Avançando os Semicondutores – Será que Feixes de “Donut” e Blocos de “Lego” Podem Revolucionar as Abordagens da Indústria?

Um componente essencial dos dispositivos eletrônicos, os semicondutores se entrelaçaram no próprio tecido da nossa existência diária. Esses elementos diminutos, porém poderosos, são a pedra angular da tecnologia moderna, impulsionando inovações em computação, comunicações, energia limpa, saúde, transporte, sistemas militares e uma infinidade de outras aplicações críticas. 

Em um impressionante testemunho de sua influência onipresente, o tamanho do mercado global de semicondutores deve crescer para $1.38 trillion by 2029, acima de $573.44 billion em 2022.

Um Olhar sobre o Avanço dos Semicondutores

Semicondutores são materiais que conduzem eletricidade mais que um isolante, mas menos que um condutor puro. Esses materiais, que podem ser elementos puros ou compostos, passam por uma transformação significativa na condutividade quando pequenas quantidades de impurezas são adicionadas a eles.

É graças aos semicondutores que temos acesso a rádios, TVs, smartphones, computadores, videogames e equipamentos avançados de diagnóstico médico. Os avanços na tecnologia de semicondutores nas últimas décadas permitiram que esses dispositivos eletrônicos se tornassem menores, mais rápidos, mais baratos e mais confiáveis.

Também chamados de circuitos integrados (ICs) ou microchips, os semicondutores revolucionaram a forma como vivemos, impactando como trabalhamos, nos comunicamos, viajamos, tratamos doenças, nos divertimos e aproveitamos energia.

Como blocos de construção fundamentais da tecnologia moderna, os semicondutores continuam a impulsionar as maiores inovações do mundo, possuindo um potencial imenso.

Algumas das inovações mais empolgantes na indústria de semicondutores incluem computação quântica, que exige novos tipos de semicondutores que operam em baixas temperaturas; computação neuromórfica, que busca desenvolver chips que imitam a estrutura e a função do cérebro humano para máquinas inteligentes; fotônica de silício, que utiliza luz para transferir dados entre chips de computador; e embalagens avançadas, essenciais para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos de alto desempenho.

Essas soluções avançadas de semicondutores desempenharão um papel crucial na Inteligência Artificial (IA), que está se tornando cada vez mais importante em diversos setores. Os semicondutores podem ajudar aplicações de IA a executar tarefas complexas com mais eficiência. Eles também têm enorme potencial em veículos autônomos, sistemas inteligentes de processamento de imagens e sistemas de energia renovável.

Fabricação de Semicondutores

Na indústria de semicondutores, o foco está em criar produtos menores, mais rápidos e mais baratos, um objetivo que está diretamente ligado ao princípio de que ser diminuto permite colocar mais potência no mesmo chip. Essa compactação é crucial porque quanto mais transistores houver em um chip, mais rápido ele funciona.

É aqui que a Lei de Moore entra em cena, ao afirmar que “o número de transistores em um circuito integrado denso dobra aproximadamente a cada dois anos”. Isso evidencia a pressão sobre os fabricantes de chips para inovar constantemente e oferecer semicondutores mais eficientes e baratos, garantindo controle de qualidade e disponibilidade rápida do produto para venda.

A maior parte da demanda da indústria de semicondutores vem de smartphones e equipamentos industriais, mas o advento da IA, da IoT e dos veículos autônomos mudou a perspectiva do setor. 

Agora, a demanda crescente fez com que as empresas de semicondutores precisem focar mais em pesquisa e desenvolvimento, aumentar a funcionalidade e ter tempos de produção mais eficientes. Esses requisitos levaram a desafios significativos para a indústria, sendo o maior deles como fornecer chips menores e mais poderosos a custos acessíveis.

Além disso, as inovações aumentaram a complexidade dos processos de fabricação na indústria de semicondutores. Esse aumento de complexidade naturalmente exige cadeias de suprimentos mais eficientes, necessidade ainda mais amplificada pela demanda crescente de empresas de IA. Isso requer não apenas uma gama diversificada de capacidades de desempenho, mas também prazos de entrega mais curtos.

