సిలికాన్ సెమీకండక్టర్ చిప్స్ యొక్క భవిష్యత్తు అవకాశాలను అన్వేషించడం

టెక్నాలజీలో సెమీకండక్టర్ల పాత్రను ఏది నిర్వచిస్తుంది?

పదార్థాలను వాటి విద్యుత్ వాహకత ఆధారంగా వర్గీకరించవచ్చు - కండక్టర్లలో కరెంట్ సులభంగా ప్రవహిస్తుంది కానీ ఇన్సులేటర్లలో ఉండదు. సెమీకండక్టర్స్ మధ్యలో వస్తాయి: అవి నిర్దిష్ట పరిస్థితులలో విద్యుత్తును నిర్వహించగలవు, ఇవి కంప్యూటింగ్‌లో చాలా ఉపయోగకరంగా ఉంటాయి. మైక్రోచిప్‌లకు పునాదిగా సెమీకండక్టర్‌లను ఉపయోగించడం ద్వారా, పరికరాలలో విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని నియంత్రించవచ్చు, ఈ రోజు మనం ఆధారపడే అన్ని విశేషమైన విధులను ప్రారంభిస్తాము.

వారి ప్రారంభం నుండి,సిలికాన్చిప్ మరియు టెక్నాలజీ పరిశ్రమలో ఆధిపత్యం చెలాయించింది, ఇది "సిలికాన్ వ్యాలీ" అనే పదానికి దారితీసింది. అయితే, భవిష్యత్ సాంకేతికతలకు ఇది చాలా సరిఅయిన పదార్థం కాకపోవచ్చు. దీన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి, చిప్స్ ఎలా పనిచేస్తాయి, ప్రస్తుత సాంకేతిక సవాళ్లు మరియు భవిష్యత్తులో సిలికాన్‌ను భర్తీ చేసే మెటీరియల్‌లను మనం మళ్లీ సందర్శించాలి.

మైక్రోచిప్‌లు ఇన్‌పుట్‌లను కంప్యూటర్ భాషలోకి ఎలా అనువదిస్తాయి?

మైక్రోచిప్‌లు ట్రాన్సిస్టర్‌లు అని పిలువబడే చిన్న స్విచ్‌లతో నిండి ఉంటాయి, ఇవి కీబోర్డ్ ఇన్‌పుట్‌లు మరియు సాఫ్ట్‌వేర్ ప్రోగ్రామ్‌లను కంప్యూటర్ భాష-బైనరీ కోడ్‌లోకి అనువదిస్తాయి. స్విచ్ తెరిచినప్పుడు, కరెంట్ ప్రవహిస్తుంది, ఇది '1'ని సూచిస్తుంది; మూసివేయబడినప్పుడు, అది '0'ని సూచించదు. ఆధునిక కంప్యూటర్లు చేసే ప్రతిదీ చివరికి ఈ స్విచ్‌లకు మరుగుతుంది.

దశాబ్దాలుగా, మైక్రోచిప్‌లపై ట్రాన్సిస్టర్‌ల సాంద్రతను పెంచడం ద్వారా మేము కంప్యూటింగ్ శక్తిని మెరుగుపరిచాము. మొదటి మైక్రోచిప్‌లో కేవలం ఒక ట్రాన్సిస్టర్ మాత్రమే ఉండగా, ఈ రోజు మనం ఈ చిన్న చిన్న స్విచ్‌లను వేలిగోరు పరిమాణంలో ఉన్న చిప్‌లలో బిలియన్ల కొద్దీ పొందుపరచవచ్చు.

మొదటి మైక్రోచిప్ జెర్మేనియంతో తయారు చేయబడింది, అయితే సాంకేతిక పరిశ్రమ దానిని త్వరగా గ్రహించిందిసిలికాన్చిప్ తయారీకి ఉన్నతమైన పదార్థం. సిలికాన్ యొక్క ప్రాధమిక ప్రయోజనాలు దాని సమృద్ధి, తక్కువ ధర మరియు అధిక ద్రవీభవన స్థానం, అంటే ఇది అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద మెరుగ్గా పని చేస్తుంది. అదనంగా, సిలికాన్ ఇతర పదార్థాలతో "డోప్" చేయడం సులభం, ఇంజనీర్లు దాని వాహకతను వివిధ మార్గాల్లో సర్దుబాటు చేయడానికి అనుమతిస్తుంది.

ఆధునిక కంప్యూటింగ్‌లో సిలికాన్ ఎలాంటి సవాళ్లను ఎదుర్కొంటుంది?

ట్రాన్సిస్టర్‌లను నిరంతరం కుదించడం ద్వారా వేగవంతమైన, మరింత శక్తివంతమైన కంప్యూటర్‌లను సృష్టించే క్లాసిక్ వ్యూహంసిలికాన్చిప్స్ తడబడటం ప్రారంభించింది. యూనివర్సిటీ ఆఫ్ పెన్సిల్వేనియాలో ఇంజనీరింగ్ ప్రొఫెసర్ అయిన డీప్ జరివాలా 2022లో ది వాల్ స్ట్రీట్ జర్నల్‌కి ఇచ్చిన ఇంటర్వ్యూలో ఇలా అన్నారు, “సిలికాన్ ఇంత చిన్న కొలతలలో పని చేయగలిగినప్పటికీ, గణనకు అవసరమైన శక్తి సామర్థ్యం పెరుగుతోంది, ఇది చాలా నిలకడలేనిది. శక్తి దృక్కోణం నుండి, ఇది ఇకపై అర్ధవంతం కాదు.

