Puolijohteiden kehitys – Voisiko “Donut”-säteet ja “Lego”-palikat mullistaa teollisuuden lähestymistavat?

Elektronisten laitteiden olennainen komponentti, puolijohteet ovat kietoutuneet osaksi jokapäiväistä elämäämme. Nämä pienet mutta voimakkaat elementit ovat modernin teknologian kulmakivi, ajavat innovaatioita laskennassa, viestinnässä, puhtaassa energiassa, terveydenhuollossa, kuljetuksessa, sotilasjärjestelmissä ja lukuisissa muissa kriittisissä sovelluksissa. 

Kuvaten heidän kaikkialle ulottuvaa vaikutustaan, globaalin puolijohdemarkkinan koon odotetaan kasvavan 1,38 biljoonaan dollariin vuoteen 2029 mennessä, mikä on nousu 573,44 miljardista dollarista vuonna 2022.

Katse puolijohteiden kehitykseen

Puolijohteet ovat materiaaleja, jotka johtavat sähköä enemmän kuin eriste, mutta vähemmän kuin puhdas johtaja. Nämä materiaalit, jotka voivat olla puhtaita alkuaineita tai yhdisteitä, kokevat merkittävän muutoksen johtavuudessaan, kun niihin lisätään pieniä määriä epäpuhtauksia.

Juuri puolijohteiden ansiosta meillä on pääsy radioihin, televisioihin, älypuhelimiin, tietokoneisiin, videopelikonsoleihin ja kehittyneisiin lääketieteellisiin diagnostiikkalaitteisiin. Puolijohdeteollisuuden edistysaskeleet viime vuosikymmeninä ovat mahdollistaneet näiden elektronisten laitteiden pienentymisen, nopeutumisen, halpautumisen ja luotettavuuden parantumisen.

Myös integroituna piireinä (IC) tai mikrosiruina tunnetut puolijohteet ovat mullistaneet elämämme, vaikuttaen siihen, miten työskentelemme, kommunikoimme, matkustamme, hoidamme sairauksia, viihdymme ja hyödynnämme energiaa.

Modernin teknologian perusrakenteina puolijohteet jatkavat maailman merkittävimpien läpimurtojen ajamista, ja niillä on valtava potentiaali.

Joitakin jännittävimpiä innovaatioita puolijohdeteollisuudessa ovat kvanttilaskenta, joka vaatii uusia puolijohteita, jotka toimivat matalissa lämpötiloissa; neuro-morfinen laskenta, jonka tavoitteena on kehittää tietokonepiirejä, jotka jäljittelevät ihmisaivojen rakennetta ja toimintaa älykkäille koneille; piisilaserit (silicon photonics), jotka käyttävät valoa tiedonsiirtoon piirien välillä; sekä kehittynyt pakkaus, joka on olennaista korkean suorituskyvyn elektronisten laitteiden kehittämisessä.

Nämä kehittyneet puolijohderatkaisut tulevat näyttelemään keskeistä roolia tekoälyn (AI) kehityksessä, joka on yhä tärkeämpi eri toimialoilla. Puolijohteet voivat auttaa tekoälysovelluksia suorittamaan monimutkaisia tehtäviä tehokkaammin. Puolijohteilla on myös valtava potentiaali autonomisissa ajoneuvoissa, älykkäissä kuvanprosessi-järjestelmissä ja uusiutuvissa energiajärjestelmissä.

Puolijohteiden valmistus

Puolijohdeteollisuudessa keskitytään luomaan pienempiä, nopeampia ja edullisempia tuotteita, mikä liittyy suoraan periaatteeseen, että pienikokoisuus mahdollistaa enemmän tehoa samalle sirulle. Tämä tiiviys on ratkaisevaa, koska mitä enemmän transistoreja sirussa on, sitä nopeammin se toimii.

Tässä kohtaa astuu kuvaan Moore’n laki, jonka mukaan “tiheän integroidun piirin transistorien määrä kaksinkertaistuu noin kahden vuoden välein.” Tämä korostaa sirujen valmistajien painetta jatkuvasti innovoida ja tarjota tehokkaampia ja edullisempia puolijohteita samalla varmistamalla laadunvalvonta ja nopea tuotteen saatavuus myyntiin.

