Avanzare i semiconduttori – I raggi a “ciambella” e i blocchi “Lego” potrebbero sconvolgere gli approcci dell’industria?

Un componente essenziale dei dispositivi elettronici, i semiconduttori si sono intrecciati nel tessuto stesso della nostra vita quotidiana. Questi piccoli ma potenti elementi sono la pietra angolare della tecnologia moderna, guidando innovazioni nel calcolo, nelle comunicazioni, nell’energia pulita, nella sanità, nei trasporti, nei sistemi militari e in una miriade di altre applicazioni critiche. 

In una straordinaria testimonianza della loro influenza onnipresente, si prevede che la dimensione del mercato globale dei semiconduttori crescerà fino a $1.38 trilioni entro il 2029, rispetto a $573.44 miliardi nel 2022.

Uno sguardo all’avanzamento dei semiconduttori

I semiconduttori sono materiali che conducono l’elettricità più di un isolante ma meno di un conduttore puro. Questi materiali, che possono essere elementi puri o composti, subiscono una trasformazione significativa della conduttività quando vi vengono aggiunte piccole quantità di impurità.

È grazie ai semiconduttori che abbiamo accesso a radio, TV, smartphone, computer, videogiochi e apparecchiature avanzate per la diagnosi medica. I progressi nella tecnologia dei semiconduttori negli ultimi decenni hanno permesso a questi dispositivi elettronici di diventare più piccoli, più veloci, più economici e più affidabili.

Detti anche circuiti integrati (IC) o microchip, i semiconduttori hanno rivoluzionato il nostro modo di vivere, influenzando il modo in cui lavoriamo, comunichiamo, viaggiamo, curiamo le malattie, ci intratteniamo e sfruttiamo l’energia.

Come mattoni fondamentali della tecnologia moderna, i semiconduttori continuano a guidare le scoperte più importanti del mondo, offrendo un potenziale immenso.

Alcune delle innovazioni più entusiasmanti nell’industria dei semiconduttori includono il calcolo quantistico, che richiede nuovi tipi di semiconduttori che operano a basse temperature; il calcolo neuromorfico, volto a sviluppare chip che imitano la struttura e la funzione del cervello umano per macchine intelligenti; la fotonica al silicio, che utilizza la luce per trasferire dati tra chip; e il packaging avanzato, essenziale per lo sviluppo di dispositivi elettronici ad alte prestazioni.

Queste soluzioni avanzate di semiconduttori giocheranno un ruolo chiave nell’Intelligenza Artificiale (IA), sempre più importante in vari settori. I semiconduttori possono aiutare le applicazioni IA a eseguire compiti complessi in modo più efficiente. Inoltre, i semiconduttori hanno un enorme potenziale nei veicoli autonomi, nei sistemi di elaborazione delle immagini intelligenti e nei sistemi di energia rinnovabile.

Produzione di semiconduttori

Nell’industria dei semiconduttori, l’obiettivo è creare prodotti più piccoli, più veloci e più economici, un principio che si collega direttamente all’idea che ridurre le dimensioni consente di inserire più potenza sullo stesso chip. Questa compattezza è cruciale perché più transistor ci sono su un chip, più veloce funziona.

Qui entra in gioco la legge di Moore, che afferma che “il numero di transistor in un circuito integrato denso raddoppia circa ogni due anni”. Ciò evidenzia la pressione sui produttori di chip a innovare costantemente e a fornire semiconduttori più efficienti ed economici, garantendo al contempo il controllo di qualità e la rapida disponibilità del prodotto sul mercato.

La maggior parte della domanda per l’industria dei semiconduttori proviene da smartphone e apparecchiature industriali, ma l’avvento dell’IA, dell’IoT e dei veicoli autonomi ha cambiato le prospettive del settore. 

Ora, la crescente domanda costringe le aziende di semiconduttori a porre maggiore enfasi sulla ricerca e sviluppo, ad aumentare la funzionalità e a rendere più efficienti i tempi di produzione. Queste esigenze hanno portato a sfide significative per il settore, la più grande delle quali è come fornire chip più piccoli e potenti a costi accessibili.

Inoltre, le innovazioni hanno aumentato la complessità dei processi di produzione nell’industria dei semiconduttori. Questo aumento di complessità richiede naturalmente catene di fornitura più efficienti, necessità ulteriormente amplificata dalla domanda in costante crescita delle aziende IA. Ciò richiede non solo una gamma diversificata di capacità prestazionali, ma anche tempi di consegna più brevi.

