสธอย่างแน่นอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากพวกเขาอยู่ในรายชื่อ "รายชื่อนิติบุคคลที่ไม่น่าเชื่อถือ" ของจีน จนถึงตอนนี้ ข้อจำกัดเหล่านี้ดูเหมือนจะส่งผลให้ราคาแกลเลียมเพิ่มขึ้นและขยายเวลาการส่งมอบคำสั่งซื้อสำหรับผู้ผลิตชิปส่วนใหญ่ แทนที่จะเกิดการขาดแคลนโดยสิ้นเชิง แม้ว่าจีนอาจเลือกที่จะเข้มงวดการควบคุมวัสดุนี้ในอนาคตก็ตาม 

สหรัฐฯ ตระหนักมานานแล้วถึงความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับการพึ่งพาแร่ธาตุสำคัญของจีนอย่างหนัก ในระหว่างข้อพิพาทกับญี่ปุ่นในปี 2010 จีนสั่งห้ามการส่งออกโลหะหายากเป็นการชั่วคราว เมื่อถึงเวลาที่จีนประกาศข้อจำกัดในปี 2023 สหรัฐฯ ก็ได้สำรวจวิธีการต่างๆ เพื่อเสริมสร้างห่วงโซ่อุปทานของตนแล้ว 

ทางเลือกที่เป็นไปได้ ได้แก่ การนำเข้าแกลเลียมจากประเทศอื่นๆ เช่น แคนาดา (หากสามารถเพิ่มการผลิตได้เพียงพอ) และการรีไซเคิลวัสดุจากขยะอิเล็กทรอนิกส์ การวิจัยในพื้นที่นี้ได้รับทุนจากสำนักงานโครงการวิจัยขั้นสูงของกระทรวงกลาโหมสหรัฐ 

การจัดหาแกลเลียมภายในประเทศก็เป็นทางเลือกหนึ่งเช่นกัน 

Nyrstar ซึ่งเป็นบริษัทที่ตั้งอยู่ในเนเธอร์แลนด์ ระบุว่าโรงงานสังกะสีของตนในรัฐเทนเนสซีสามารถสกัดแกลเลียมได้เพียงพอเพื่อตอบสนองความต้องการ 80% ของสหรัฐในปัจจุบัน แต่การก่อสร้างโรงงานแปรรูปจะมีราคาสูงถึง 190 ล้านดอลลาร์ ขณะนี้บริษัทกำลังเจรจากับรัฐบาลสหรัฐฯ เพื่อขยายเงินทุน

แหล่งที่มาของแกลเลียมที่เป็นไปได้ยังรวมถึงการสะสมใน Round Top รัฐเท็กซัส ในปี 2021 สำนักงานสำรวจทางธรณีวิทยาของสหรัฐอเมริกาประเมินว่าแหล่งสะสมนี้มีแกลเลียมประมาณ 36,500 ตัน เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว จีนผลิตแกลเลียมได้ 750 ตันในปี 2022 

โดยทั่วไปแล้ว แกลเลียมจะเกิดขึ้นในปริมาณเล็กน้อยและมีการกระจายตัวอย่างมาก อย่างไรก็ตามในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2567 American Critical Materials Corp. ค้นพบแหล่งสะสมที่มีแกลเลียมคุณภาพสูงที่มีความเข้มข้นค่อนข้างสูงในป่าสงวนแห่งชาติ Kootenai ในรัฐมอนแทนา 

ขณะนี้ยังไม่ได้สกัดแกลเลียมจากเท็กซัสและมอนแทนา แต่นักวิจัยจาก Idaho National Laboratory และ American Critical Materials Corp. กำลังร่วมมือกันเพื่อพัฒนาวิธีการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในการรับวัสดุนี้ 

แกลเลียมไม่ใช่ทางเลือกเดียวสำหรับสหรัฐฯ ในการปรับปรุงเทคโนโลยีไมโครชิป เนื่องจากจีนสามารถผลิตชิปขั้นสูงได้มากขึ้นโดยใช้วัสดุที่ไม่มีข้อจำกัด ซึ่งในบางกรณีอาจมีประสิทธิภาพเหนือกว่าชิปที่ใช้แกลเลียม 

ในเดือนตุลาคม ปี 2024 Wolfspeed ผู้ผลิตชิปได้รับเงินทุนสนับสนุนสูงสุด 750 ล้านดอลลาร์ผ่านพระราชบัญญัติ CHIPS เพื่อสร้างโรงงานผลิตชิปซิลิคอนคาร์ไบด์ (หรือที่เรียกว่า SiC) ที่ใหญ่ที่สุดในสหรัฐอเมริกา ชิปประเภทนี้มีราคาแพงกว่าแกลเลียมไนไตรด์แต่จะดีกว่าสำหรับการใช้งานบางประเภท เช่น โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์กำลังสูง 

Oliver บอกกับ Freethink ว่า "Gallium nitride ทำงานได้ดีมากในช่วงแรงดันไฟฟ้าบางช่วงซิลิคอนคาร์ไบด์ทำงานได้ดีกว่าที่คนอื่น ดังนั้นมันจึงขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าและพลังงานที่คุณกำลังเผชิญอยู่” 

นอกจากนี้ สหรัฐฯ ยังให้ทุนสนับสนุนการวิจัยเกี่ยวกับไมโครชิปที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้าง ซึ่งมีแถบความถี่มากกว่า 3.4 eV วัสดุเหล่านี้ได้แก่ เพชร อะลูมิเนียมไนไตรด์ และโบรอนไนไตรด์ แม้ว่าจะมีค่าใช้จ่ายสูงและท้าทายในการประมวลผล แต่สักวันหนึ่งชิปที่ทำจากวัสดุเหล่านี้อาจมีฟังก์ชันการทำงานใหม่ๆ ที่น่าทึ่งด้วยต้นทุนด้านสิ่งแวดล้อมที่ลดลง

 “หากคุณกำลังพูดถึงประเภทของแรงดันไฟฟ้าที่อาจเกี่ยวข้องกับการส่งพลังงานลมนอกชายฝั่งไปยังโครงข่ายบนบกแกลเลียมไนไตรด์อาจไม่เหมาะสมเนื่องจากไม่สามารถรับมือกับแรงดันไฟฟ้านั้นได้” โอลิเวอร์อธิบาย “วัสดุอย่างอะลูมิเนียมไนไตรด์ซึ่งมีแถบความถี่กว้างสามารถทำได้”