Suurin osa puolijohdeteollisuuden kysynnästä tulee älypuhelimista ja teollisuuslaitteista, mutta tekoälyn, IoT:n ja autonomisten ajoneuvojen nousu on muuttanut alan näkymiä.

Nyt kasvava kysyntä pakottaa puolijohdeyritykset panostamaan enemmän tutkimukseen ja kehitykseen, lisäämään toiminnallisuutta ja tehostamaan tuotantoa. Nämä vaatimukset ovat johtaneet merkittäviin haasteisiin, joista suurin on, miten tarjota pienempiä, tehokkaampia siruja kohtuullisin hinnoin.

Lisäksi innovaatiot ovat lisänneet puolijohdeteollisuuden valmistusprosessien monimutkaisuutta. Tämä monimutkaisuuden kasvu vaatii luonnollisesti tehokkaampia toimitusketjuja, mikä korostuu entisestään tekoälyyritysten jatkuvasti kasvavan kysynnän myötä. Tämä edellyttää sekä monipuolisia suorituskykyominaisuuksia että lyhyempiä toimitusaikoja.

Puolijohdepiirien valmistus sisältää waferin puhdistamisen, useiden kerrosten rakentamisen integroitujen piirejen luomiseksi sekä lopullisen tuotteen kokoonpanon ja pakkaamisen.

Näin ollen puolijohdevalmistajien on käsiteltävä materiaalien käsittelyyn, kierrätykseen ja prosessien parantamiseen liittyviä haasteita, jotka ovat keskeisiä heidän toiminnassaan. Mutta haasteiden kirjon ei rajoitu tähän; geopoliittiset tekijät vaikuttavat merkittävästi resurssien saatavuuteen ja kauppaan, kuten on nähty Yhdysvaltojen ja Kiinan tapauksessa.

Jo jonkin aikaa toimitusketjuongelmat ovat olleet alan suurimpia haasteita. Tilannetta monimutkaistavat geopoliittiset jännitteet ja kauppakiistat, ja mustat joutsenet, kuten pandemia, ovat pahentaneet sirujen saatavuusongelmaa entisestään.

Näiden haasteiden lisäksi ala joutuu kamppailemaan kasvavan osaamiskuilun ja pätevien ammattilaisten saatavuuden välimatkan kanssa. Ottaen huomioon alan kovaa kilpailua ja nopeaa kehitystä, on odotettavissa, että osaajapula ja taitojen kuilu ovat väistämättömiä.

Kaikista näistä haasteista huolimatta ala jatkaa menestymistään. Läpäisyä, joilla on potentiaalia muuttaa tulevaisuutta, tapahtuu jatkuvasti, mikä osoittaa sektorin resilienssin ja innovatiivisen hengen.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista puolijohteiden laitteistojen osakkeista valmistuksen tukemiseksi.

‘Donut’-säteet mahdollistavat uskomattoman pienten kohteiden tarkastelun

Tässä kuussa uusi tutkimus otti yksityiskohtaisia kuvia pienistä kohteista käyttäen donitsinmuotoisia valonsäteitä, mikä ei olisi ollut mahdollista perinteisillä mikroskoopeilla. Tutkimuksen toteuttivat CU Boulderin tutkijat, ja sen odotetaan auttavan tiedemiehiä parantamaan monien “nanoelektroniikan” perusasioita, mukaan lukien tietokonepiirien mini-puolijohteet.

Tämä on viimeisin edistysaskel ptychografian alalla, joka on laskennallinen kuvantamistekniikka mikroskooppiseen kuvantamiseen. Ptychografian työkalut, toisin kuin perinteiset mikroskoopit, eivät tarkastele hyvin pieniä kohteita suoraan; ne sen sijaan suuntaavat laserit kohteeseen ja mittaavat, miten valo siroutuu.

