Fremskridt inden for halvledere – Kan ‘Donut’-stråler og ‘Lego’-klodser sætte gang i at vende branchens tilgange på hovedet?

En væsentlig komponent i elektroniske enheder, har halvledere vævet sig ind i selve strukturen af vores daglige eksistens. Disse små, men kraftfulde elementer er grundstenen i moderne teknologi og driver innovation inden for computing, kommunikation, ren energi, sundhedspleje, transport, militære systemer og en lang række andre kritiske anvendelser. 

I et slående bevis på deres allestedsnærværende indflydelse forventes størrelsen af det globale halvledermarked faktisk at vokse til $1.38 trillion by 2029, op fra $573.44 milliarder i 2022.

Et kig på fremskridt inden for halvledere

Halvledere er materialer, der leder elektricitet mere end en isolator, men mindre end en ren leder. Disse materialer, som kan være enten rene grundstoffer eller forbindelser, gennemgår en betydelig ændring i ledningsevne, når små mængder af urenheder tilsættes.

Det er på grund af halvledere, at vi har adgang til radioer, fjernsyn, smartphones, computere, videospil og avanceret medicinsk diagnostisk udstyr. Fremskridtene inden for halvlederteknologi gennem de mange årtier har gjort det muligt for disse elektroniske enheder at blive mindre, hurtigere, billigere og mere pålidelige.

Også kaldet integrerede kredsløb (IC’er) eller mikrochips, har halvledere revolutioneret vores livsstil og påvirker, hvordan vi arbejder, kommunikerer, rejser, behandler sygdomme, underholder os og udnytter energi.

Som de grundlæggende byggesten i moderne teknologi fortsætter halvledere med at drive verdens mest betydningsfulde gennembrud og rummer enormt potentiale.

Nogle af de mest spændende innovationer i halvlederindustrien inkluderer kvantecomputing, som kræver nye typer af halvledere, der kan operere ved lave temperaturer; neuromorfisk computing, der sigter mod at udvikle computerchips, der efterligner den menneskelige hjernes struktur og funktion for intelligente maskiner; silicium-fotonik, som bruger lys til at overføre data mellem computerchips; og avanceret pakning, som er afgørende for udviklingen af højtydende elektroniske enheder.

Disse avancerede halvlederløsninger vil spille en nøglerolle i kunstig intelligens (AI), som bliver stadig vigtigere i forskellige industrier. Halvledere kan hjælpe AI‑applikationer med at udføre komplekse opgaver mere effektivt. Halvledere har også et enormt potentiale inden for autonome køretøjer, intelligente billedbehandlingssystemer og vedvarende energisystemer.

Halvlederproduktion

I halvlederindustrien er fokus på at skabe mindre, hurtigere og billigere produkter, et mål der hænger direkte sammen med princippet om, at mindre størrelse betyder, at mere kraft kan placeres på den samme chip. Denne kompakthed er afgørende, fordi jo flere transistorer der er på en chip, jo hurtigere fungerer den.

Det er her, Moores lov kommer ind i billedet, da den fastslår, at “antallet af transistorer i en tæt integreret kredsløb fordobles cirka hver anden år.” Dette understreger presset på chipproducenter til konstant at innovere og levere mere effektive og billigere halvledere, samtidig med at kvalitetssikring og hurtig tilgængelighed af produktet for salg sikres.

Størstedelen af efterspørgslen i halvlederindustrien kommer fra smartphones og industrielt udstyr, men fremkomsten af AI, IoT og autonome køretøjer har ændret branchens udsigter. 

Nu betyder den voksende efterspørgsel, at halvledervirksomheder skal lægge større vægt på forskning og udvikling, øge funktionaliteten og opnå mere effektive produktionscyklusser. Disse krav har ført til betydelige udfordringer for industrien, hvor den største er, hvordan man kan levere mindre, mere kraftfulde chips til overkommelige omkostninger.

Desuden har innovationer øget kompleksiteten i fremstillingsprocesserne i halvlederindustrien. Denne stigning i kompleksitet kræver naturligvis mere effektive forsyningskæder, et behov der yderligere forstærkes af den stadigt stigende efterspørgsel fra AI‑virksomheder. Det kræver ikke kun et bredt spektrum af ydelseskapaciteter, men også kortere leveringstider.

