Fremtidens halvledere – Kan ‘Donut’-stråler og ‘Lego’-blokker endre bransjens tilnærminger?

En essensiell komponent i elektroniske enheter, har halvledere vevd seg inn i selve strukturen av vår daglige tilværelse. Disse små, men kraftige elementene er hjørnesteinen i moderne teknologi, og driver innovasjoner innen databehandling, kommunikasjon, ren energi, helsevesen, transport, militære systemer og en rekke andre kritiske anvendelser. 

I et slående bevis på deres allestedsnærværende innflytelse, forventes størrelsen på det globale halvledermarkedet faktisk å vokse til $1,38 billion by 2029, opp fra $573,44 milliarder i 2022.

Et blikk på fremgangen innen halvledere

Halvledere er materialer som leder elektrisitet mer enn en isolator, men mindre enn en ren leder. Disse materialene, som kan være enten rene elementer eller forbindelser, gjennomgår en betydelig endring i ledningsevne når små mengder urenheter tilsettes.

Det er takket være halvledere at vi har tilgang til radioer, TV-er, smarttelefoner, datamaskiner, videospill og avansert medisinsk diagnostisk utstyr. Fremskrittene innen halvlederteknologi de siste tiårene har gjort det mulig for disse elektroniske enhetene å bli mindre, raskere, billigere og mer pålitelige.

Også kalt integrerte kretser (IC) eller mikrochips, har halvledere revolusjonert måten vi lever på, og påvirker hvordan vi arbeider, kommuniserer, reiser, behandler sykdom, underholder oss og utnytter energi.

Som de grunnleggende byggeklossene i moderne teknologi, fortsetter halvledere å drive verdens mest betydningsfulle gjennombrudd, og har enormt potensial.

Noen av de mest spennende innovasjonene i halvlederindustrien inkluderer kvantedatabehandling, som krever nye typer halvledere som fungerer ved lave temperaturer; nevromorfisk databehandling, som har som mål å utvikle databrikker som etterligner den menneskelige hjernens struktur og funksjon for intelligente maskiner; silisium‑fotoni, som bruker lys til å overføre data mellom databrikker; og avansert pakking, som er essensiell for utvikling av høyytelses elektroniske enheter.

Disse avanserte halvlederløsningene vil spille en nøkkelrolle i kunstig intelligens (AI), som blir stadig viktigere i ulike industrier. Halvledere kan hjelpe AI‑applikasjoner med å utføre komplekse oppgaver mer effektivt. Halvledere har også stort potensial innen autonome kjøretøy, intelligente bildbehandlingssystemer og fornybare energisystemer.

Produksjon av halvledere

I halvlederindustrien er fokuset på å lage mindre, raskere og billigere produkter, et mål som henger direkte sammen med prinsippet om at jo mindre komponentene er, desto mer kraft kan plasseres på samme brikke. Denne kompaktheten er avgjørende fordi jo flere transistorer som er på en brikke, desto raskere fungerer den.

Dette er hvor Moores lov kommer inn i bildet, da den sier at “antallet transistorer i en tett integrert krets dobles omtrent hvert annet år.” Dette fremhever presset på chipprodusenter om kontinuerlig å innovere og levere mer effektive og billigere halvledere samtidig som de sikrer kvalitetskontroll og rask tilgjengelighet av produktet for salg.

Størstedelen av etterspørselen i halvlederindustrien kommer fra smarttelefoner og industrielt utstyr, men fremveksten av AI, IoT og autonome kjøretøy har endret utsiktene for industrien. 

Nå har den økende etterspørselen gjort at halvlederbedrifter må legge større vekt på forskning og utvikling, øke funksjonaliteten og ha mer effektive produksjonstider. Disse kravene har følgelig ført til betydelige utfordringer for industrien, hvor den største er hvordan man kan levere mindre, kraftigere brikker til rimelige priser.

I tillegg har innovasjoner økt kompleksiteten i produksjonsprosesser i halvlederindustrien. Denne økningen i kompleksitet krever naturlig behov for mer effektive forsyningskjeder, et behov som ytterligere forsterkes av den stadig økende etterspørselen fra AI‑selskaper. Dette krever ikke bare et bredt spekter av ytelseskapasiteter, men også kortere leveringstider.

