Udnyttelse af simuleringer til at bringe chipproduktion tilbage til USA

Selvom mikrochips altid har været vigtige for den moderne verden, var det først efter forsyningskædeschokket i 2022, at regeringer og industrier indså deres kritiske betydning for den globale økonomi. Manglen var så alvorlig, at industrierne ikke havde andet valg end at stoppe deres massive samlebånd.

Så hvorfor er mikrochips så vigtige for den globale økonomi? Kort sagt er mikrochips rygraden i den moderne teknologibranche, uundværlige for alt fra personlige computere, smartphones, køkkenapparater, biler, medicinsk udstyr og endda i nogle kæledyr til identifikationsformål.

Men på trods af denne kritiske betydning kan kun få lande virkelig fremstille funktionelle mikrochips, da denne bestræbelse presser grænserne for præcisionsingeniørkunst og teknologisk innovation. Endelig er mikrochipproduktion ikke kun en kapitalintensiv industri, men den kræver også arbejdere med en højt specialiseret kompetenceprofil, som omfatter, men ikke er begrænset til, fysik, materialvidenskab og elektroteknik.

Desuden kræver faciliteterne, hvor disse mikrochips fremstilles, kendt som fabber, strenge miljøforhold for produktionsprocessen. Dette indebærer at opretholde specifikke temperatur- og fugtighedsniveauer og minimere forurening så meget som muligt.

Selv hvis sådanne perfekte betingelser er opfyldt, involverer fremstillingsprocessen flere trin, og hvert trin skal udføres med perfektion. Enhver fejl kan gøre mikrochipsene ubrugelige.

Desuden kræver de løbende teknologiske fremskridt mindre, mere effektive chips, hvilket lægger yderligere pres på fabberne. Og når de først mestrer produktionen af en bestemt generation af mikrochips, kan disse allerede være forældede på grund af manglende efterspørgsel.

Sådanne enorme barrierer gør fremstilling af mikrochips i stor skala til en formidabel udfordring for de fleste lande, selv for dem med de dybeste lommer.

Selv USA, den globale teknologisupermagt og førende inden for halvlederdesign, er ikke i topposition, når det gælder mikrochipproduktion, da den eftertragtede plads tilhører Taiwan. Dette skyldes Taiwans årtiers investering i halvlederproduktion og tilstedeværelsen af virksomheder som Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC).

Disse kompleksiteter viser, hvor udfordrende det er at opnå selvforsyning med hensyn til mikrochips. Men ifølge en nyligt offentliggjort artikel på hjemmesiden for United States Department of Energy’s Princeton Plasma Physics Laboratory, udvikler deres forskere computerprogrammer, der væsentligt vil forbedre simuleringen af plasma-processer, der anvendes i mikrochipproduktion.

Disse nye algoritmer kan overgå traditionelle simuleringsteknikker med hensyn til nøjagtighed og effektivitet, fremskynde mikrochipproduktionsprocessen og dermed hjælpe med at bringe chipproduktion tilbage til USA.

En Dobbelt Tilgang

Princeton Plasma Physics Laboratory udførte to forskningsprojekter samtidigt, og deres fokusområder adskilte sig i forhold til mål.

• Den første forskning fokuserede på at forbedre nøjagtigheden af disse simuleringer.
• Det andet forskningsmål var at accelerere simuleringstidsrammerne for plasmareaktorer, der anvendes i fremstillingen af mikrochips.

Behovet for Hastighed og Præcision i Plasmasimuleringer

De komplekse mønstre, der ætser ind i siliciumskiver for at skabe mikrochips, produceres i vid udstrækning ved hjælp af plasmareaktorer. Processen afhænger af plasmaets adfærd, en elektrisk ladet gas, der skal kontrolleres omhyggeligt for at opnå det ønskede resultat.

Traditionelt har stimulering af plasmaprocessen for at forudsige resultater og forbedre produktionsmetoder været en arbejdskrævende og tidskrævende opgave. Det er her, PPPL’s første forskning kommer ind i billedet. Den søger at ændre denne situation ved at skabe computeralgoritmer, der kan reducere den nødvendige tid for disse simuleringer betydeligt.

Og de har haft succes med det, da deres team reducerede simuleringstidsrammen fra uger til potentielt dage eller endda timer uden at gå på kompromis med væsentlige detaljer. Med hensyn til hvordan PPPL’s forskere gjorde dette, gik de tilbage i historien og forfinede de gamle algoritmer, især dem fra 1980’erne, for at opnå de ønskede resultater.