Fremstillingen af halvlederchips involverer rensning af waferen, opbygning af flere lag for at skabe integrerede kredsløb og derefter samling og pakning af flere komponenter til det endelige produkt.

Derfor må halvlederproducenter konfrontere udfordringer inden for materialehåndtering, genbrug og procesforbedringer, som er kritiske aspekter af deres drift. Men omfanget af deres udfordringer er ikke begrænset til dette; faktorer som geopolitik påvirker også i høj grad tilgængeligheden af ressourcer og handel, som eksemplificeret i sagen mellem USA og Kina.

I nogen tid nu har forsyningskædeproblemer faktisk været blandt de største udfordringer i branchen. Situationen kompliceres yderligere af faktorer som geopolitiske spændinger og handelskonflikter, med sorte svane‑begivenheder som pandemien, der forværrer problemet med chip‑tilgængelighed endnu mere.

Ud over disse udfordringer skal branchen også håndtere den voksende kløft mellem efterspørgslen efter kvalificerede fagfolk og tilgængeligheden af kompetente personer. Givet den intense konkurrence og det hurtige tempo i sektoren er det ikke overraskende, at der er en mangel på talent og en færdighedsgab.

På trods af alle disse udfordringer fortsætter branchen dog med at trives. Gennembrud, der har potentiale til at transformere fremtiden, sker konstant og viser sektorens modstandsdygtighed og innovative ånd.

Click here for the list of the best semiconductor equipment stocks for manufacturing support.

‘Doughnut’-stråler muliggør visning af utrolig små objekter

Denne måned tog en ny undersøgelse detaljerede billeder af mikroskopiske objekter ved hjælp af doughnut‑formede lysstråler, hvilket ikke ville have været muligt med traditionelle mikroskoper. Undersøgelsen blev udført af forskere fra CU Boulder og forventes at hjælpe videnskabsfolk med at forbedre de grundlæggende detaljer i en række “nanoelektronik”, herunder mini‑halvledere i computerchips.

Dette er den seneste udvikling inden for ptychografi, som er en beregningsbaseret billedteknik til mikroskopisk billeddannelse. Ptychografiverktøjer, i modsætning til traditionelle mikroskoper, ser ikke meget små ting direkte; i stedet skinner de laser på et mål og måler derefter, hvordan lyset spredes væk.

Ifølge den seniorforfatter af undersøgelsen, Margaret Murnane, fejlede denne tilgang indtil for nylig “fuldstændigt for meget periodiske prøver, eller objekter med et regelmæssigt gentagende mønster”, fordi den inkluderer nanoelektronik. 

Murnane, en fellow ved JILA – et fælles forskningsinstitut mellem CU Boulder og NIST – forklarede de udfordringer, forskere står over for, når de bruger ptychografi til at se strukturerne i visse halvledere. Disse strukturer, bestående af atomer som silicium arrangeret i utrolig ensartede små gitter, giver vanskeligheder på grund af deres mangel på variation.

Så i den nye undersøgelse skabte forskerne stråler af ekstrem ultraviolet lys i stedet for at bruge almindelige laser i deres mikroskoper til at lave skygge‑dukker. Derefter, ved at bruge en spiral faseplade, snoede de formen til doughnuts, og når disse stråler ramte de gentagne strukturer, blev de skygge‑dukker, der blev dannet, meget mere komplekse end dem fra traditionelle laser. Dette gjorde det muligt at indsamle præcise billeder af små og skrøbelige strukturer. 

Disse strukturer er omkring 10 til 100 nanometer i størrelse, og i fremtiden forventer teamet at zoome ind for at se endnu mindre strukturer. Ideen er at gøre denne doughnut‑strategi endnu mere præcis, hvilket vil give teamet mulighed for at se endnu mere skrøbelige objekter, måske endda biologiske celler, en dag.

Indtil nu kunne billedværktøjer, der bruger linser, kun se ned til en opløsning på omkring 200 nanometer, hvilket ikke tillod forskere at fange mange vira nøjagtigt. Men nu, med denne forskning, er de grundlæggende grænser for mikroskoper blevet skubbet, og forskere vil kunne fange disse patogener i aktion i realtid i fremtiden. “I stedet for at bruge en linse til at hente billedet, bruger vi algoritmer,” sagde hun.