A fabricação de chips semicondutores envolve a purificação da oble, a construção de múltiplas camadas para criar circuitos integrados e, em seguida, a montagem e embalagem de múltiplos componentes no produto final.

Portanto, os fabricantes de semicondutores precisam enfrentar o desafio de manuseio de materiais, reciclagem e melhorias de processo, aspectos críticos de suas operações. Mas o escopo de seus desafios não se limita a isso; fatores como geopolítica também afetam significativamente a disponibilidade de recursos e o comércio, como exemplificado no caso dos EUA e da China.

Há algum tempo, questões na cadeia de suprimentos têm estado entre os principais problemas da indústria. Essa situação é ainda mais complicada por fatores como tensões geopolíticas e disputas comerciais, com eventos de cisne negro como a pandemia agravando ainda mais o problema de disponibilidade de chips.

Além desses desafios, a indústria também precisa lidar com a crescente lacuna entre a demanda por profissionais qualificados e a disponibilidade de pessoas capacitadas. Dada a intensa competição e o ritmo acelerado de avanços no setor, a existência de escassez de talentos e lacuna de habilidades não é surpreendente.

Apesar de todos esses desafios, entretanto, a indústria continua a prosperar. Avanços que têm o potencial de transformar o futuro acontecem constantemente, demonstrando a resiliência e o espírito inovador do setor.

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Feixes “Donut” Permitem Visualizar Objetos Incrivelmente Pequenos

Neste mês, um novo estudo capturou imagens detalhadas de objetos diminutos usando feixes de luz em forma de donut, algo que não seria possível com microscópios tradicionais. O estudo foi conduzido por pesquisadores da CU Boulder e deve ajudar cientistas a melhorar detalhes básicos de uma variedade de “nanoeletrônicos”, incluindo mini semicondutores encontrados em chips de computador.

Esta é a mais recente evolução no campo da ptychografia, que é uma técnica de imagem computacional para microscopia. Ferramentas de ptychografia, ao contrário de microscópios tradicionais, não visualizam objetos muito pequenos diretamente; em vez disso, projetam lasers sobre um alvo e medem como a luz se espalha.

Segundo a autora principal do estudo, Margaret Murnane, até recentemente, essa abordagem, embora funcionasse bem, “falhava completamente para amostras altamente periódicas, ou objetos com um padrão repetitivo regular” porque inclui nanoeletrônicos. 

Murnane, pesquisadora do JILA – um instituto de pesquisa conjunto da CU Boulder e do NIST – explicou os desafios que os cientistas enfrentam ao usar ptychografia para visualizar as estruturas de alguns semicondutores. Essas estruturas, feitas de átomos como o silício organizados em grades incrivelmente uniformes, apresentam dificuldades devido à falta de variação.

Assim, no novo estudo, os pesquisadores criaram feixes de luz ultravioleta extrema em vez de usar lasers regulares em seus microscópios para fazer “marionetes de sombra”. Em seguida, usando uma placa de fase espiral, torceram sua forma em donuts, e quando esses feixes refletiram em estruturas repetitivas, as “marionetes de sombra” geradas foram muito mais complexas que as produzidas por lasers tradicionais. Isso permitiu a coleta precisa de imagens de estruturas diminutas e delicadas. 

Essas estruturas têm entre 10 e 100 nanômetros de tamanho e, no futuro, a equipe espera ampliar o zoom para visualizar estruturas ainda menores. A ideia é tornar essa estratégia de donut ainda mais precisa, o que permitirá ver objetos ainda mais frágeis, talvez até células biológicas, um dia.

Até agora, ferramentas de imagem que utilizam lentes só podiam alcançar resolução de cerca de 200 nanômetros, não permitindo que cientistas capturassem muitos vírus com precisão. Mas agora, com esta pesquisa, os limites fundamentais dos microscópios foram ultrapassados, e os cientistas poderão capturar esses patógenos em ação em tempo real no futuro. “Em vez de usar uma lente para recuperar a imagem, usamos algoritmos”, disse ela.