La produzione di chip semiconduttori prevede la purificazione del wafer, la costruzione di più strati per creare circuiti integrati e poi l’assemblaggio e l’imballaggio di più componenti nel prodotto finale.

Quindi, i produttori di semiconduttori devono affrontare la sfida della gestione dei materiali, del riciclaggio e del miglioramento dei processi, aspetti critici delle loro operazioni. Ma la portata delle loro sfide non si limita a questo; fattori come la geopolitica influenzano significativamente la disponibilità di risorse e il commercio, come dimostrato dal caso degli Stati Uniti e della Cina.

Da tempo, i problemi della catena di fornitura sono tra le principali criticità del settore. Questa situazione è ulteriormente complicata da fattori come le tensioni geopolitiche e le dispute commerciali, con eventi “cigno nero” come la pandemia che hanno aggravato ancora di più il problema della disponibilità di chip.

Oltre a queste sfide, l’industria deve anche confrontarsi con il divario crescente tra la domanda di professionisti qualificati e la disponibilità di persone competenti. Data l’intensa concorrenza e il ritmo rapido di avanzamento nel settore, la carenza di talenti e il gap di competenze non sono sorprendenti.

Nonostante tutte queste sfide, tuttavia, il settore continua a prosperare. Scoperte che hanno il potenziale di trasformare il futuro avvengono costantemente, dimostrando la resilienza e lo spirito innovativo del settore.

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I raggi a “ciambella” consentono di osservare oggetti incredibilmente piccoli

Questo mese, un nuovo studio ha realizzato immagini dettagliate di oggetti minuscoli utilizzando fasci di luce a forma di ciambella, cosa che non sarebbe stata possibile con i microscopi tradizionali. Lo studio è stato condotto da ricercatori della CU Boulder e si prevede che aiuterà gli scienziati a migliorare i dettagli di base di una gamma di “nanoelettronica”, inclusi i mini semiconduttori presenti nei chip dei computer.

Si tratta dell’ultimo avanzamento nel campo della ptychografia, una tecnica di imaging computazionale per la microscopia. Gli strumenti di ptychografia, a differenza dei microscopi tradizionali, non osservano direttamente gli oggetti molto piccoli; invece, proiettano laser su un bersaglio e poi misurano come la luce si disperde.

Secondo l’autrice senior dello studio, Margaret Murnane, fino a poco tempo fa questo approccio, pur funzionando bene, “falliva completamente per campioni altamente periodici, o oggetti con un pattern regolarmente ripetuto” a causa della presenza di nanoelettronica. 

Murnane, ricercatrice presso JILA – un istituto di ricerca congiunto tra CU Boulder e NIST – ha spiegato le difficoltà che gli scienziati incontrano nell’uso della ptychografia per visualizzare le strutture di alcuni semiconduttori. Queste strutture, costituite da atomi come il silicio disposti in griglie estremamente uniformi, presentano difficoltà a causa della loro mancanza di variazione.

Quindi, nel nuovo studio, i ricercatori hanno creato fasci di luce ultravioletta estrema invece di utilizzare laser regolari nei loro microscopi per realizzare ombre. Poi, usando una piastra a fase spirale, hanno torcere la forma in ciambelle, e quando questi fasci hanno colpito strutture ripetitive, le ombre generate erano molto più complesse rispetto a quelle prodotte dai laser tradizionali. Ciò ha permesso di raccogliere immagini accurate di strutture minuscole e delicate. 

Queste strutture misurano circa 10‑100 nanometri, e in futuro il team prevede di ingrandire ulteriormente per osservare strutture ancora più piccole. L’idea è rendere questa strategia a ciambella ancora più precisa, consentendo al team di vedere oggetti ancora più fragili, forse anche cellule biologiche, un giorno.

Fino a poco tempo fa, gli strumenti di imaging basati su lenti potevano vedere solo fino a una risoluzione di circa 200 nanometri, non permettendo agli scienziati di catturare accuratamente molti virus. Ma ora, grazie a questa ricerca, i limiti fondamentali dei microscopi sono stati spinti, e gli scienziati potranno catturare questi patogeni in azione in tempo reale in futuro. “Invece di usare una lente per recuperare l’immagine, usiamo algoritmi,” ha detto.