Desuden skader strålerne ikke de små elektronik i processen og kan derfor bruges “til at inspicere polymererne, der bruges til at fremstille og printe halvledere for fejl, uden at beskadige disse strukturer i processen,” sagde Murnane.

Samlet set har denne nye undersøgelse stort potentiale for at påvirke halvlederindustrien ved at forbedre inspektionen af nanoelektroniske komponenter med mere præcis kvalitetskontrol. Dette kan også gøre det muligt for forskere at inspicere skrøbelige halvlederstrukturer uden at gå på kompromis med deres integritet. Efterhånden som flere fremskridt sker inden for ptychografiteknikker, kan vi se mere alsidige billedmetoder for halvlederforskning og -udvikling.

Fotoniske chips, der vil “omforme” halvlederlandskabet

I endnu en ny undersøgelse har forskere ved nanovidenskabsfaciliteten på University of Sydney Nano Institute, i samarbejde med videnskabsfolk fra Australian National University, designet en ny halvlederarkitektur, hvor de integrerede elektronik med fotoner for at udvide båndbredden og filterkontrollen. Dette betyder, at mere information kan flyde gennem chippen, mens avanceret filterkontrol muliggøres. 

“Dette arbejde baner vejen for en ny generation af kompakte, højopløselige RF-fotoniske filtre med bredbånds frekvenstunabilitet, særligt gavnligt i luft- og rumbaserede RF-kommunikationspayloads, og åbner muligheder for forbedrede kommunikations‑ og sensorkapaciteter.” 

– sagde Dr. Moritz Merklein, seniorforskningsmedarbejder og medforfatter af undersøgelsen

For at bygge denne chip benyttede forskerne en fremvoksende teknologi inden for silicium‑fotonik, som gjorde dem i stand til at integrere forskellige systemer på halvledere mindre end 5 millimeter brede, hvilket er som at samle Lego‑byggeklodser. På denne måde kan den tilbyde en skalerbar og modulær tilgang til chipdesign, hvilket åbner nye muligheder for at skabe komplekse og yderst effektive halvleder‑enheder.

“Den kombinerede brug af udenlandske halvlederfundamenter til at fremstille den grundlæggende chip‑wafer med lokal forskningsinfrastruktur og produktion har været afgørende for udviklingen af denne fotonisk integrerede kredsløb.” 

– Dr. Alvaro Casas Bedoy, Associate Director for Photonic Integration i School of Physics

Denne nye kompakte silicium‑halvlederchip udvider radiofrekvens‑båndbredden (RF) betydeligt og kan kontrollere informationen, der flyder gennem enheden, præcist. Man kan se dens anvendelse i avanceret radar, trådløse netværk, satellitter og udrulning af 6G‑ og 7G‑telekommunikation. Desuden betyder det, at enheder kan tilpasse sig forskellige anvendelser, hvilket gør den anvendelig i et bredt spektrum af scenarier.

Ifølge forskerne kan denne forbedrede evne yderligere hjælpe i avanceret suveræn produktion og oprettelsen af højteknologiske værdiskabende fabrikker uden udelukkende at være afhængig af internationale producenter. 

Denne opfindelse, ifølge pro‑vice‑kansler professor Ben Eggleton, er et betydeligt fremskridt inden for forskning i mikrobølge‑fotonik og integreret fotonik. Chippen har evnen til at tilbyde en 15‑gigahertz båndbredde af tunbare frekvenser med imponerende spektral opløsning.

Han forklarede, hvordan “mikrobølge‑fotonik spiller en afgørende rolle i moderne kommunikation og radar‑applikationer, idet den giver fleksibilitet til præcist at filtrere forskellige frekvenser, reducere elektromagnetisk interferens og forbedre signalkvaliteten.” Desuden, ved at integrere avancerede funktionaliteter i halvlederchips (chalcogenide‑glas med silicium), mener Eggleton, at den kan “omforme det lokale halvlederlandskab.”

