Framsteg inom halvledare – Kan “Donut”-strålar och “Lego”-block förändra branschens tillvägagångssätt?

En väsentlig komponent i elektroniska enheter har halvledare vävt sig in i själva väven av vår dagliga existens. Dessa små men kraftfulla element är hörnstenen i modern teknik och driver innovationer inom databehandling, kommunikation, ren energi, sjukvård, transport, militära system och en mängd andra kritiska tillämpningar. 

I ett slående bevis på deras allestädes närvarande inflytande förväntas storleken på den globala halvledarmarknaden faktiskt växa till $1.38 trillion by 2029, upp från $573.44 billion in 2022.

En titt på framsteg inom halvledare

Halvledare är material som leder elektricitet mer än en isolator men mindre än en ren ledare. Dessa material, som kan vara antingen rena grundämnen eller föreningar, genomgår en betydande förändring i ledningsförmåga när små mängder föroreningar tillsätts.

Det är tack vare halvledare som vi har tillgång till radio, TV, smartphones, datorer, videospel och avancerad medicinsk diagnostikutrustning. Framstegen inom halvledarteknik under de senaste årtiondena har gjort det möjligt för dessa elektroniska enheter att bli mindre, snabbare, billigare och mer pålitliga.

Också kallade integrerade kretsar (IC) eller mikrochip har halvledare revolutionerat vårt sätt att leva och påverkat hur vi arbetar, kommunicerar, reser, behandlar sjukdomar, underhåller oss och utnyttjar energi.

Som de grundläggande byggstenarna i modern teknik fortsätter halvledare driva världens mest betydelsefulla genombrott och har enorm potential.

Några av de mest spännande innovationerna inom halvledarindustrin inkluderar kvantdatorer, som kräver nya typer av halvledare som fungerar vid låga temperaturer; neuromorfisk databehandling, som syftar till att utveckla datorchip som efterliknar den mänskliga hjärnans struktur och funktion för intelligenta maskiner; kisel‑fotoni, som använder ljus för att överföra data mellan datorchip; och avancerad förpackning, avgörande för att utveckla högpresterande elektroniska enheter.

Dessa avancerade halvledarlösningar kommer att spela en nyckelroll i Artificiell intelligens (AI), som blir allt viktigare i olika industrier. Halvledare kan hjälpa AI‑applikationer att utföra komplexa uppgifter mer effektivt. Halvledare har också enorm potential inom autonoma fordon, intelligenta bildbehandlingssystem och förnybara energisystem.

Tillverkning av halvledare

I halvledarindustrin fokuserar man på att skapa mindre, snabbare och billigare produkter, ett mål som direkt kopplar till principen att ju mindre komponenterna är, desto mer kraft kan placeras på samma chip. Denna kompakthet är avgörande eftersom fler transistorer på ett chip innebär snabbare prestanda.

Det är här Moores lag kommer in i bilden, då den säger att “antalet transistorer i en tät integrerad krets fördubblas ungefär varannan år.” Detta understryker trycket på chipstillverkare att ständigt innovera och leverera mer effektiva och billigare halvledare samtidigt som de säkerställer kvalitetskontroll och snabb tillgänglighet av produkten för försäljning.

Den största delen av efterfrågan på halvledarindustrin kommer från smartphones och industriell utrustning, men framväxten av AI, IoT och autonoma fordon har förändrat branschens utsikter. 

Nu har den ökande efterfrågan gjort att halvledarföretag måste lägga större fokus på forskning och utveckling, öka funktionaliteten och ha mer effektiva produktionstider. Dessa krav har därmed lett till betydande utmaningar för industrin, där den största är hur man kan leverera mindre, kraftfullare chip till överkomliga kostnader.

Dessutom har innovationer ökat komplexiteten i tillverkningsprocesserna inom halvledarindustrin. Denna ökade komplexitet kräver naturligtvis mer effektiva leveranskedjor, ett behov som ytterligare förstärks av den ständigt växande efterfrågan från AI‑företag. Detta kräver inte bara ett brett spektrum av prestandaförmågor utan även kortare leveranstider.