Produksjonen av halvlederbrikker innebærer rensing av wafer, bygging av flere lag for å lage integrerte kretser, og deretter montering og pakking av flere komponenter til sluttproduktet.

Dermed må halvlederprodusenter takle utfordringer knyttet til materialhåndtering, resirkulering og prosessforbedringer, som er kritiske aspekter av deres drift. Men omfanget av deres utfordringer er ikke begrenset til dette; faktorer som geopolitikk påvirker også ressurs tilgjengelighet og handel betydelig, som eksemplifisert i saken mellom USA og Kina.

I en periode nå har forsyningskjedeproblemer faktisk vært blant de største problemene i industrien. Situasjonen kompliseres ytterligere av faktorer som geopolitiske spenninger og handelskonflikter, med svart svane‑hendelser som pandemien som forverrer problemet med chip‑tilgjengelighet enda mer.

I tillegg til disse utfordringene må industrien også håndtere den økende kløften mellom etterspørselen etter dyktige fagfolk og tilgjengeligheten av kvalifiserte personer. Gitt den intense konkurransen og det raske tempoet i sektoren, er det ikke overraskende at det finnes en talentmangel og kompetansegap.

Til tross for alle disse utfordringene fortsetter imidlertid industrien å blomstre. Gjennombrudd som har potensial til å transformere fremtiden skjer kontinuerlig, og viser sektorens motstandskraft og innovative ånd.

Klikk her for listen over de beste aksjene i halvlederutstyr for produksjonsstøtte.

‘Donut’-stråler gjør det mulig å se ekstremt små objekter

Denne måneden tok en ny studie detaljerte bilder av små objekter ved hjelp av donut‑formede lysstråler, som ikke ville vært mulig med tradisjonelle mikroskoper. Studien ble utført av forskere ved CU Boulder og forventes å hjelpe forskere med å forbedre de grunnleggende detaljene i en rekke “nanoelektronikk”, inkludert mini‑halvledere som finnes i databrikker.

Dette er den siste utviklingen innen feltet ptychografi, som er en beregningsbasert bildeteknikk for mikroskopisk avbildning. Ptychografi‑verktøy, i motsetning til tradisjonelle mikroskoper, ser ikke svært små ting direkte; de skinner i stedet laser på et mål og måler hvordan lyset spres.

Ifølge hovedforfatteren av studien, Margaret Murnane, har denne tilnærmingen, selv om den fungerte bra, “fullstendig feilet for svært periodiske prøver, eller objekter med et regelmessig repeterende mønster” fordi den inkluderer nanoelektronikk.

Murnane, en fellow ved JILA – et felles forskningsinstitutt for CU Boulder og NIST – forklarte utfordringene forskere møter når de bruker ptychografi for å se strukturen til noen halvledere. Disse strukturene, laget av atomer som silisium arrangert i ekstremt uniforme små ruter, gir vanskeligheter på grunn av mangel på variasjon.

Så, i den nye studien, laget forskerne stråler av ekstremt ultrafiolett lys i stedet for å bruke vanlige lasere i mikroskopene for å lage skygge‑dukker. Deretter, ved å bruke en spiralfaseplate, vridde de formen til donuts, og når disse strålene reflekterte fra repeterende strukturer, ble skygge‑dukkene mye mer komplekse enn de fra tradisjonelle lasere. Dette tillot nøyaktig innsamling av bilder av små og delikate strukturer.

Disse strukturene er omtrent 10 til 100 nanometer store, og i fremtiden forventer teamet å zoome inn for å se enda mindre strukturer. Ideen er å gjøre denne donut‑strategien enda mer presis, noe som vil tillate teamet å se enda mer skjøre objekter, kanskje til og med biologiske celler, en dag.

Frem til nå kunne bildverktøy som bruker linser bare se ned til en oppløsning på omtrent 200 nanometer, og tillot ikke forskere å fange mange virus nøyaktig. Men nå, med denne forskningen, har de grunnleggende grensene for mikroskoper blitt presset, og forskere vil kunne fange disse patogenene i aksjon i sanntid i fremtiden. “I stedet for å bruke en linse for å hente bildet, bruker vi algoritmer,” sa hun.

