Utnyttja simuleringar för att återföra chipproduktion till USA

Även om mikrochips alltid har varit viktiga för den moderna världen, var det inte förrän leveranskedjeschocken 2022 som regeringar och industrier insåg deras kritiska betydelse för den globala ekonomin. Bristen var så allvarlig att industrierna inte hade något annat val än att stoppa sina massiva produktionslinjer.

Så, varför är mikrochips så viktiga för den globala ekonomin? Enkelt uttryckt är mikrochips ryggraden i den moderna teknikindustrin, integrerade i allt från persondatorer, smartphones, köksapparater, bilar, medicinska enheter och till och med i vissa husdjur för identifieringsändamål.

Men trots denna kritiska betydelse kan bara några få länder verkligen tillverka funktionella mikrochips, eftersom detta företag pressar gränserna för precisionsingenjörskonst och teknisk innovation. Trots allt är mikrochipstillverkning inte bara en kapitalkrävande industri, utan kräver också arbetare med en mycket specialiserad kompetens, som inkluderar, men inte är begränsad till, fysik, materialvetenskap och elektroteknik.

Dessutom kräver anläggningarna där dessa mikrochips tillverkas, kända som fabar, strikta miljöförhållanden för produktionsprocessen. Detta innebär att upprätthålla specifika temperaturer och luftfuktighetsnivåer samt minimera kontamination så mycket som möjligt.

Även om sådana perfekta förhållanden uppfylls, involverar tillverkningsprocessen flera steg, och varje steg måste utföras med perfektion. Alla fel kan göra mikrochipsen oanvändbara.

Dessutom kräver pågående tekniska framsteg mindre, mer effektiva chips, vilket lägger ytterligare press på fabarna. Och när de väl behärskar produktionen av en viss generation av mikrochips kan dessa redan vara föråldrade på grund av bristande efterfrågan.

Sådana enorma hinder gör tillverkning av mikrochips i stor skala till en formidabel utmaning för de flesta länder, även för de med djupaste fickorna.

Även USA, den globala tekniksupermakten och en ledare inom halvledardesign, är inte i topposition när det gäller mikrochipstillverkning, eftersom den eftertraktade platsen tillhör Taiwan. Detta beror på Taiwans decennielånga investering i halvledartillverkning och närvaron av företag som Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) (TSM ).

Dessa komplexiteter visar hur utmanande det är att uppnå självständighet när det gäller mikrochips. Men enligt en nyligen publicerad artikel på webbplatsen för USA:s energidepartement Princeton Plasma Physics Laboratory utvecklar deras forskare datorprogram som avsevärt kommer förbättra simuleringen av plasmaprocesser som används i mikrochipstillverkning.

Dessa nya algoritmer kan överträffa traditionella simuleringsmetoder när det gäller noggrannhet och effektivitet, påskynda mikrochipproduktionsprocessen och därmed hjälpa till att återföra chipstillverkning till USA.

En dubbel strategi

Princeton Plasma Physics Laboratory genomförde två forskningsprojekt samtidigt, och deras fokusområden skiljde sig åt i mål.

• Den första forskningen fokuserade på att förbättra noggrannheten i dessa simuleringar.
• Det andra forskningsmålet var att påskynda simuleringstidsramarna för plasmareaktorer som används i tillverkning av mikrochips.

Behovet av hastighet och precision i plasmatsimuleringar

De komplexa mönstren som etsas in i kiselplattor för att skapa mikrochips produceras i stor utsträckning med hjälp av plasmareaktorer. Processen beror på plasmaens beteende, en elektriskt laddad gas som måste kontrolleras noggrant för att uppnå önskat resultat.

Traditionellt har det varit en arbetsam och tidskrävande uppgift att simulera plasmaprocessen för att förutsäga resultat och förbättra produktionsmetoder. Det är här PPPL:s första forskning kommer in i bilden. Den syftar till att förändra situationen genom att skapa datoralgoritmer som avsevärt kan minska den tid som krävs för dessa simuleringar.

Och de har lyckats med det, då deras team reducerade simuleringstidsramen från veckor till potentiellt dagar eller till och med timmar utan att offra betydande detaljer. När det gäller hur PPPL:s forskare gjorde detta, återvände de till historien och förfinade de gamla algoritmerna, särskilt de som skapades på 1980-talet, för att uppnå önskat resultat.

Att hantera simuleringsnoggrannhet

I deras andra forskningslinje tog PPPL:s forskarteam itu med problemet med simuleringsnoggrannhet. Med tanke på plasmaens komplexa beteende är det avgörande att simuleringar noggrant speglar verkliga reaktioner för effektiva mikrochipproduktionsmetoder. Dock har behovet av en significant computing-insats för att exakt simulera beteendet hos otaliga plasmapartiklar historiskt sett varit mycket utmanande.

