Simulaatioiden hyödyntäminen siruteollisuuden palauttamiseksi Yhdysvaltoihin

Vaikka mikrochipit ovat aina olleet tärkeitä nykyaikaiselle maailmalle, vasta vuoden 2022 toimitusketjun shokin jälkeen hallitukset ja teollisuus tajusivat niiden kriittisen merkityksen globaalille taloudelle. Puute oli niin vakava, että teollisuudella ei ollut muuta vaihtoehtoa kuin pysäyttää massiiviset kokoonpanolinjat.

Miksi mikrochipit ovat siis niin tärkeitä globaalille taloudelle? Yksinkertaisesti sanottuna mikrochipit ovat modernin teknologiasektorin selkäranka, olennaisia kaikessa henkilökohtaisista tietokoneista, älypuhelimista, keittiölaitteista, autoista, lääketieteellisistä laitteista ja jopa joissakin kotieläimissä tunnistustarkoituksiin.

Mutta tästä kriittisestä merkityksestä huolimatta vain harvat maat pystyvät todella valmistamaan toimivia mikrochippejä, sillä tämä pyrkimys työntää tarkkuusinsinöörityön ja teknologisen innovaation rajoja. Loppujen lopuksi mikrochipin valmistus ei ole pelkästään pääomaintensiivinen ala, vaan se vaatii työntekijöitä, joilla on erittäin erikoistunut osaaminen, johon kuuluvat muun muassa fysiikka, materiaalitiede ja sähkötekniikka.

Lisäksi ne laitokset, joissa näitä mikrochippejä valmistetaan, eli fabit, vaativat tiukkoja ympäristöolosuhteita tuotantoprosessille. Tämä tarkoittaa tiettyjen lämpötila- ja kosteusolosuhteiden ylläpitämistä sekä kontaminaation minimointia mahdollisimman paljon.

Vaikka nämä täydelliset olosuhteet saavutettaisiin, valmistusprosessi sisältää useita vaiheita, ja jokainen vaihe on suoritettava virheettömästi. Mikä tahansa virhe voi tehdä mikrochipistä käyttökelvottoman.

Lisäksi jatkuvat teknologiset edistysaskeleet vaativat pienempiä, tehokkaampia siruja, mikä asettaa lisäpaineita fabeille. Ja kun ne hallitsevat tietyn sukupolven mikrochipin tuotannon, ne voivat jo olla vanhentuneita kysynnän puutteen vuoksi.

Tällaiset valtavat esteet tekevät mikrochipien massatuotannosta merkittävän haasteen useimmille maille, jopa niille, joilla on syvimmät taskut.

Jopa Yhdysvallat, globaali teknologiajätti ja puolijohteiden suunnittelun johtaja, ei ole mikrochipin valmistuksen kärkipisteessä, sillä se haluttu asema kuuluu Taiwanille. Tämä johtuu Taiwanin vuosikymmenten mittaisesta investoinnista puolijohdeteollisuuteen ja yrityksistä kuten Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Company (TSMC).

Nämä monimutkaisuudet osoittavat, kuinka haastavaa on saavuttaa omavaraisuutta mikrochipien osalta. Kuitenkin, kuten äskettäin julkaistussa artikkelissa Yhdysvaltain energiaministeriön Princeton Plasma Physics Laboratoryn verkkosivustolla, sen tutkijat kehittävät tietokoneohjelmia, jotka parantavat merkittävästi mikrochipin valmistuksessa käytettävien plasma-prosessien simulointia.

Nämä uudet algoritmit voivat ylittää perinteiset simulaatiotekniikat tarkkuuden ja tehokkuuden osalta, nopeuttaen mikrochipin tuotantoprosessia ja siten auttaen siruteollisuuden palauttamisessa Yhdysvaltoihin.

Kaksoislähestymistapa

Princeton Plasma Physics Laboratory toteutti kahta tutkimusta samanaikaisesti, ja niiden fokuskohteet erosivat tavoitteiden osalta.

• Ensimmäinen tutkimus keskittyi näiden simulaatioiden tarkkuuden parantamiseen.
• Toisen tutkimuksen tavoitteena oli nopeuttaa plasma-reaktoreiden simulaatioaikoja, joita käytetään mikrochipien valmistuksessa.

