Utnytte simuleringer for å bringe chipproduksjon tilbake til USA

Selv om mikrobrikker alltid har vært viktige for den moderne verden, var det ikke før forsyningskjede‑krisen i 2022 at regjeringer og industrier innså deres kritiske betydning for den globale økonomien. Mangelen var så alvorlig at industriene ikke hadde noe annet valg enn å stoppe sine massive samlebånd.

Så, hvorfor er mikrobrikker så viktige for den globale økonomien? Enkelt sagt er mikrobrikker ryggraden i den moderne teknologibransjen, integrert i alt fra personlige datamaskiner, smarttelefoner, kjøkkenapparater, biler, medisinsk utstyr, og til og med i noen kjæledyr for identifikasjonsformål.

Men til tross for denne kritiske betydningen, er det kun noen få land som virkelig kan produsere funksjonelle mikrobrikker, da dette arbeidet presser grensene for presisjonsingeniørkunst og teknologisk innovasjon. Tross alt er ikke bare mikrobrikkproduksjon en kapitalintensiv industri, men den krever også arbeidere med svært spesialiserte ferdigheter, som inkluderer, men ikke er begrenset til, fysikk, materialvitenskap og elektroteknikk.

I tillegg krever fasilitetene der disse mikrobrikkene produseres, kjent som fabrikker (fabs), strenge miljøforhold for produksjonsprosessen. Dette innebærer å opprettholde spesifikke temperatur‑ og fuktighetsnivåer og minimere forurensning så mye som mulig.

Selv om slike perfekte forhold oppnås, involverer produksjonsprosessen flere trinn, og hvert trinn må utføres med perfeksjon. Eventuelle feil kan gjøre mikrobrikkene ubrukelige.

Videre krever pågående teknologiske fremskritt mindre, mer effektive brikker, noe som legger ekstra press på fabrikkene. Og når de har mestret produksjonen av en bestemt generasjon mikrobrikker, kan disse allerede være foreldet på grunn av manglende etterspørsel.

Sådanne massive barrierer gjør masseproduksjon av mikrobrikker til en formidabel utfordring for de fleste land, selv for de med dypeste lommer.

Selv USA, den globale teknologisupermakten og en leder innen halvlederdesign, er ikke på topp når det gjelder mikrobrikkproduksjon, da den ettertraktede posisjonen går til Taiwan. Dette er et resultat av Taiwans flere tiår lange investering i halvlederproduksjon og tilstedeværelsen av selskaper som Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) (TSM ).

Disse kompleksitetene viser hvor utfordrende det er å oppnå selvforsyning når det gjelder mikrobrikker. Imidlertid, i henhold til en nylig publisert artikkel på nettstedet til United States Department of Energy’s Princeton Plasma Physics Laboratory, utvikler deres forskere dataprogrammer som vil forbedre simuleringen av plasma‑prosesser brukt i mikrobrikkproduksjon betydelig.

Disse nye algoritmene kan overgå tradisjonelle simuleringsmetoder når det gjelder nøyaktighet og effektivitet, akselerere mikrobrikkproduksjonsprosessen og dermed bidra til å bringe chipproduksjon tilbake til USA.

En dobbel tilnærming

Princeton Plasma Physics Laboratory gjennomførte to forskningsprosjekter samtidig, og deres fokusområder var forskjellige med hensyn til mål.

• Den første forskningen fokuserte på å forbedre nøyaktigheten til disse simuleringene.
• Det andre forskningsmålet var å akselerere simuleringstidene for plasmareaktorer som brukes i produksjon av mikrobrikker.

Behovet for hastighet og presisjon i plasmarsimuleringer

De komplekse mønstrene som etses inn i silisiumskiver for å lage mikrobrikker, produseres i stor grad ved hjelp av plasmareaktorer. Prosessen avhenger av plasmaens oppførsel, en elektrisk ladet gass som må kontrolleres nøye for å oppnå ønsket resultat.

Tradisjonelt har stimulering av plasma‑prosessen for å forutsi resultater og forbedre produksjonsmetoder vært en arbeidskrevende og tidkrevende oppgave. Det er her PPPLs første forskning kommer inn i bildet. Den søker å endre denne situasjonen ved å lage datalgoritmer som kan redusere tiden som kreves for disse simuleringene betydelig.

Og de har lykkes med dette, da teamet deres reduserte simuleringstiden fra uker til potensielt dager eller til og med timer uten å gå på bekostning av vesentlig detalj. Når det gjelder hvordan PPPLs forskere oppnådde dette, så gikk de tilbake i historien og forbedret de gamle algoritmene, spesielt de som ble laget på 1980‑tallet, for å oppnå ønsket resultat.