Top‑halvlederproducenter 

Givet alt, hvad der foregår i halvlederindustrien, lad os nu se på nogle af de fremtrædende halvlederproducenter:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

Verdens største halvlederfondue beskæftiger sig med fremstilling af integrerede kredsløb på vegne af kunder. Med en markedsværdi på $523.56 milliarder handles virksomhedens aktier til $100.75, op 35.52 % i år. TSM’s omsætning (TTM) har været $68.86 milliarder, EPS (TTM) på 5.36 og P/E (TTM) på 18.84, mens den tilbyder en udbytteafkast på 1.81 %.

TSMC er i øjeblikket på rette vej til volumenproduktion af sine N2‑chips (2 nanometer), som ifølge virksomheden “vil være den mest avancerede halvlederteknologi i industrien både i tæthed og energieffektivitet, når den introduceres.” Halvlederproducenten arbejder også på sin globale udvidelse, som startede med en ny facilitet i Arizona for et par år siden og nu også omfatter Japan og Tyskland.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

Dette globale halvlederfirma har en markedsværdi på $217.13 milliarder, mens aktierne handles til $133.52, op 107.52 % i år. AMD’s omsætning (TTM) har været $22.11 milliarder, og EPS (TTM) på 0.13, men der tilbydes ingen udbytte.

Senest har Advanced Micro præsenteret sine nye AI‑chips fra den længe ventede MI300‑serie for at udfordre Nvidias førende AI‑processorer, som kontrollerer omkring 80 % af AI‑chip‑markedet. Disse nye chips er designet til supercomputere og til generativ AI‑applikationer såsom ChatGPT og Dall‑E. Virksomheden har også hævet prognosen for sit adresserbare marked for AI‑chips til $400 milliarder i de næste fire år.

3. Applied Materials, Inc. 

Virksomheden, en førende leverandør af produktionsudstyr, tjenester og software til halvlederindustrien, har en markedsværdi på $129.78 milliarder. Aktierne i den største amerikanske producent af halvlederudstyr handles i øjeblikket til $156.50, hvilket markerer en imponerende stigning på 59.3 % i år. Finansielt har AMAT rapporteret en omsætning (TTM) på $26.51 milliarder, en EPS (TTM) på 8.11 og en P/E (TTM) på 19.12, samt et udbytteafkast på 0.83 %.

Dog navigerer Applied Materials (AMAT ) i øjeblikket i udfordrende farvande, da de er under en amerikansk kriminalundersøgelse for angiveligt at have sendt udstyr til Kinas førende chipproducent SMIC, potentielt for at omgå eksportrestriktioner. Denne situation opstår midt i den amerikanske regerings forbud mod både avancerede chipforsendelser og udstyr til Kina. I et træk, der signalerer deres globale ambitioner og strategiske udvidelse, annoncerede Applied Materials tidligere i år deres plan om at investere $400 millioner over fire år for at etablere et samarbejdende ingeniørcenter i Indien.

4. ASML Holding NV 

Den hollandske ASML leverer avancerede litografisystemer, som bruges af chipproducenter som TSMC, Samsung og Intel (INTC ) til at tilføje kredsløb til silicium‑wafere. Den har en markedsværdi på $286.32 milliarder, mens aktierne handles til $714.42, op 30 % YTD med en omsætning (TTM) på 28.871 milliarder, EPS (TTM) på 20.42 og P/E (TTM) på 34.78. Udbytteafkastet er 0.91 %.

Virksomheden rapporterede for nylig Q3‑resultater på lidt over $2 milliarder, hvor CEO Peter Wennink sagde: “Halvlederindustrien arbejder i øjeblikket gennem bunden af cyklussen, og vores kunder forventer, at vendepunktet vil være synligt inden årets udgang.”

Konklusion

Halvledere er en kritisk komponent i enheder, der er integrerede dele af vores liv. De udgør faktisk rygraden i den blomstrende teknologisektor. Og efterhånden som efterspørgslen efter halvledere fortsætter med at stige, fører det til endnu mindre, hurtigere og mere energieffektive chips. Al denne fremdrift og innovation vil så muliggøre udviklingen af nye typer af enheder og applikationer, som tidligere var umulige!