Inoltre, i fasci non danneggiano le piccole elettroniche nel processo e, quindi, possono essere usati “per ispezionare i polimeri usati per realizzare e stampare i semiconduttori alla ricerca di difetti, senza danneggiare tali strutture nel processo,” ha affermato Murnane.

Nel complesso, questo nuovo studio ha un grande potenziale per influenzare l’industria dei semiconduttori migliorando l’ispezione dei componenti nanoelettronici con un controllo di qualità più preciso. Ciò potrebbe anche consentire ai ricercatori di ispezionare strutture di semiconduttori delicate senza compromettere la loro integrità. Man mano che avanzano le tecniche di ptychografia, potremmo vedere metodi di imaging più versatili per la ricerca e lo sviluppo dei semiconduttori.

Chip fotonici che “rimodelleranno” il panorama dei semiconduttori

In un altro nuovo studio, ricercatori del nanoscience facility del University of Sydney Nano Institute, in collaborazione con scienziati dell’Australian National University, hanno progettato una nuova architettura di semiconduttori in cui hanno integrato elettronica con fotoni per ampliare la larghezza di banda e il controllo dei filtri. Ciò significa che più informazioni possono fluire attraverso il chip consentendo controlli di filtro avanzati. 

“Questo lavoro apre la strada a una nuova generazione di filtri RF fotonici compatti e ad alta risoluzione con una sintonizzabilità di frequenza a banda larga, particolarmente vantaggiosa per i payload di comunicazione RF aeree e spaziali, aprendo possibilità per comunicazioni e capacità di rilevamento migliorate.” 

– ha dichiarato il dott. Moritz Merklein, senior research fellow e co‑autore dello studio

Per costruire questo chip, i ricercatori hanno utilizzato una tecnologia emergente nella fotonica al silicio, che ha permesso loro di integrare sistemi diversi su semiconduttori più piccoli di 5 millimetri di larghezza, un po’ come assemblare mattoncini Lego. In questo modo, è possibile fornire un approccio scalabile e modulare al design dei chip, aprendo nuove possibilità per creare dispositivi semiconduttori complessi e altamente efficienti.

“L’uso combinato di fonderie di semiconduttori estere per produrre il wafer di base del chip con infrastrutture di ricerca e produzione locali è stato fondamentale nello sviluppo di questo circuito fotonico integrato.” 

– dott. Alvaro Casas Bedoy, Associate Director for Photonic Integration nella School of Physics

Questo nuovo chip di silicio compatto espande notevolmente la larghezza di banda radio‑frequenza (RF) e può controllare con precisione le informazioni che fluiscono attraverso l’unità. Si può vedere la sua applicazione in radar avanzati, reti wireless, satelliti e nell’implementazione di telecomunicazioni 6G e 7G. Inoltre, ciò significa dispositivi che possono adattarsi a diverse applicazioni, rendendolo idoneo a una vasta gamma di scenari.

Secondo i ricercatori, questa capacità migliorata può ulteriormente aiutare nella produzione sovrana avanzata e nella creazione di fabbriche ad alto valore aggiunto senza dipendere esclusivamente da produttori internazionali.

Questa invenzione, secondo il Pro‑Vice‑Chancellor Professor Ben Eggleton, rappresenta un avanzamento significativo nella ricerca sulla fotonica a microonde e sulla fotonica integrata. Il chip è in grado di offrire una larghezza di banda di 15 gigahertz di frequenze sintonizzabili con una notevole risoluzione spettrale.

Ha spiegato come “la fotonica a microonde giochi un ruolo cruciale nelle moderne comunicazioni e applicazioni radar, offrendo la flessibilità di filtrare con precisione diverse frequenze, riducendo le interferenze elettromagnetiche e migliorando la qualità del segnale.” Inoltre, integrando funzionalità avanzate nei chip semiconduttori (vetro calcogenuro con silicio), Eggleton crede che possa “rimodellare il panorama locale dei semiconduttori.”