Além disso, os feixes não danificam a eletrônica diminuta no processo e, portanto, podem ser usados “para inspecionar os polímeros usados na fabricação e impressão de semicondutores em busca de defeitos, sem danificar essas estruturas no processo”, afirmou Murnane.

No geral, este novo estudo tem grande potencial para impactar a indústria de semicondutores ao aprimorar a inspeção de componentes nanoeletrônicos com controle de qualidade mais preciso. Isso também poderia permitir que pesquisadores inspecionassem estruturas delicadas de semicondutores sem comprometer sua integridade. À medida que mais avanços ocorram nas técnicas de ptychografia, poderemos ver métodos de imagem mais versáteis para pesquisa e desenvolvimento de semicondutores.

Chips Fotônicos que “Redefinirão” o Cenário dos Semicondutores

Em mais um novo estudo, pesquisadores da instalação de nanociência do University of Sydney Nano Institute, em colaboração com cientistas da Australian National University, projetaram uma arquitetura semicondutora inovadora na qual integraram eletrônica com fótons para expandir a largura de banda e o controle de filtragem. Isso significa que mais informação pode fluir através do chip enquanto permite controles avançados de filtragem. 

“Este trabalho abre caminho para uma nova geração de filtros fotônicos de RF compactos e de alta resolução com sintonização de frequência de banda larga, particularmente benéfica em cargas úteis de comunicação RF aéreas e espaciais, abrindo possibilidades para comunicações e capacidades de sensoriamento aprimoradas.” 

– disse o Dr. Moritz Merklein, pesquisador sênior e coautor do estudo

Para construir este chip, os pesquisadores utilizaram uma tecnologia emergente em fotônica de silício, que lhes permitiu integrar sistemas diversos em semicondutores menores que 5 milímetros de largura, o que é como montar blocos de Lego. Dessa forma, pode-se oferecer uma abordagem escalável e modular ao design de chips, abrindo novas possibilidades para criar dispositivos semicondutores complexos e altamente eficientes.

“O uso combinado de fundições de semicondutores estrangeiras para fabricar a oble básica do chip com infraestrutura de pesquisa e fabricação local tem sido vital no desenvolvimento deste circuito fotônico integrado.” 

– Dr. Alvaro Casas Bedoy, Diretor Associado de Integração Fotônica na School of Physics

Este novo chip semicondutor de silício compacto amplia substancialmente a largura de banda de radiofrequência (RF) e pode controlar a informação que flui através da unidade com precisão. Você pode ver sua aplicação em radares avançados, redes sem fio, satélites e no lançamento de telecomunicações 6G e 7G. Além disso, isso significa dispositivos que podem se adaptar a diversas aplicações, tornando-o aplicável em uma ampla gama de cenários.

Segundo os pesquisadores, essa capacidade aprimorada pode ainda ajudar na fabricação soberana avançada e na criação de fábricas de alto valor agregado sem depender exclusivamente de fabricantes internacionais.

Esta invenção, de acordo com o Vice-Reitor Professor Ben Eggleton, representa um avanço significativo na pesquisa de fotônica de micro-ondas e fotônica integrada. O chip tem a capacidade de oferecer uma largura de banda de 15 gigahertz de frequências sintonizáveis com resolução espectral impressionante.

Ele explicou como “a fotônica de micro-ondas desempenha um papel crucial nas comunicações modernas e aplicações de radar, oferecendo flexibilidade para filtrar diferentes frequências com precisão, reduzindo interferências eletromagnéticas e aprimorando a qualidade do sinal.” Além disso, ao integrar funcionalidades avançadas em chips semicondutores (vidro calcogênico com silício), Eggleton acredita que isso pode “redefinir o cenário local de semicondutores”.