Håndtering af Simuleringsnøjagtighed

I deres anden forskningslinje adresserede PPPL’s forskerteam problemet med simuleringsnøjagtighed. Givet kompleksiteten af plasmaadfærd er det afgørende, at simuleringerne nøje afspejler virkelige reaktioner for effektive mikrochipproduktionsmetoder. Dog har behovet for en betydelig beregning for nøjagtigt at simulere adfærden af utallige plasma-partikler historisk set været ret udfordrende.

For at tackle dette problem forenklede PPPL-forskerteamet repræsentationen af plasma-partikler i simuleringerne. I stedet for at forsøge at tage højde for hver enkelt partikel, udviklede de en metode til at gruppere dem i større, mere håndterbare enheder. Denne tilgang reducerer den beregningsmæssige byrde betydeligt, hvilket fører til hurtigere og mere tilgængelige simuleringer.

Indledningsvis risikerede denne forenkling dog at forvride de sande dynamikker i plasmaadfærden, hvilket potentielt kunne føre til mindre nøjagtige forudsigelser. For at omgå dette forhindring justerede forskerne simulationens parametre, så disse partikelklynger blev større og mindre tætte. Denne ændring sikrer, at simulationens forudsigelser forbliver intakte, da partikelinteraktionerne vil efterligne dem i faktisk plasma tættere.

Denne omhyggelige balance mellem nøjagtighed og forenkling har et betydeligt potentiale for at forbedre mikrochipproduktionsprocesserne.

En Katalysator for Forandring

PPPL’s forskning har betydning ud over det tekniske område, da den har implikationer for de strategiske dynamikker i det globale halvmarked, især for USA. Denne opdagelse har nemlig potentialet til at omdefinere mikrochipproduktionslandskabet i USA ved at levere værktøjer, der kan reducere tid og omkostninger i mikrochipproduktionen. Evnen til hurtigt at tilpasse og forbedre produktionsprocesser er afgørende i en branche, hvor markedslederskab ofte afhænger af innovationshastigheden.

Desuden kan tilgængeligheden af avancerede simuleringsværktøjer udligne spillefeltet ved at gøre det muligt for amerikanske startups og mindre virksomheder at konkurrere mere effektivt mod etablerede globale giganter. Dette kan udløse en bølge af innovation inden for den amerikanske halvledersektor, efterhånden som flere virksomheder træder ind på markedet og leverer nye idéer og metoder til design og produktion af mikrochips.

Styrkelse af National Sikkerhed og Økonomisk Modstandsdygtighed

Nuværende globale omvæltninger og geopolitiske spændinger har gjort forsyningskæder sårbare. Denne afhængighed af andre lande for essentielle komponenter som mikrochips udgør en national risiko. USA indså omfanget af denne risiko under halvlederforsyningsschokket i 2022 og konkluderede, at enhver forstyrrelse i mikrochipforsyningen kunne påvirke den globale dominans af den amerikanske teknologibranche alvorligt.

PPPL-studiet er i overensstemmelse med bredere regeringsinitiativer, såsom CHIPS Act, der har til formål at genoprette amerikansk dominans i halvlederindustrien. Vedtaget den 9. august 2022 som CHIPS and Science Act, tildeler den næsten $280 milliarder i finansiering for at styrke indenlandsk halvlederproduktion og reducere afhængigheden af udenlandske kilder. Finansieringen understøtter forskning og udvikling, incitamenter til indenlandsk produktion og foranstaltninger til styrkelse af forsyningskæden.

Skiftet mod at sikre og revitalisere vores halvlederkapaciteter handler ikke kun om at opretholde økonomisk modstandsdygtighed og national sikkerhed; det er også et afgørende skridt i at bane vejen for den næste revolution inden for fremstilling og teknologi — Industri 4.0.

Opbygning af den Centrale Søjle for Industri 4.0

IBM ser Industri 4.0 som noget, hvor intelligent fremstilling vil spille en central rolle. Med andre ord har Industri 4.0 til formål at digitalt transformere fremstillingssektoren, hvor beslutninger leveres i realtid, hvilket øger produktiviteten for at opfylde det ultimative mål om at gøre produktions- og distributionsprocessen optimalt fleksibel og agil.

For at USA kan blive en leder inden for Industri 4.0, vil mikrochips være mere end nødvendige. En Goldman Sachs-undersøgelse har allerede vist, at mangel på mikrochips kan påvirke op til 169 industrier, herunder medicinsk teknologi, landbrugsmaskiner, forbrugerelektronik, energi og erhverv. I 2021 kunne den verdensberømte bilproducent Renault for eksempel ikke producere så mange som 500.000 biler på grund af mangel på mikrochips.

Denne sårbarhed understreger problemets kritiske karakter, da øget afhængighed af Taiwan, som nævnt tidligere, kan betyde en pludselig forstyrrelse i forsyningskæden, som det skete under COVID-19-pandemien, hvilket ville resultere i, at systemet kollapser fuldstændigt.