För att tackla detta problem förenklade PPPL:s forskningsteam representationen av plasmapartiklar i simuleringar. Istället för att försöka beakta varje partikel individuellt utvecklade de en metod för att gruppera dem i större, mer hanterbara enheter. Detta tillvägagångssätt minskar den beräkningsmässiga bördan avsevärt, vilket leder till snabbare och mer tillgängliga simuleringar.

Initialt riskerade dock denna förenkling att förvränga de verkliga dynamikerna i plasmaens beteende, vilket potentiellt kunde leda till mindre exakta förutsägelser. För att övervinna detta hinder justerade forskarna simuleringens parametrar, gjorde dessa partikelkluster större och mindre täta. Denna modifiering säkerställer att simuleringens förutsägelser förblir intakta eftersom partikelinteraktionerna mer exakt kommer att efterlikna de i verklig plasma.

Denna noggranna balans mellan noggrannhet och förenkling har stor potential att förbättra mikrochipstillverkningsprocesserna.

En katalysator för förändring

PPPL:s forskning har betydelse bortom den tekniska domänen, eftersom den har implikationer för de strategiska dynamikerna på den globala halvledarmarknaden, särskilt för USA. Trots allt har denna upptäckt potential att omdefiniera mikrochipstillverkningslandskapet i USA genom att tillhandahålla verktyg som kan minska tid och kostnader i mikrochipproduktionen. Förmågan att snabbt anpassa och förbättra produktionsprocesser är avgörande i en bransch där marknadsledarskap ofta beror på innovationshastigheten.

Dessutom kan tillgången till avancerade simuleringsverktyg jämna ut spelplanen genom att möjliggöra för amerikanska startups och mindre företag att konkurrera mer effektivt mot etablerade globala jättar. Detta kan utlösa en våg av innovation inom den amerikanska halvledarsektorn när fler företag går in på marknaden och bidrar med nya idéer och metoder för att designa och producera mikrochips.

Stärka nationell säkerhet och ekonomisk motståndskraft

Aktuella globala omvälvningar och geopolitiska spänningar har gjort leveranskedjor sårbara. Detta beroende av andra länder för viktiga komponenter som mikrochips innebär en nationell risk. USA insåg omfattningen av denna risk under halvledarleveranschocken 2022 och drog slutsatsen att varje störning i mikrochipförsörjningen skulle kunna allvarligt påverka USA:s teknologis globala dominans.

PPPL-studien stämmer överens med bredare statliga initiativ, såsom the CHIPS Act, som syftar till att återupprätta amerikansk dominans inom halvledarindustrin. Lagstiftad den 9 augusti 2022 som CHIPS and Science Act, avsätter den nästan $280 miljarder i finansiering för att stärka inhemsk halvledartillverkning och minska beroendet av utländska källor. Finansieringen stödjer forskning och utveckling, incitament för inhemsk tillverkning samt åtgärder för att stärka leveranskedjan.

Skiftet mot att säkra och revitalisera våra halvledarkapaciteter handlar inte bara om att upprätthålla ekonomisk motståndskraft och nationell säkerhet; det är också ett avgörande steg för att bana väg för nästa revolution inom tillverkning och teknik—Industrin 4.0.

Bygga den nyckelpelaren för Industri 4.0

IBM ser Industri 4.0 som något där smart tillverkning kommer att spela en avgörande roll. Med andra ord syftar Industri 4.0 till att digitalt transformera tillverkningsområdet, där beslut levereras i realtid, vilket ökar produktiviteten för att uppnå det ultimata målet att göra produktions- och distributionsprocessen optimalt flexibel och agil.

För att USA ska bli en ledare inom Industri 4.0 kommer mikrochips att vara mer än nödvändiga. En studie från Goldman Sachs (GS ) har redan visat att brist på mikrochips kan påverka så många som 169 industrier, inklusive medicinteknik, jordbruksmaskiner, konsumentelektronik, energi och företag. År 2021 kunde till exempel det globalt hyllade bilföretaget Renault inte producera så många som 500,000 cars på grund av brist på mikrochips.

Denna sårbarhet understryker frågans kritiska natur, eftersom ett ökat beroende av Taiwan, som nämnts tidigare, kan innebära en plötslig störning i leveranskedjan, som det skedde under COVID-19-pandemin, vilket skulle leda till att systemet helt kollapsar.

Klicka här för listan över de tio bästa Internet of Things (IoT)-aktierna för en uppkopplad framtid.