Principais Fabricantes de Semicondutores 

Dado tudo o que está acontecendo na indústria de semicondutores, vamos agora observar alguns dos fabricantes de semicondutores mais proeminentes:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

A maior fundição de semicondutores do mundo está envolvida na fabricação de circuitos integrados em nome de clientes. Com capitalização de mercado de $523.56 bilhões, as ações da empresa estão sendo negociadas a $100.75, alta de 35.52% neste ano. A receita da TSM (TTM) foi de $68.86 bilhões, EPS (TTM) de 5.36 e P/E (TTM) de 18.84, oferecendo ainda um dividend yield de 1.81%.

A TSMC está atualmente a caminho da produção em volume de seus chips N2 (2 nanômetros), que, segundo a empresa, “serão a tecnologia de semicondutores mais avançada da indústria tanto em densidade quanto em eficiência energética quando forem introduzidos.” O fabricante também está trabalhando em sua expansão global, que começou com uma nova instalação no Arizona há alguns anos e agora inclui Japão e Alemanha.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

Esta empresa global de semicondutores tem capitalização de mercado de $217.13 bilhões, com ações negociadas a $133.52, alta de 107.52% neste ano. A receita da AMD (TTM) foi de $22.11 bilhões, e EPS (TTM) de 0.13, mas não oferece dividendos.

Mais recentemente, a Advanced Micro revelou seus novos chips de IA da tão aguardada linha MI300 para desafiar os processadores de IA de destaque da Nvidia (NVDA ), que controla cerca de 80% do mercado de chips de IA. Esses novos chips são projetados para supercomputadores e para aplicações de IA generativa como ChatGPT e Dall‑E. A empresa também elevou a previsão de seu mercado endereçável para chips de IA para $400 bilhões nos próximos quatro anos.

3. Applied Materials, Inc. 

A empresa, líder em fornecimento de equipamentos, serviços e software para a indústria de semicondutores, possui capitalização de mercado de $129.78 bilhões. Refletindo sua posição, as ações do maior fabricante de equipamentos de semicondutores dos EUA estão sendo negociadas a $156.50, registrando um impressionante aumento de 59.3% neste ano. Financeiramente, a AMAT reportou receita (TTM) de $26.51 bilhões, EPS (TTM) de 8.11 e P/E (TTM) de 19.12, além de oferecer dividend yield de 0.83%.

Entretanto, a Applied Materials (AMAT ) está atualmente navegando em águas desafiadoras, pois está sob investigação criminal dos EUA por supostamente enviar equipamentos ao principal fabricante de chips da China, SMIC, potencialmente contornando restrições de exportação. Essa situação surge em meio à proibição do governo dos EUA não apenas ao envio de chips avançados, mas também de equipamentos para a China. Em um movimento que sinaliza suas ambições globais e expansão estratégica, no início deste ano a Applied Materials anunciou seu plano de investir $400 milhões ao longo de quatro anos para estabelecer um centro de engenharia colaborativa na Índia.

4. ASML Holding NV 

A ASML, com sede nos Países Baixos, fornece sistemas avançados de litografia usados por fabricantes de chips como TSMC, Samsung e Intel (INTC ) para adicionar circuitos a obles de silício. Possui capitalização de mercado de $286.32 bilhões, com ações negociadas a $714.42, alta de 30% no ano, e receita (TTM) de 28.871B, EPS (TTM) de 20.42 e P/E (TTM) de 34.78. O dividend yield oferecido é de 0.91%.

A empresa reportou recentemente ganhos do terceiro trimestre ligeiramente acima de $2 bilhões, com o CEO Peter Wennink dizendo: “A indústria de semicondutores está atualmente trabalhando através do fundo do ciclo, e nossos clientes esperam que o ponto de inflexão seja visível até o final deste ano.”

Conclusão

Os semicondutores são um componente crítico em dispositivos que são partes integrais de nossas vidas. Eles são, de fato, a espinha dorsal do setor tecnológico em expansão. E à medida que a demanda por semicondutores continua a crescer, isso está levando a chips ainda menores, mais rápidos e mais eficientes em termos de energia. Todo esse avanço e inovação permitirão o desenvolvimento de novos tipos de dispositivos e aplicações que antes eram impossíveis!