Klik her for listen over de ti bedste Internet of Things (IoT) aktier for en forbundet fremtid.

Fremtiden for USA i Mikrochipproduktion

USA har indset, hvor afgørende mikrochips kan være for en modstandsdygtig og selvforsynende økonomisk fremtid. Denne erkendelse har fået landet til at fremme systemer, hvor resultatet er mikrochips i verdensklasse.

George Washington University og fire andre akademiske forskningspartnere har for eksempel samarbejdet med USA’s Department of Commerce’s National Institute for Standards and Technology, Google og halvlederproducenten SkyWater Technology for at udvikle en ‘indenlandsk, overkommelig forsyning af sådanne mikrochips til forskere og startups.

Dette samarbejde har til formål at producere siliciumskiver, der vil indeholde hundreder af mikrochips til distribution i fællesskabet. Forskerne vil få adgang til en forplanariseret chip-platform, som er ‘egnet til integration og til at benchmarke ydeevnen af deres nye enheder mod andre enheder fra fællesskabet.’

Ifølge Gina Adam, lektor i afdelingen for Elektroteknik og Computer Engineering ved GW’s School of Engineering and Applied Science, vil partnerskabet levere:

“Den forskningsinfrastruktur, der er nødvendig for at gøre fremskridt inden for nanoteknologi og halvlederenheder, især efterhånden som USA skifter sit strategiske fokus til at bringe mikrochipproduktionen hjem.”

For at styrke indenlandsk mikrochipproduktion har den amerikanske regering erklæret sine planer om at investere næsten US$162 millioner i den i Arizona baserede Microchip Technology. Samarbejdet mellem virksomheden, den amerikanske regering og firmaet vil foregå i form af en ikke-bindende foreløbig memorandum of terms (PMT) aftale.

Den amerikanske regering vil stille millioner i ‘føderale incitamenter’ til rådighed, som vil blive kanaliseret i to strømme: US$90 millioner vil blive brugt på modernisering og udvidelse af virksomhedens produktionsanlæg i Colorado Springs, og de resterende US$72 millioner vil gå til udvidelse af virksomhedens anlæg i Gresham, Oregon.

En lignende finansiering på US$35 millioner blev tidligere tilbudt BAE Systems Electronic Systems, en forretningsenhed af BAE Systems, Inc. Målet var at støtte moderniseringen af virksomhedens Microelectronics Center.

Sammenfattende har USA gjort sig synligt aktive, både på politisk niveau og i gennemførelsen, for at fremme mikrochipproduktion i landet. Og de har alle grundene til at være så aktive med så stor energi og intensitet. Det er kun ikke essentielt at have forsyningslinjerne for computere, smartphones og biler uforstyrrede. Som vi allerede har set, kan tilstedeværelsen af mikrochips styrke nationale sikkerhedsmekanismer og cybersikkerhedsstrukturer.

Den 360-graders tilgang fra de amerikanske myndigheder tager højde for nødvendigheden af at tilskynde produktion, fremme forskning og udvikling, opbygge en uddannet arbejdsstyrke og styrke aktiviteter relateret til international informations- og kommunikationsteknologisikkerhed samt halvlederforsyningskæden.

De milliarder af dollars, som de amerikanske myndigheder er klar til at investere i at gøre mikrochipproduktion til en blomstrende indenlandsk virksomhed, har også formået at tiltrække globale aktører.

For eksempel har den største og mest betydningsfulde aktør på kortet, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), forpligtet sig til over US$12 milliarder for at bygge et halvlederfabrikationsanlæg i Arizona. Intel har planer om at bygge et US$20 milliarder stort halvlederproduktionsanlæg i Ohio. Micron Technology, Inc. har endnu mere ambitiøse planer, da de foreslår at investere op til US$100 milliarder i løbet af de næste to årtier for at bygge en massiv halvlederfabrik i det nordlige New York.

Med alle disse initiativer og handlingsplaner på plads er der ingen grund til, at USA skulle falde bagud i kapløbet om mikrochipproduktion. Men for at konkurrere med Østasiatiske lande, der udgør næsten tre fjerdedele af den globale moderne chipproduktion, skal USA opbygge en robust talent- og forsyningskæde. De skal også være opmærksomme på efterspørgslen, så de forbliver beskyttet mod risiciene ved overkapacitet og overskudsudbud. Derudover bør fokus forblive på at prioritere produktionen af de rigtige typer chips.

Ifølge Scott Kenedy, seniorrådgiver ved Center for Strategic and International Studies:

“USA har brug for at udvide chipproduktionen for en specifik type chips, der er direkte relateret til amerikansk national sikkerhed.”

Om USA formår at øge mikrochipproduktionen, og det på den rette optimerede måde, er noget, vi skal holde øje med.