Tillverkningen av halvledarchip innebär rening av wafer, byggande av flera lager för att skapa integrerade kretsar och sedan montering och förpackning av flera komponenter till den färdiga produkten.

Så måste halvledartillverkare hantera utmaningar kring materialhantering, återvinning och processförbättringar, vilka är kritiska aspekter av deras verksamhet. Men deras utmaningar begränsas inte bara till detta; faktorer som geopolitik påverkar också tillgången på resurser och handel, vilket har exemplifierats i fallet mellan USA och Kina.

Under en längre tid har leveranskedjeproblem faktiskt varit bland de största problemen i branschen. Situationen försvåras ytterligare av faktorer som geopolitiska spänningar och handelskonflikter, där svarta svan‑händelser som pandemin förvärrar chip‑tillgängligheten ännu mer.

Utöver dessa utmaningar måste branschen också hantera den växande klyftan mellan efterfrågan på kvalificerade yrkespersoner och tillgången på kompetent personal. Givet den intensiva konkurrensen och den snabba utvecklingstakten i sektorn är en brist på talang och kompetensgap inte förvånande.

Trots alla dessa utmaningar fortsätter dock branschen att blomstra. Genombrott som har potential att förändra framtiden sker ständigt, vilket visar sektorns motståndskraft och innovativa anda.

Klicka här för listan över de bästa aktierna i halvledarequipment för tillverkningsstöd.

‘Doughnut’-strålar möjliggör att se otroligt små objekt

Denna månad tog en ny studie detaljerade bilder av mikroskopiska objekt med hjälp av donut‑formade ljusstrålar, något som inte hade varit möjligt med traditionella mikroskop. Studien genomfördes av forskare vid CU Boulder och förväntas hjälpa vetenskapsmän att förbättra de grundläggande detaljerna i en rad “nanoelektronik”, inklusive minihalvledare som finns i datorchip.

Detta är den senaste utvecklingen inom ptychografi, en beräkningsbaserad bildteknik för mikroskopisk avbildning. Ptychografiverktyg, till skillnad från traditionella mikroskop, visar inte mycket små föremål direkt; de belyser snarare ett mål med laser och mäter sedan hur ljuset sprids.

Enligt studiens seniorförfattare, Margaret Murnane, misslyckades detta tillvägagångssätt, trots att det fungerade bra, “fullständigt för högperiodiska prover, eller objekt med ett regelbundet återkommande mönster” eftersom det inkluderar nanoelektronik. 

Murnane, forskningsstipendiat vid JILA – ett gemensamt forskningsinstitut för CU Boulder och NIST – förklarade de utmaningar som forskare möter när de använder ptychografi för att se strukturerna hos vissa halvledare. Dessa strukturer, bestående av atomer som kisel arrangerade i otroligt jämna små rutnät, ger svårigheter på grund av deras brist på variation.

Så skapade forskarna i den nya studien strålar av extremt ultraviolett ljus istället för vanliga laser i sina mikroskop för att göra skuggfigurer. Genom att använda en spiralfasplatta formade de dem till donut‑liknande strukturer, och när dessa strålar reflekterades från återkommande strukturer blev skuggfigurerna mycket mer komplexa än de som produceras av traditionella laser. Detta möjliggjorde exakt insamling av bilder av mycket små och känsliga strukturer. 

Dessa strukturer är cirka 10 till 100 nanometer stora, och i framtiden förväntar sig teamet att kunna zooma in för att se ännu mindre strukturer. Idén är att göra denna donut‑strategi ännu mer exakt, vilket kommer att låta teamet se ännu mer ömtåliga objekt, kanske till och med biologiska celler, någon dag.

Fram till nu kunde bildverktyg med linser bara se ner till en upplösning på cirka 200 nanometer, vilket hindrade forskare från att exakt fånga många virus. Men nu, med denna forskning, har de grundläggande gränserna för mikroskop pressats, och forskare kommer i framtiden kunna fånga dessa patogener i realtid. “Istället för att använda en lins för att återge bilden använder vi algoritmer,” sade hon.