Nopeuden ja tarkkuuden tarve plasma-simulaatioissa

Monimutkaiset kuviot, jotka kaiverretaan piilevyihin sirujen luomiseksi, tuotetaan pääosin plasma-reaktoreilla. Prosessi riippuu plasman käyttäytymisestä, sähköisesti varautuneesta kaasusta, jota on hallittava tarkasti halutun tuloksen saavuttamiseksi.

Perinteisesti plasmaprosessin stimuloiminen tulosten ennustamiseksi ja tuotantomenetelmien parantamiseksi on ollut työläs ja aikaa vievä tehtävä. Tässä PPPL:n ensimmäinen tutkimus astuu kuvaan. Se pyrkii muuttamaan tilannetta luomalla tietokonealgoritmeja, jotka voivat merkittävästi lyhentää näiden simulaatioiden vaatimaa aikaa.

Ja he ovat olleet siinä menestyksekkäitä, sillä heidän tiiminsä lyhensi simulaatioaikaa viikoista mahdollisesti päiviin tai jopa tunteihin menettämättä merkittävää yksityiskohtaa. PPPL:n tutkijat tekivät tämän tarkastelemalla historiaa uudelleen ja hiomalla vanhoja algoritmeja, erityisesti 1980-luvulla luotuja, saavuttaakseen halutut tulokset.

Simulaation tarkkuuden käsittely

Toisessa tutkimuslinjassaan PPPL:n tutkijatiimi käsitteli simulaation tarkkuusongelmaa. Ottaen huomioon plasman käyttäytymisen monimutkaisuuden, on ratkaisevan tärkeää, että simulaatiot heijastavat tarkasti todellisia reaktioita tehokkaiden mikrochipin tuotantomenetelmien kannalta. Kuitenkin tarve merkittävään laskentaan lukemattomien plasmahiukkasten käyttäytymisen tarkkaan simuloimiseksi on historiallisesti ollut melko haastavaa.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi PPPL:n tutkimusryhmä yksinkertaisti plasmahiukkasten esitystä simulaatioissa. Sen sijaan, että yritettäisiin ottaa huomioon jokainen hiukkanen erikseen, he kehittivät menetelmän ryhmitellä ne suuremmiksi, helpommin hallittaviksi kokonaisuuksiksi. Tämä lähestymistapa vähentää merkittävästi laskennallista kuormitusta, mikä johtaa nopeampiin ja helpommin saavutettaviin simulaatioihin.

Aluksi tämä yksinkertaistus kuitenkin uhkasi vääristää plasma käyttäytymisen todellisia dynamiikkoja, mikä voisi johtaa vähemmän tarkkoihin ennusteisiin. Tämän esteen kiertämiseksi tutkijat säätivät simulaation parametreja, tehden hiukkasklusterit suuremmiksi ja vähemmän tiheiksi. Tämä muutos varmistaa, että simulaation ennusteet pysyvät tarkkoina, koska hiukkasvuorovaikutukset muistuttavat tarkemmin todellista plasmaa.

Tämä tarkka tasapaino tarkkuuden ja yksinkertaistamisen välillä tarjoaa merkittävän potentiaalin mikrochipin valmistusprosessien parantamiseen.

Muutoksen katalysaattori

PPPL:n tutkimuksella on merkitystä teknisen alan ulkopuolella, sillä se vaikuttaa globaalin puolijohdemarkkinan strategiseen dynamiikkaan, erityisesti Yhdysvalloissa. Loppujen lopuksi tämä löytö tarjoaa mahdollisuuden uudelleenmääritellä mikrochipin valmistusmaisema Yhdysvalloissa tarjoamalla työkaluja, jotka voivat vähentää mikrochipin tuotannossa tarvittavaa aikaa ja kustannuksia. Kyky nopeasti sopeutua ja parantaa tuotantoprosesseja on ratkaisevaa alalla, jossa markkinajohtajuus riippuu usein innovaation tahdista.

Lisäksi kehittyneiden simulaatiotyökalujen saatavuus voi tasoittaa pelikenttää antamalla Yhdysvalloissa toimiville startupeille ja pienemmille yrityksille mahdollisuuden kilpailla tehokkaammin vakiintuneiden globaalien jättiläisten kanssa. Tämä voi käynnistää innovaatiotaallon amerikkalaisessa puolijohde-sektorissa, kun yhä useammat yritykset tulevat markkinoille ja tarjoavat uusia ideoita ja menetelmiä mikrochipien suunnitteluun ja tuotantoon.