Tutkimuksen vanhemman kirjoittajan, Margaret Murnanen, mukaan tähän mennessä tämä lähestymistapa, vaikka toimi hyvin, “epäonnistui täysin erittäin periodisissa näytteissä tai kohteissa, joissa on säännöllisesti toistuva kuvio”, koska se sisältää nanoelektroniikkaa.

Murnane, JILA:n (CU Boulderin ja NIST:n yhteistutkimuslaitos) tutkija, selitti haasteita, joita tiedemiehet kohtaavat ptychografian avulla tarkastellessaan joidenkin puolijohteiden rakenteita. Nämä rakenteet, jotka koostuvat silikonia muistuttavista atomeista järjestettyinä uskomattoman tasaisiin pieniin ruudukkoihin, aiheuttavat vaikeuksia niiden vaihtelun puutteen vuoksi.

Uudessa tutkimuksessa tutkijat loivat äärimmäisen ultraviolettivalon säteitä sen sijaan, että olisivat käyttäneet tavallisia laseja mikroskoopeissaan varjoleikkauksiin. Sitten, käyttämällä spiraalivaihelevyä, he kiertivät niiden muodon donitseiksi, ja kun nämä säteet osuivat toistuviin rakenteisiin, varjoleikkaukset olivat paljon monimutkaisempia kuin perinteisillä laseilla. Tämä mahdollisti tarkkojen kuvien keräämisen pienistä ja herkistä rakenteista.

Nämä rakenteet ovat kooltaan noin 10–100 nanometriä, ja tulevaisuudessa tiimi odottaa zoomaavansa vielä pienempiin rakenteisiin. Ideana on tehdä tästä donitsistrategiasta entistä tarkempi, mikä mahdollistaisi tiimin nähdä vielä hauraampia kohteita, ehkä jopa biologisia soluja, jonain päivänä.

Aiemmin linssipohjaiset kuvantamistyökalut pystyivät tarkastelemaan vain noin 200 nanometrin tarkkuuteen, eivätkä pystyneet tarkasti tallentamaan monia viruksia. Nyt tämän tutkimuksen myötä mikroskooppien perusrajoja on siirretty, ja tiedemiehet pystyvät tulevaisuudessa tallentamaan näitä patogeeneja reaaliajassa. “Sen sijaan, että käyttäisimme linssiä kuvan hakemiseen, käytämme algoritmeja,” hän sanoi.

Lisäksi säteet eivät vahingoita pieniä elektroniikkakomponentteja prosessissa, ja siksi niitä voidaan käyttää “tutkimaan puolijohteiden valmistuksessa ja painamisessa käytettyjä polymeereja vikojen varalta vahingoittamatta näitä rakenteita”, Murnane kertoi.

Kaiken kaikkiaan tällä uudella tutkimuksella on suuri potentiaali vaikuttaa puolijohdeteollisuuteen parantamalla nanoelektronisten komponenttien tarkastusta tarkemmalla laadunvalvonnalla. Tämä voisi myös mahdollistaa tutkijoiden tarkastella herkkiä puolijohderakenteita vahingoittamatta niiden eheyttä. Kun ptychografiatekniikat kehittyvät, voimme nähdä monipuolisempia kuvantamismenetelmiä puolijohdetutkimuksessa ja -kehityksessä.

Valoa hyödyntävät sirut, jotka “muokkaavat” puolijohteiden maisemaa

Toisessa uudessa tutkimuksessa Syyneen yliopiston Nano-instituutin nanotieteen laitoksessa, yhteistyössä Australian kansallisen yliopiston tutkijoiden kanssa, suunniteltiin uusi puolijohdearkkitehtuuri, jossa elektroniikka integroidaan fotoneihin kaistanleveyden ja suodatusohjauksen laajentamiseksi. Tämä tarkoittaa, että enemmän tietoa voi kulkea sirun läpi samalla kun mahdollistetaan kehittyneet suodatusohjaukset.

“Tämä työ raivaa tietä uudelle sukupolvelle kompakteja, korkean tarkkuuden RF-fotonisia suodattimia, joilla on laajakaistainen taajuusviritys, erityisesti hyödyllisiä ilmailussa ja avaruudessa tapahtuvissa RF-viestintäkuormissa, avaten mahdollisuuksia parannettuihin viestintä- ja tunnistuskykyihin.”