Dessutom skadar inte strålarna de små elektroniska komponenterna i processen och kan därför användas “för att inspektera polymererna som används för att tillverka och trycka halvledare för defekter, utan att skada dessa strukturer under processen,” sade Murnane.

Sammanfattningsvis har denna nya studie stor potential att påverka halvledarindustrin genom att förbättra inspektionen av nanoelektroniska komponenter med mer exakt kvalitetskontroll. Detta kan också göra det möjligt för forskare att granska känsliga halvledarstrukturer utan att kompromissa med deras integritet. Allt eftersom ptychografiteknikerna utvecklas kan vi förvänta oss mer mångsidiga avbildningsmetoder för forskning och utveckling av halvledare.

Fotona chip som kommer att “omforma” halvledarlandskapet

I ännu en ny studie designade forskare vid nanovetenskapsanläggningen vid University of Sydney Nano Institute, i samarbete med forskare vid Australian National University, en ny halvledararkitektur där de integrerade elektronik med fotoner för att utöka bandbredden och filterkontrollen. Detta innebär att mer information kan flöda genom chipet samtidigt som avancerade filterkontroller möjliggörs. 

Detta arbete banar vägen för en ny generation av kompakta, högupplösta RF‑fotona filter med bredbandig frekvenstillgänglighet, särskilt fördelaktigt i luft- och rymdburna RF‑kommunikationslastar, och öppnar möjligheter för förbättrad kommunikation och sensorteknik.

– sade Dr Moritz Merklein, senior forskningsfellow och medförfattare till studien

För att bygga detta chip använde forskarna en framväxande teknik inom kisel‑fotoni, med vilken de kunde integrera olika system på halvledare mindre än 5 millimeter breda, vilket liknar att sätta ihop Lego‑byggklossar. På så sätt kan den erbjuda ett skalbart och modulärt tillvägagångssätt för chipdesign, vilket öppnar nya möjligheter att skapa komplexa och mycket effektiva halvledarenheter.

Den kombinerade användningen av utländska halvledarfoundries för att tillverka den grundläggande chip‑wafern med lokal forskningsinfrastruktur och tillverkning har varit avgörande för utvecklingen av denna fotoniska integrerade krets.

– Dr. Alvaro Casas Bedoy, biträdande direktör för fotonisk integration vid School of Physics

Detta nya kompakta kisel‑halvledarchip ökar radiovågs‑ (RF) bandbredden avsevärt och kan exakt kontrollera informationen som flödar genom enheten. Dess tillämpning kan ses i avancerad radar, trådlösa nätverk, satelliter och utrullning av 6G‑ och 7G‑telekommunikation. Dessutom innebär det att enheter kan anpassas till olika tillämpningar, vilket gör dem användbara i ett brett spektrum av scenarier.

Enligt forskarna kan denna förbättrade förmåga ytterligare hjälpa avancerad suverän tillverkning och skapandet av högteknologiska värdeadderade fabriker utan att enbart förlita sig på internationella tillverkare.

Denna uppfinning, enligt prorektor professor Ben Eggleton, är ett betydande framsteg inom forskningen om mikrovågs‑fotoni och integrerad fotoni. Chipet har förmågan att erbjuda en 15‑gigahertz bandbredd av justerbara frekvenser med imponerande spektral upplösning.

Han förklarade hur “mikrovågs‑fotoni spelar en avgörande roll i modern kommunikation och radarapplikationer, genom att erbjuda flexibiliteten att exakt filtrera olika frekvenser, minska elektromagnetisk interferens och förbättra signalens kvalitet.” Dessutom, genom att integrera avancerade funktioner i halvledarchip (kalkogenglas med kisel), tror Eggleton att det kan “omforma det lokala halvledarlandskapet.”