Kansallisen turvallisuuden ja taloudellisen resilienssin vahvistaminen

Nykyiset globaalit mullistukset ja geopoliittiset jännitteet ovat tehneet toimitusketjuista haavoittuvia. Tämä riippuvuus muista maista olennaisista komponenteista, kuten mikrochippeistä, aiheuttaa kansallisen riskin. Yhdysvallat tajusi tämän riskin laajuuden vuoden 2022 puolijohde-toimitusshokin aikana, päättäen, että mikä tahansa mikrochipin toimitushäiriö voisi vakavasti heikentää Yhdysvaltojen teknologiasektorin maailmanlaajuista hallintaa.

PPPL:n tutkimus on linjassa laajempien hallituksen aloitteiden kanssa, kuten CHIPS-laki, jonka tavoitteena on palauttaa amerikkalainen hallitsevuus puolijohdeteollisuudessa. Lain, joka astui voimaan 9. elokuuta 2022 CHIPS and Science -lainana, myöntää lähes 280 miljardia dollaria rahoitusta kotimaisen puolijohdevalmistuksen vahvistamiseksi ja riippuvuuden vähentämiseksi ulkomaisista lähteistä. Rahoitus tukee tutkimus- ja kehitystyötä, kotimaisia valmistus kannustimia sekä toimitusketjun vahvistamistoimia.

Siirtyminen kohti puolijohdekykyjemme turvaamista ja elvyttämistä ei ole pelkästään taloudellisen resilienssin ja kansallisen turvallisuuden ylläpitämistä; se on myös ratkaiseva askel seuraavan valmistus- ja teknologiarevolution, Industry 4.0, polun raivaamisessa.

Keskeisen pilarin rakentaminen Industry 4.0:lle

IBM näkee Industry 4.0:n sellaisena, jossa älykkäällä valmistuksella on keskeinen rooli. Toisin sanoen Industry 4.0 pyrkii digitaalisesti muuntamaan valmistusalan, jossa päätökset tehdään reaaliaikaisesti, parantaen tuottavuutta saavuttaakseen lopullisen tavoitteen tehdä tuotanto- ja jakeluprosessista optimaalisesti joustava ja ketterä.

Jotta Yhdysvallat voisi nousta Industry 4.0:n johtajaksi, mikrochipit ovat enemmän kuin välttämättömiä. Goldman Sachsin tutkimus on jo osoittanut, että mikrochipin puutteet voivat vaikuttaa jopa 169 toimialaan, mukaan lukien med-tech, maatalouskoneet, kulutuselektroniikka, energia ja yritykset. Vuonna 2021 esimerkiksi maailman arvostettu autoyhtiö Renault ei pystynyt tuottamaan jopa 500 000 autoa mikrochipin puutteen vuoksi.

Tämä haavoittuvuus korostaa asian kriittisyyttä, sillä kasvava riippuvuus Taiwanista, kuten aiemmin mainittiin, voisi tarkoittaa äkillistä toimitusketjun häiriötä, kuten se tapahtui COVID-19-pandemian aikana, mikä johtaisi järjestelmän täydelliseen romahtamiseen.

Klikkaa tästä saadaksesi listan kymmenestä parhaasta esineiden internetin (IoT) osakkeesta yhdistettyä tulevaisuutta varten.

Yhdysvaltojen tulevaisuus mikrochipin tuotannossa

Yhdysvallat on hyvin tajunnut, kuinka ratkaisevia mikrochipit voivat olla kestävän ja omavaraisen talous tulevaisuuden kannalta. Tämä oivallus on saanut maan kannustamaan järjestelmiä, joissa tuloksena on huippuluokan mikrochippejä.

George Washingtonin yliopisto ja neljä muuta akateemista tutkimuskumppania, esimerkiksi ovat tehneet yhteistyötä Yhdysvaltain kauppaministeriön National Institute for Standards and Technologyin, Googlen ja puolijohdevalmistaja SkyWater Technologyn kanssa kehittääkseen ‘kotimaisen, edullisen tällaisen mikrochipin toimitus tutkijoille ja startupeille.

Tämä yhteistyö pyrkii tuottamaan piilevyjä, jotka sisältävät satoja mikrochippejä jaettavaksi yhteisölle. Tutkijoilla on pääsy esisuunniteltuun sirualustaan, joka on ‘sopiva integrointiin ja suorituskyvyn vertailuun heidän uusien laitteidensa ja yhteisön muiden laitteiden välillä.’