Håndtering av simuleringsnøyaktighet

I deres andre forskningslinje adresserte PPPLs forskerteam problemet med simuleringsnøyaktighet. Gitt kompleksiteten i plasmaens oppførsel, er det avgjørende at simuleringene nøyaktig gjenspeiler virkelige reaksjoner for effektive mikrobrikkproduksjonsmetoder. Imidlertid har behovet for betydelig datakraft for å simulere oppførselen til utallige plasmapartikler nøyaktig historisk sett vært svært utfordrende.

For å takle dette problemet forenklet PPPL‑forskerteamet representasjonen av plasmapartikler i simuleringer. I stedet for å prøve å ta hensyn til hver partikkel individuelt, utviklet de en metode for å gruppere dem i større, mer håndterbare enheter. Denne tilnærmingen reduserer den beregningsmessige belastningen betydelig, noe som fører til raskere og mer tilgjengelige simuleringer.

Innledningsvis risikerte imidlertid denne forenklingen å forvrenge de faktiske dynamikkene i plasmaens oppførsel, noe som potensielt kunne føre til mindre nøyaktige spådommer. For å komme rundt dette hinderet justerte forskerne simuleringens parametere, og gjorde partikkelklustrene større og mindre tette. Denne endringen sikrer at simuleringens spådommer forblir intakte siden partikkelinteraksjonene vil etterligne de i ekte plasma mer nøyaktig.

Denne nøye balansen mellom nøyaktighet og forenkling har et betydelig potensial til å forbedre mikrobrikkproduksjonsprosesser.

En katalysator for endring

PPPLs forskning har betydning utover det tekniske området, da den har implikasjoner for de strategiske dynamikkene i det globale halvmarkedet, spesielt for USA. Tross alt har denne oppdagelsen potensial til å redefinere landskapet for mikrobrikkproduksjon i USA ved å tilby verktøy som kan redusere tid og kostnader knyttet til mikrobrikkproduksjon. Evnen til raskt å tilpasse og forbedre produksjonsprosesser er avgjørende i en bransje hvor markedsledelse ofte avhenger av innovasjonstakten.

Videre kan tilgjengeligheten av avanserte simuleringsverktøy jevne ut konkurransefeltet ved å gjøre det mulig for amerikanske oppstartsbedrifter og mindre selskaper å konkurrere mer effektivt mot etablerte globale giganter. Dette kan utløse en bølge av innovasjon innen den amerikanske halvledersektoren etter hvert som flere firmaer kommer inn på markedet og leverer nye ideer og metodologier for design og produksjon av mikrobrikker.

Styrking av nasjonal sikkerhet og økonomisk motstandskraft

Nåværende globale omveltninger og geopolitiske spenninger har gjort forsyningskjeder sårbare. Denne avhengigheten av andre land for essensielle komponenter som mikrobrikker utgjør en nasjonal risiko. USA innså omfanget av denne risikoen under halvlederforsyningskrisen i 2022, og konkluderte med at enhver forstyrrelse i mikrobrikkforsyningen kunne påvirke den globale dominansen til den amerikanske teknologibransjen alvorlig.

PPPL‑studien er i tråd med bredere regjeringsinitiativer, som CHIPS Act, som har som mål å gjenopprette amerikansk dominans i halvlederindustrien. Vedtatt 9. august 2022 som CHIPS and Science Act, tildeler den nesten 280 milliarder dollar i finansiering for å styrke innenlandsk halvlederproduksjon og redusere avhengigheten av utenlandske kilder. Finansieringen støtter forskning og utvikling, insentiver for innenlandsk produksjon og tiltak for å styrke forsyningskjeden.

Overgangen mot å sikre og revitalisere våre halvlederkapasiteter handler ikke bare om å opprettholde økonomisk motstandskraft og nasjonal sikkerhet; det er også et avgjørende steg i å bane vei for neste revolusjon innen produksjon og teknologi – Industri 4.0.

Bygge den sentrale søylen for Industri 4.0

IBM ser på Industri 4.0 som noe der smart produksjon vil ha en sentral rolle. Med andre ord har Industri 4.0 som mål å digitalt transformere produksjonsfeltet, hvor beslutninger leveres i sanntid, og produktiviteten forbedres for å oppnå det endelige målet om å gjøre produksjons- og distribusjonsprosessen optimalt fleksibel og smidig.

For at USA skal bli en leder innen Industri 4.0, vil mikrobrikker være mer enn nødvendige. En studie fra Goldman Sachs (GS ) har allerede vist at mangel på mikrobrikker kan påvirke opptil 169 industrier, inkludert med‑teknologi, landbruksmaskiner, forbrukerelektronikk, energi og virksomheter. I 2021 kunne for eksempel det verdensberømte bilfirmaet Renault ikke produsere så mange som 500 000 biler på grunn av mangel på mikrobrikker.

Denne sårbarheten understreker problemets kritiske natur, da økt avhengighet av Taiwan, som nevnt tidligere, kan bety en plutselig forstyrrelse i forsyningskjeden, slik det skjedde under COVID‑19‑pandemien, noe som ville føre til at systemet kollapser fullstendig.