Framtiden för USA i mikrochipproduktion

USA har tydligt insett hur avgörande mikrochips kan vara för en motståndskraftig och självförsörjande ekonomisk framtid. Denna insikt har lett till att landet uppmuntrar system där resultatet blir mikrochips i världsklass.

George Washington University och fyra andra akademiska forskningspartner, till exempel, har samarbetat med USA:s handelsdepartements National Institute for Standards and Technology, Google och halvledartillverkaren SkyWater Technology (SKYT ) för att utveckla en ‘inhemsk, prisvärd tillgång till sådana mikrochips för forskare och startups.

Detta samarbete syftar till att producera kiselplattor som kommer att hysa hundratals mikrochips för distribution inom samhället. Forskarna kommer att ha tillgång till en förplanariserad chipplattform, som är ‘lämplig för integration och för att benchmarka prestandan hos deras nya enheter mot andra enheter från samhället.’

Enligt Gina Adam, biträdande professor i avdelningen för elektroteknik och datorteknik vid GW:s School of Engineering and Applied Science, kommer partnerskapet att tillhandahålla:

Den forskningsinfrastruktur som behövs för att göra framsteg inom nanoteknik och halvledarenheter, särskilt när USA skiftar sitt strategiska fokus till återförflyttning av mikrochipproduktion.

För att öka den inhemska mikrochipproduktionen har den amerikanska regeringen deklarerat sina planer att investera nästan US$162 million i det i Arizona baserade företaget Microchip Technology (MCHP ). Samarbetet mellan företaget, den amerikanska regeringen och företaget kommer att ske i form av ett icke bindande preliminärt memorandum om villkor (PMT)-avtal.

Den amerikanska regeringen kommer att tillhandahålla miljoner i ‘federala incitament’, som kommer att fördelas i två strömmar: US$90 miljoner kommer att användas för att modernisera och expandera företagets tillverkningsanläggning i Colorado Springs, och resterande US$72 miljoner kommer att gå till att expandera företagets anläggning i Gresham, Oregon.

En liknande finansiering på US$35 million erbjöds tidigare till BAE Systems (BSP.DE ) Electronic Systems, en affärsenhet inom BAE Systems, Inc. Målet var att stödja moderniseringen av företagets Microelectronics Center.

Sammanfattningsvis har USA blivit tydligt aktivt, både på policy- och genomförandenivå, för att uppmuntra mikrochipproduktion i landet. Och det har alla skäl att vara aktivt med sådan stor kraft och intensitet. Det är bara inte nödvändigt att ha leveranskedjorna för datorer, smartphones och bilar ostörda. Som vi redan har sett kan närvaron av mikrochips stärka nationella säkerhetsmekanismer och cybersäkerhetsstrukturer.

Den 360-gradiga strategin från de amerikanska myndigheterna tar hänsyn till behovet av att stimulera tillverkning, uppmuntra forskning och utveckling, främja en utbildad arbetskraft och stärka aktiviteter relaterade till internationell informations- och kommunikationsteknologisäkerhet samt halvledarleveranskedjan.

De miljarder dollar som de amerikanska myndigheterna är beredda att investera för att göra mikrochipproduktion till ett blomstrande inhemskt företag har också lyckats locka globala aktörer.

Till exempel har den största och mest betydelsefulla aktören på kartan, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), åtagit sig över US$12 miljarder för att bygga en halvledartillverkningsanläggning i Arizona. Intel (INTC ) planerar att bygga en US$20 miljarder tungtillverkande halvledaranläggning i Ohio. Micron Technology, Inc. (MU ) har ännu mer ambitiösa planer, då de föreslår att investera upp till US$100 miljarder under de kommande två decennierna för att bygga en massiv halvledarfabrik i norra New York.

Med alla dessa initiativ och handlingsplaner på plats finns det ingen anledning till att USA skulle hamna på efterkälken i tävlingen om mikrochipproduktion. Men för att konkurrera med de östasiatiska länderna som står för nästan tre fjärdedelar av den globala moderna chipstillverkningen måste USA bygga en robust talang- och leveranskedjeinfrastruktur. Det måste också vara medvetet om efterfrågan så att det skyddas mot riskerna med överkapacitet och överskottsförsörjning. Dessutom bör fokus förbli på att prioritera produktionen av rätt typ av chips.

Enligt Scott Kenedy, senior rådgivare vid Center for Strategic and International Studies:

USA måste expandera chipproduktionen för en specifik typ av chips som är direkt relaterade till amerikansk nationell säkerhet.

Om USA lyckas öka mikrochipstillverkningen och dessutom på rätt optimerade sätt är något som vi måste hålla ett öga på.