Gina Adamin, GW:n sähkö- ja tietokoneinsinöörilaitoksen apulaisprofessorin, mukaan kumppanuus tarjoaa:

Tutkimusinfrastruktuurin, joka tarvitaan edistymiseen nanoteknologian ja puolijohdelaitteiden alalla, erityisesti kun Yhdysvallat siirtää strategista painopistettään mikrochipin tuotannon kotimaahan.

Kotimaisen mikrochipin tuotannon edistämiseksi Yhdysvaltain hallitus ilmoitti suunnitelmistaan investoida lähes US$162 miljoonaa Arizonaan sijoittuvaan Microchip Technologyyn. Yrityksen, Yhdysvaltain hallituksen ja yrityksen välinen yhteistyö toteutetaan sitoumuksetonta alustavaa ehtojen muistio (PMT) -sopimusta.

Yhdysvaltain hallitus tarjoaa miljoonia dollareita ‘liittovaltion kannustimia’, jotka jaetaan kahteen suuntaan: US$90 miljoonaa käytetään yrityksen Colorado Springsin valmistuslaitoksen modernisointiin ja laajentamiseen, ja loput US$72 miljoonaa kohdennetaan yrityksen Greshamin, Oregonin laitoksen laajentamiseen.

Samankaltainen rahoitus, US$35 miljoonaa myönnettiin aiemmin BAE Systems (BSP.DE ) Electronic Systemsille, BAE Systems, Inc.:n liiketoimintayksikölle. Tavoitteena oli tukea yrityksen mikroelektroniikkakeskuksen modernisointia.

Yhteenvetona Yhdysvallat on tullut näkyvästi aktiiviseksi sekä politiikan että toteutuksen tasolla kannustaakseen mikrochipin tuotantoa maassa. Ja sillä on kaikki syyt olla aktiivinen näin suurella energialla ja intensiteetillä. On olennaista, että tietokoneiden, älypuhelimien ja autojen toimitusketjut pysyvät häiriöttöminä. Kuten olemme jo nähneet, mikrochipin läsnäolo voi vahvistaa kansallisen turvallisuuden mekanismeja ja kyberturvallisuusrakenteita.

Yhdysvaltain viranomaisten 360‑asteinen lähestymistapa ottaa huomioon tarpeen kannustaa valmistusta, edistää tutkimus‑ ja kehitystyötä, kasvattaa koulutettua työvoimaa sekä vahvistaa kansainväliseen informaatioviestintäteknologiaan ja puolijohde-toimitusketjuun liittyviä toimintoja.

Miljardeja dollareita, joita Yhdysvaltain viranomaiset ovat valmiita sijoittamaan mikrochipin tuotannon kukoistavaksi kotimaiseksi yritykseksi, on myös houkutellut globaaleja toimijoita.

Esimerkiksi suurin ja merkittavin toimija kartalla, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), on sitoutunut yli US$12 miljardia puolijohdevalmistuslaitoksen rakentamiseen Arizonassa. Intelillä on suunnitelma rakentaa US$20 miljardia arvostettu puolijohdevalmistuslaitos Ohiossa. Micron Technology, Inc. (MU ):llä on vieläkin kunnianhimoisemmat suunnitelmat, sillä se aikoo investoida jopa US$100 miljardia seuraavan kahden vuosikymmenen aikana rakentaakseen massiivisen puolijohteiden tehtaan New Yorkin pohjoisosassa.

Kaikkien näiden aloitteiden ja toimintasuunnitelmien myötä ei ole syytä, miksi Yhdysvaltojen pitäisi jäädä jälkeen mikrochipin tuotannon kilpailussa. Kuitenkin kilpaillakseen Itä-Aasian maiden kanssa, jotka hallitsevat lähes kolme neljäsosaa maailman nykyaikaisesta sirutuotannosta, Yhdysvaltojen on rakennettava vahva osaamis- ja toimitusketjuputki. Niiden on myös oltava tietoisia kysynnästä, jotta ne pysyvät suojattuina ylikapasiteetin ja ylimääräisen tarjonnan riskeiltä. Lisäksi painopisteen tulisi pysyä oikeanlaisten sirujen tuotannon priorisoinnissa.

“Yhdysvallat tarvitsee laajentaa sirutuotantoa tietynlaisille siruille, jotka liittyvät suoraan amerikkalaiseen kansalliseen turvallisuuteen.”

Onko Yhdysvallat onnistunut lisäämään mikrochipin valmistusta ja tehdä sen oikealla optimoidulla tavalla, on asia, jota meidän on seurattava tarkasti.