Principali produttori di semiconduttori 

Dato tutto ciò che sta accadendo nell’industria dei semiconduttori, ora diamo un’occhiata ad alcuni dei produttori di semiconduttori più importanti:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

La più grande fonderia di semiconduttori al mondo è impegnata nella produzione di circuiti integrati per conto dei clienti. Con una capitalizzazione di mercato di $523.56 miliardi, le azioni dell’azienda sono quotate a $100.75, in rialzo del 35.52% quest’anno. I ricavi di TSM (TTM) sono stati $68.86 miliardi, EPS (TTM) di 5.36 e P/E (TTM) di 18.84, mentre offre un rendimento da dividendo dell’1.81%.

TSMC è attualmente sulla buona strada per la produzione di volume dei suoi chip N2 (2 nanometri), che, secondo l’azienda, “saranno la tecnologia di semiconduttori più avanzata del settore sia in densità che in efficienza energetica quando saranno introdotti.” Il produttore di semiconduttori sta anche lavorando alla sua espansione globale, iniziata con un nuovo impianto in Arizona qualche anno fa e ora includente anche Giappone e Germania.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

Questa azienda globale di semiconduttori ha una capitalizzazione di mercato di $217.13 miliardi con le azioni che scambiano a $133.52, in rialzo del 107.52% quest’anno. I ricavi di AMD (TTM) sono stati $22.11 miliardi, e EPS (TTM) di 0.13, ma non offre dividendi.

Più recentemente, Advanced Micro ha presentato i suoi nuovi chip IA della tanto attesa linea MI300 per sfidare i processori IA di punta di Nvidia (NVDA ), che controlla circa l’80% del mercato dei chip IA. Questi nuovi chip sono progettati per supercomputer e per applicazioni di IA generativa come ChatGPT e Dall‑E. L’azienda ha anche aumentato la previsione per il mercato indirizzabile dei chip IA a $400 miliardi nei prossimi quattro anni.

3. Applied Materials, Inc. 

L’azienda, leader nella fornitura di attrezzature, servizi e software per la produzione di semiconduttori, vanta una capitalizzazione di mercato di $129.78 miliardi. Riflettendo la sua posizione, le azioni del più grande produttore di attrezzature per semiconduttori negli USA sono attualmente quotate a $156.50, segnando un impressionante aumento del 59.3% quest’anno. Dal punto di vista finanziario, AMAT ha registrato ricavi (TTM) di $26.51 miliardi, EPS (TTM) di 8.11 e P/E (TTM) di 19.12, offrendo inoltre un rendimento da dividendo dello 0.83%.

Tuttavia, Applied Materials (AMAT ) sta attualmente navigando acque difficili poiché è sotto indagine criminale statunitense per presunta fornitura di attrezzature al principale produttore di chip cinese SMIC, potenzialmente aggirando le restrizioni all’esportazione. Questa situazione si inserisce nel contesto del divieto del governo USA non solo sulle spedizioni di chip avanzati ma anche sulle attrezzature verso la Cina. In una mossa che segnala le sue ambizioni globali e l’espansione strategica, all’inizio di quest’anno Applied Materials ha annunciato il piano di investire $400 milioni in quattro anni per creare un centro di ingegneria collaborativa in India.

4. ASML Holding NV 

ASML, con sede nei Paesi Bassi, fornisce sistemi di litografia avanzata utilizzati da produttori di chip come TSMC, Samsung e Intel (INTC ) per aggiungere circuiti ai wafer di silicio. Ha una capitalizzazione di mercato di $286.32 miliardi mentre le sue azioni scambiano a $714.42, in rialzo del 30% YTD con ricavi (TTM) di 28.871 miliardi, EPS (TTM) di 20.42 e P/E (TTM) di 34.78. Il rendimento da dividendo offerto è dello 0.91%.

L’azienda ha recentemente riportato utili del Q3 di poco più di $2 miliardi, con il CEO Peter Wennink che ha dichiarato: “L’industria dei semiconduttori sta attualmente attraversando il fondo del ciclo, e i nostri clienti si aspettano che il punto di inflessione sia visibile entro la fine di quest’anno.”

Conclusione

I semiconduttori sono un componente critico nei dispositivi che sono parti integrali delle nostre vite. Sono davvero la spina dorsale del fiorente settore tecnologico. E man mano che la domanda di semiconduttori continua a crescere, porta a chip ancora più piccoli, più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico. Tutto questo avanzamento e innovazione consentirà poi lo sviluppo di nuovi tipi di dispositivi e applicazioni che prima erano impossibili!