Dessuten skader ikke strålene små elektroniske komponenter i prosessen og kan derfor brukes “til å inspisere polymerene som brukes til å lage og trykke halvledere for feil, uten å skade disse strukturene i prosessen,” sa Murnane.

Alt i alt har denne nye studien stort potensial til å påvirke halvlederindustrien ved å forbedre inspeksjonen av nanoelektroniske komponenter med mer presis kvalitetskontroll. Dette kan også gjøre det mulig for forskere å inspisere delikate halvlederstrukturer uten å gå på kompromiss med deres integritet. Etter hvert som flere fremskritt skjer innen ptychografi‑teknikker, kan vi se mer allsidige bildemetoder for forskning og utvikling av halvledere.

Fotoniske brikker som vil “omforme” halvlederlandskapet

I enda en ny studie, forskere ved nanovitenskapsfasiliteten ved University of Sydney Nano Institute, i samarbeid med forskere ved Australian National University, designet en ny halvlederarkitektur der de integrerte elektronikk med fotoner for å utvide båndbredden og filterkontrollen. Dette betyr at mer informasjon kan flyte gjennom brikken samtidig som avanserte filterkontroller muliggjøres. 

“Dette arbeidet baner vei for en ny generasjon av kompakte, høyoppløselige RF‑fotontfilter med bredbånds frekvensjusterbarhet, spesielt gunstig i luft- og rombaserte RF‑kommunikasjonspayloads, og åpner muligheter for forbedrede kommunikasjons‑ og sensorkapasiteter.” 

– sa Dr. Moritz Merklein, seniorforsker og medforfatter av studien

For å bygge denne brikken brukte forskerne en ny teknologi innen silisium‑fotoni, som gjorde dem i stand til å integrere ulike systemer på halvledere mindre enn 5 millimeter brede, noe som er som å sette sammen Lego‑byggesteiner. På denne måten kan den tilby en skalerbar og modulær tilnærming til chipdesign, og åpner nye muligheter for å skape komplekse og svært effektive halvlederenheter.

“Den kombinerte bruken av utenlandske halvlederfabrikker for å lage den grunnleggende chip‑waferen med lokal forskningsinfrastruktur og produksjon har vært avgjørende for utviklingen av denne fotoniske integrerte kretsen.” 

– Dr. Alvaro Casas Bedoy, assisterende direktør for fotonisk integrasjon ved fysikkskolen

Denne nye kompakte silisium‑halvlederbrikken utvider radiofrekvens‑ (RF) båndbredden betydelig og kan kontrollere informasjon som flyter gjennom enheten nøyaktig. Du kan se dens anvendelse i avansert radar, trådløse nettverk, satellitter, og utrulling av 6G‑ og 7G‑telekommunikasjon. Dette betyr også at enheter kan tilpasse seg ulike anvendelser, noe som gjør den egnet i et bredt spekter av scenarier.

Ifølge forskerne kan denne forbedrede evnen ytterligere bidra til avansert suveren produksjon og opprettelsen av høyteknologiske verdiskapende fabrikker uten å være avhengig av internasjonale produsenter eksklusivt. 

Denne oppfinnelsen, ifølge pro‑visekansler professor Ben Eggleton, er et betydelig fremskritt innen forskning på mikrobølge‑fotoni og integrert fotoni. Brikken har evnen til å tilby en 15‑gigahertz båndbredde av justerbare frekvenser med imponerende spektral oppløsning.

Han forklarte hvordan “mikrobølge‑fotoni spiller en avgjørende rolle i moderne kommunikasjon og radarapplikasjoner, og tilbyr fleksibiliteten til å filtrere ulike frekvenser presist, redusere elektromagnetisk interferens og forbedre signal‑kvaliteten.” Videre, ved å integrere avanserte funksjoner i halvlederbrikker (kalsium‑glass med silisium), mener Eggleton at det kan “omforme det lokale halvlederlandskapet.”