– sanoi tohtori Moritz Merklein, vanhempi tutkimusavustaja ja tutkimuksen yhteiskirjoittaja

Rakentaakseen tämän sirun tutkijat hyödynsivät nousevaa teknologiaa piilisilikaoniksessa, jonka avulla he pystyivät integroimaan erilaisia järjestelmiä puolijohteisiin, joiden leveys on alle 5 millimetriä, mikä on kuin Lego-rakennuspalikoiden kokoamista. Näin se tarjoaa skaalautuvan ja modulaarisen lähestymistavan sirujen suunnitteluun, avaten uusia mahdollisuuksia monimutkaisten ja erittäin tehokkaiden puolijohdelaitteiden luomiseen.

“Kansainvälisten puolijohdefoundryjen yhdistetty käyttö perussirun valmistamisessa paikallisen tutkimusinfrastruktuurin ja valmistuksen kanssa on ollut ratkaisevaa tämän fotonisen integroidun piirin kehittämisessä.”

– tohtori Alvaro Casas Bedoy, valonintegraation apulaisdirektori fysiikan koulussa

Tämä uusi kompakti piilisilikon puolijohde siru laajentaa merkittävästi radiofrekvenssi (RF) -kaistanleveyttä ja pystyy hallitsemaan yksikön läpi kulkevaa tietoa tarkasti. Sen sovelluksia löytyy kehittyneessä tutkassa, langattomissa verkoissa, satelliiteissa sekä 6G- ja 7G-telekommunikaation käyttöönotossa. Lisäksi se mahdollistaa laitteet, jotka voivat mukautua monenlaisiin sovelluksiin, tehden siitä käyttökelpoisen laajassa skenaariossa.

Tutkijoiden mukaan tämä parannettu kyky voi edelleen auttaa kehittyneessä kansallisessa valmistuksessa ja korkean teknologian lisäarvoketjujen luomisessa ilman, että täytyy turvautua yksinomaan kansainvälisiin valmistajiin.

Tämän keksinnön, pro-vice-kenraalin professori Ben Eggletonin mukaan, katsotaan merkittäväksi edistysaskeleeksi mikronaaltofotonian ja integroidun fotoniikan tutkimuksessa. Siru pystyy tarjoamaan 15 gigahertsin kaistanleveyden säädettäviä taajuuksia vaikuttavalla spektriratkaisulla.

Hän selitti, kuinka “mikronaaltofotonia näyttelee keskeistä roolia nykyaikaisissa viestintä- ja tutkasovelluksissa, tarjoten joustavuutta tarkasti suodattaa eri taajuuksia, vähentäen sähkömagneettista häiriötä ja parantaen signaalin laatua.” Lisäksi, integroidessaan kehittyneitä toimintoja puolijohdepiireihin (kalkogeeninen lasi piisin kanssa), Eggleton uskoo, että se voi “muokata paikallista puolijohteiden maisemaa.”

Suositut puolijohdevalmistajat 

Kun otetaan huomioon kaikki puolijohdeteollisuudessa tapahtuva, katsotaanpa nyt joitakin merkittäviä puolijohdevalmistajia:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

Maailman suurin puolijohdefoundry valmistaa integroituneita piirejä asiakkaiden puolesta. Yrityksen markkina-arvo on 523,56 miljardia dollaria, osakkeet käyvät 100,75 dollaria, noussut 35,52 % tänä vuonna. TSM:n liikevaihto (TTM) on ollut 68,86 miljardia, EPS (TTM) 5,36 ja P/E (TTM) 18,84, ja se tarjoaa osinkotuoton 1,81 %.