Klikk her for listen over de ti beste Internet of Things (IoT)-aksjene for en tilkoblet fremtid.

Fremtiden for USA i mikrobrikkproduksjon

USA har innsett hvor avgjørende mikrobrikker kan være for dem for en robust og selvforsynt økonomisk fremtid. Denne erkjennelsen har fått landet til å fremme systemer der resultatet er mikrobrikker i verdensklasse.

George Washington University og fire andre akademiske forskningspartnere har for eksempel samarbeidet med United States Department of Commerce’s National Institute for Standards and Technology, Google, og halvlederprodusenten SkyWater Technology (SKYT ) for å utvikle en ‘innlandsk, rimelig forsyning av slike mikrobrikker for forskere og oppstartsbedrifter.

Dette samarbeidet har som mål å produsere silisiumskiver som vil inneholde hundrevis av mikrobrikker for distribusjon i samfunnet. Forskerne vil få tilgang til en forhåndsplanarisert chip‑plattform, som er ‘egnet for integrasjon og for å benchmarke ytelsen til deres nye enheter mot andre enheter fra samfunnet.’

Ifølge Gina Adam, assisterende professor i avdelingen for elektrisk og datateknikk ved GW’s School of Engineering and Applied Science, vil partnerskapet tilby:

Forskningsinfrastrukturen som trengs for å gjøre fremskritt innen nanoteknologi og halvlederenheter, spesielt ettersom USA skifter sitt strategiske fokus til å bringe mikrobrikkproduksjon tilbake til hjemlandet.

For å styrke innenlandsk mikrobrikkproduksjon kunngjorde den amerikanske regjeringen sine planer om å investere nesten US$162 millioner i Arizona‑baserte Microchip Technology (MCHP ). Samarbeidet mellom selskapet, den amerikanske regjeringen og selskapet vil foregå i form av en ikke‑bindende foreløpig memorandum of terms (PMT)‑avtale.

Den amerikanske regjeringen vil gi millioner i ‘føderale insentiver’, som vil bli kanalisert inn i to strømmer: US$90 millioner vil bli brukt på modernisering og utvidelse av selskapets produksjonsanlegg i Colorado Springs, og resten, US$72 millioner, vil gå til utvidelse av selskapets anlegg i Gresham, Oregon.

En tilsvarende finansiering på US$35 millioner ble tidligere tilbudt BAE Systems (BSP.DE ) Electronic Systems, en forretningsenhet i BAE Systems, Inc. Målet var å støtte moderniseringen av selskapets Microelectronics Center.

Oppsummert har USA blitt tydelig aktivt, både på politisk nivå og i gjennomføringen, for å oppmuntre mikrobrikkproduksjon i landet. Og det har alle grunnene til å være aktivt med så stor kraft og intensitet. Det er kun ikke essensielt å ha forsyningslinjene for datamaskiner, smarttelefoner og biler uforstyrret. Som vi allerede har sett, kan tilstedeværelsen av mikrobrikker styrke nasjonale sikkerhetsmekanismer og cybersikkerhetsstrukturer.

Den 360‑graders tilnærmingen fra de amerikanske myndighetene tar hensyn til nødvendigheten av å stimulere produksjon, oppmuntre til forskning og utvikling, fremme en kvalifisert arbeidsstyrke, og styrke aktiviteter knyttet til internasjonal informasjonsteknologisikkerhet og halvledersforsyningskjede.

Milliarder av dollar som de amerikanske myndighetene er klare til å investere i å gjøre mikrobrikkproduksjon til en blomstrende innenlandsk virksomhet, har også klart å tiltrekke globale aktører.

For eksempel har den største og mest betydningsfulle aktøren på kartet, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), forpliktet seg til over US$12 milliarder for å bygge et halvlederfabrikk i Arizona. Intel (INTC ) planlegger å bygge en US$20 milliarder halvlederproduksjonsanlegg i Ohio. Micron Technology, Inc. (MU ) har enda mer ambisiøse planer, da de foreslår å investere opptil US$100 milliarder i løpet av de neste to tiårene for å bygge en massiv halvlederfabrikk i oppoverlandet i New York.

Med alle disse initiativene og handlingsplanene på plass, er det ingen grunn til at USA skulle falle bak i kappløpet om mikrobrikkproduksjon. Men for å konkurrere med Øst‑Asia‑landene som står for nesten tre fjerdedeler av den globale moderne chipproduksjonen, må USA bygge en robust talent‑ og forsyningskjede. De må også være oppmerksomme på etterspørselen slik at de er beskyttet mot risikoen for overkapasitet og overskuddstilbud. I tillegg bør fokuset forbli på å prioritere produksjonen av de riktige typer brikker.

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

“USA må utvide chipproduksjonen for en spesifikk type chips som er direkte knyttet til amerikansk nasjonal sikkerhet.”

Om USA klarer å øke mikrobrikkproduksjonen, og det på en optimalisert måte, er noe vi må holde øye med.