Topp‑halvlederprodusenter 

Gitt alt som skjer i halvlederindustrien, la oss nå se på noen av de fremtredende halvlederprodusentene:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

Verdens største halvlederfoundry er engasjert i produksjon av integrerte kretser på vegne av kunder. Med en markedsverdi på $523,56 milliarder, handles selskapets aksjer til $100,75, opp 35,52% i år. TSMs inntekt (TTM) har vært $68,86 milliarder, EPS (TTM) på 5,36, og P/E (TTM) på 18,84, mens de tilbyr en utbytteavkastning på 1,81%.

TSMC er for tiden på vei mot volumproduksjon av sine N2‑brikker (2 nanometer), som ifølge selskapet «vil være den mest avanserte halvlederteknologien i bransjen både i tetthet og energieffektivitet når den introduseres». Halvlederprodusenten arbeider også med sin globale ekspansjon, som startet med en ny fabrikk i Arizona for noen år siden og nå også inkluderer Japan og Tyskland.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

Dette globale halvlederfirmaet har en markedsverdi på $217,13 milliarder, og aksjene handles til $133,52, opp 107,52% i år. AMDs inntekt (TTM) har vært $22,11 milliarder, og EPS (TTM) på 0,13, men ingen utbytte tilbys.

Nylig avduket Advanced Micro sine nye AI‑brikker fra den lenge etterlengtede MI300‑serien for å utfordre Nvidias flaggskip‑AI‑prosessorer, som kontrollerer omtrent 80 % av AI‑brikkemarkedet. Disse nye brikkene er designet for superdatamaskiner og for generativ AI‑applikasjoner som ChatGPT og Dall‑E. Selskapet økte også prognosen for sitt adresserbare marked for AI‑brikker til $400 milliarder i de neste fire årene.

3. Applied Materials, Inc. 

Selskapet, en leder innen levering av produksjonsutstyr, tjenester og programvare til halvlederindustrien, har en markedsverdi på $129,78 milliarder. Reflektert i deres posisjon, handles aksjene til den største leverandøren av halvlederutstyr i USA for øyeblikket til $156,50, noe som markerer en imponerende oppgang på 59,3 % i år. Finansielt har AMAT rapportert en inntekt (TTM) på $26,51 milliarder, en EPS (TTM) på 8,11, og en P/E (TTM) på 19,12, samt en utbytteavkastning på 0,83 %.

Imidlertid navigerer Applied Materials (AMAT ) for tiden i utfordrende farvann, da de er under en amerikansk kriminaletterforskning for angivelig å ha sendt utstyr til Kinas ledende chipprodusent SMIC, muligens for å omgå eksportrestriksjoner. Situasjonen oppstår midt i USAs forbud mot ikke bare avanserte chipforsendelser, men også utstyr til Kina. I et trekk som signaliserer deres globale ambisjoner og strategiske ekspansjon, kunngjorde Applied Materials tidligere i år sin plan om å investere $400 millioner over fire år for å etablere et samarbeids‑ingeniør‑senter i India.

4. ASML Holding NV 

Det nederlandske selskapet ASML leverer avanserte litografisystemer som brukes av chipprodusenter som TSMC, Samsung og Intel (INTC ) for å legge kretsløp på silisium‑wafere. Det har en markedsverdi på $286,32 milliarder, mens aksjene handles til $714,42, opp 30 % år‑til‑dato, med en inntekt (TTM) på 28,871 milliarder, EPS (TTM) på 20,42, og P/E (TTM) på 34,78. Utbytteavkastningen som tilbys er 0,91 %.

Selskapet rapporterte nylig Q3‑resultater på litt over $2 milliarder, med administrerende direktør Peter Wennink som sier: «Halvlederindustrien jobber for tiden gjennom bunnen av syklusen, og våre kunder forventer at vendepunktet vil være synlig innen slutten av dette året.»

Konklusjon

Halvledere er en kritisk komponent i enheter som er integrerte deler av våre liv. De er faktisk ryggraden i den blomstrende teknologisektoren. Og etter hvert som etterspørselen etter halvledere fortsetter å øke, fører det til enda mindre, raskere og mer energieffektive brikker. All denne fremgangen og innovasjonen vil deretter muliggjøre utviklingen av nye typer enheter og applikasjoner som tidligere var umulige!