TSMC on tällä hetkellä matkalla N2 (2 nanometrin) sirujen massatuotantoon, jonka yrityksen mukaan “tulee olemaan alan edistyksellisin puolijohdetechnologia sekä tiheydessä että energiatehokkuudessa, kun se otetaan käyttöön.” Puolijohdevalmistaja työskentelee myös globaalin laajentumisensa parissa, joka alkoi muutama vuosi sitten uudella laitoksella Arizonassa ja sisältää nyt myös Japanin ja Saksan.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

Tällä globaalilla puolijohdeyrityksellä on markkina-arvo 217,13 miljardia dollaria, ja sen osakkeet käyvät 133,52 dollaria, noussut 107,52 % tänä vuonna. AMD:n liikevaihto (TTM) on ollut 22,11 miljardia, EPS (TTM) 0,13, eikä osinkoa tarjota. (NVDA )

Viime aikoina Advanced Micro esitteli uudet AI-sirunsa pitkään odotetusta MI300-sarjasta haastamaan Nvidian lippulaiva-AI-prosessoreita, jotka hallitsevat noin 80 % AI-sirumarkkinasta. Nämä uudet sirut on suunniteltu supertietokoneita ja generatiivisia AI-sovelluksia kuten ChatGPT ja Dall‑E varten. Yritys nosti myös AI-sirujen kohdemarkkinan ennusteen 400 miljardiin dollariin seuraavan neljän vuoden aikana.

3. Applied Materials, Inc. 

Yritys, joka on johtava valmistuslaitteiden, palveluiden ja ohjelmistojen tarjoaja puolijohdeteollisuudelle, omaa markkina-arvon 129,78 miljardia dollaria. Heijastaen sen asemaa, Yhdysvaltojen suurimman puolijohde-laitteiden valmistajan osakkeet käyvät tällä hetkellä 156,50 dollaria, mikä on vaikuttava nousu 59,3 % tänä vuonna. Taloudellisesti AMAT on raportoitu liikevaihdoksi (TTM) 26,51 miljardia, EPS (TTM) 8,11 ja P/E (TTM) 19,12, sekä tarjoaa osinkotuoton 0,83 %.

Kuitenkin Applied Materials (AMAT ) kohtaa tällä hetkellä haastavia olosuhteita, sillä se on Yhdysvaltain rikostutkinnan alaisena väitetystä laitteiden toimittamisesta Kiinan suurimmalle sirunvalmistajalle SMIC:lle, mahdollisesti kiertäen vientirajoituksia. Tilanne syntyy Yhdysvaltain hallituksen kieltopolitiikasta, joka koskee sekä edistyneiden sirujen että laitteiden lähettämistä Kiinaan. Liikkuessaan kohti globaaleja tavoitteitaan ja strategista laajentumistaan, yritys ilmoitti aiemmin tänä vuonna aikovansa investoida 400 miljoonaa dollaria neljän vuoden aikana yhteistyöinsinöörikeskuksen perustamiseen Intiassa.

4. ASML Holding NV 

Alankomaissa toimiva ASML toimittaa kehittyneitä litografiajärjestelmiä, joita sirunvalmistajat kuten TSMC, Samsung ja Intel (INTC ) käyttävät piisirujen piirtämiseen. Sen markkina-arvo on 286,32 miljardia dollaria, ja osakkeet käyvät 714,42 dollaria, noussut 30 % vuoden alusta, liikevaihto (TTM) 28,871 miljardia, EPS (TTM) 20,42 ja P/E (TTM) 34,78. Tarjottu osinkotuotto on 0,91 %.

Yritys raportoi äskettäin Q3-tuloksensa, jotka ylittivät 2 miljardia dollaria, ja toimitusjohtaja Peter Wennink sanoi: “Puolijohdeteollisuus on tällä hetkellä läpikäymässä syklinsä pohjaa, ja asiakkaamme odottavat, että käännekohta on nähtävissä tämän vuoden loppuun mennessä.”

Yhteenveto

Puolijohteet ovat kriittinen komponentti laitteissa, jotka ovat olennainen osa elämäämme. Ne ovat itse asiassa kukoistavan teknologiasektorin selkäranka. Ja kun puolijohteiden kysyntä jatkaa kasvuaan, se johtaa yhä pienempiin, nopeampiin ja energiatehokkaampiin siruihin. Kaikki tämä kehitys ja innovaatio mahdollistavat uusien laitteiden ja sovellusten kehittämisen, jotka olivat aiemmin mahdottomia!