Topp‑tillverkare av halvledare 

Med tanke på allt som händer i halvledarindustrin, låt oss nu titta på några av de framstående halvledartillverkarna:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

Världens största halvledarfoundry är engagerad i tillverkning av integrerade kretsar för kunders räkning. Med ett börsvärde på $523.56 billion, handlas företagets aktier till $100.75, upp 35.52% i år. TSM:s intäkter (TTM) har varit $68.86 bln, EPS (TTM) på 5.36 och P/E (TTM) på 18.84 samtidigt som de erbjuder en utdelningsavkastning på 1.81%.

TSMC är för närvarande på väg mot volymproduktion av sina N2 (2 nanometres) chip, som enligt företaget “kommer att vara den mest avancerade halvledartekniken i branschen både när det gäller densitet och energieffektivitet när den introduceras.” Halvledartillverkaren arbetar också med sin globala expansion, som började med en ny anläggning i Arizona för ett par år sedan och nu även omfattar Japan och Tyskland.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

Detta globala halvledarföretag har ett börsvärde på $217.13 billion och dess aktier handlas till $133.52, upp 107.52% i år. AMD:s intäkter (TTM) har varit $22.11 bln, och EPS (TTM) på 0.13, men ingen utdelning erbjuds.

Senast presenterade Advanced Micro sina nya AI‑chip från den efterlängtade MI300‑serien för att utmana Nvidias flaggskepps‑AI‑processorer, som kontrollerar cirka 80% av AI‑chipmarknaden. Dessa nya chip är designade för superdatorer och för generativa AI‑applikationer som ChatGPT och Dall‑E. Företaget höjde också prognosen för sin adresserbara marknad för AI‑chip till $400 billion de kommande fyra åren.

3. Applied Materials, Inc. 

Företaget, en ledare inom leverans av tillverkningsutrustning, tjänster och mjukvara till halvledarindustrin, har ett börsvärde på $129.78 billion. Med sin status handlas aktierna för den största tillverkaren av halvledarutrustning i USA för närvarande till $156.50, vilket innebär en imponerande uppgång på 59.3% i år. Ekonomiskt har AMAT rapporterat intäkter (TTM) på $26.51 billion, en EPS (TTM) på 8.11 och ett P/E (TTM) på 19.12, samt erbjuder en utdelningsavkastning på 0.83%.

Dock navigerar Applied Materials (AMAT ) för närvarande i svåra vatten då de är föremål för en amerikansk brottsutredning för påstådd leverans av utrustning till Kinas ledande chipstillverkare SMIC, vilket potentiellt kringgår exportrestriktioner. Denna situation uppstår mitt i USA:s förbud mot både avancerade chipleveranser och utrustning till Kina. I ett steg som signalerar deras globala ambitioner och strategiska expansion meddelade Applied Materials tidigare i år sin plan att investera $400 million över fyra år för att etablera ett samarbets‑ingenjörscenter i Indien.

4. ASML Holding NV 

Det nederländska företaget ASML levererar avancerade litografisystem som används av chipstillverkare som TSMC, Samsung och Intel (INTC ) för att lägga kretsar på kisel‑wafer. Det har ett börsvärde på $286.32 bln medan aktierna handlas till $714.42, upp 30% YTD med sina intäkter (TTM) på 28.871B, EPS (TTM) på 20.42 och P/E (TTM) på 34.78. Den erbjudna utdelningsavkastningen är 0.91%.

Företaget rapporterade nyligen Q3‑resultat på strax över $2 bln, där VD Peter Wennink sade: “Halvledarindustrin befinner sig för närvarande i botten av cykeln, och våra kunder förväntar sig att vändpunkten blir synlig innan årets slut.”

Slutsats

Halvledare är en kritisk komponent i enheter som är integrerade delar av våra liv. De är faktiskt ryggraden i den blomstrande tekniksektorn. Och eftersom efterfrågan på halvledare fortsätter att öka leder det till ännu mindre, snabbare och mer energieffektiva chip. All denna utveckling och innovation kommer sedan att möjliggöra utvecklingen av nya typer av enheter och applikationer som tidigare var omöjliga!