పర్యావరణానికి మరింత హాని కలిగించకుండా మా సాంకేతికతను మెరుగుపరచడం కొనసాగించడానికి, మనం ఈ స్థిరత్వ సమస్యను పరిష్కరించాలి. ఈ అన్వేషణలో, కొంతమంది పరిశోధకులు గాలియం మరియు నైట్రోజన్‌తో తయారు చేసిన సమ్మేళనం గాలియం నైట్రైడ్ (GaN)తో సహా సిలికాన్ కాకుండా ఇతర సెమీకండక్టర్ పదార్థాలతో తయారు చేసిన చిప్‌లను నిశితంగా పరిశీలిస్తున్నారు.

సెమీకండక్టర్ పదార్థంగా గాలియం నైట్రైడ్ ఎందుకు దృష్టిని ఆకర్షిస్తోంది?

సెమీకండక్టర్ల యొక్క విద్యుత్ వాహకత మారుతూ ఉంటుంది, ప్రధానంగా "బ్యాండ్‌గ్యాప్" అని పిలవబడే కారణంగా. న్యూక్లియస్‌లో ప్రోటాన్‌లు మరియు న్యూట్రాన్‌లు క్లస్టర్‌గా ఉంటాయి, ఎలక్ట్రాన్‌లు దాని చుట్టూ తిరుగుతాయి. ఒక పదార్థం విద్యుత్తును నిర్వహించాలంటే, ఎలక్ట్రాన్లు తప్పనిసరిగా "వాలెన్స్ బ్యాండ్" నుండి "కండక్షన్ బ్యాండ్"కి దూకగలగాలి. ఈ పరివర్తనకు అవసరమైన కనీస శక్తి పదార్థం యొక్క బ్యాండ్‌గ్యాప్‌ను నిర్వచిస్తుంది.

కండక్టర్లలో, ఈ రెండు ప్రాంతాలు అతివ్యాప్తి చెందుతాయి, ఫలితంగా బ్యాండ్‌గ్యాప్ ఉండదు-ఎలక్ట్రాన్లు ఈ పదార్థాల గుండా స్వేచ్ఛగా వెళ్లగలవు. ఇన్సులేటర్లలో, బ్యాండ్‌గ్యాప్ చాలా పెద్దదిగా ఉంటుంది, దీని వలన ఎలక్ట్రాన్లు ముఖ్యమైన శక్తితో కూడా ప్రయాణించడం కష్టతరం చేస్తుంది. సిలికాన్ వంటి సెమీకండక్టర్లు మధ్యస్థాన్ని ఆక్రమిస్తాయి;సిలికాన్1.12 ఎలక్ట్రాన్ వోల్ట్‌ల (eV) బ్యాండ్‌గ్యాప్‌ను కలిగి ఉంది, అయితే గాలియం నైట్రైడ్ 3.4 eV బ్యాండ్‌గ్యాప్‌ను కలిగి ఉంది, దీనిని "వైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్" (WBGS)గా వర్గీకరిస్తుంది.

WBGS పదార్థాలు కండక్టివిటీ స్పెక్ట్రమ్‌లోని ఇన్సులేటర్‌లకు దగ్గరగా ఉంటాయి, రెండు బ్యాండ్‌ల మధ్య ఎలక్ట్రాన్లు కదలడానికి ఎక్కువ శక్తి అవసరమవుతుంది, ఇవి చాలా తక్కువ-వోల్టేజ్ అప్లికేషన్‌లకు సరిపోవు. అయినప్పటికీ, WBGS కంటే ఎక్కువ వోల్టేజీలు, ఉష్ణోగ్రతలు మరియు శక్తి పౌనఃపున్యాల వద్ద పనిచేయగలదుసిలికాన్ ఆధారితసెమీకండక్టర్లు, వాటిని ఉపయోగించే పరికరాలను వేగంగా మరియు మరింత సమర్థవంతంగా అమలు చేయడానికి అనుమతిస్తుంది.

కేంబ్రిడ్జ్ GaN సెంటర్ డైరెక్టర్, Rachel Oliver, Freethinkతో మాట్లాడుతూ, “మీరు ఫోన్ ఛార్జర్‌పై చేయి వేస్తే, అది వేడిగా అనిపిస్తుంది; అది సిలికాన్ చిప్స్ ద్వారా వృధా అయ్యే శక్తి. GaN ఛార్జర్‌లు స్పర్శకు చాలా చల్లగా అనిపిస్తాయి - గణనీయంగా తక్కువ వృధా శక్తి ఉంది.

గాలియం మరియు దాని సమ్మేళనాలు టెక్ పరిశ్రమలో దశాబ్దాలుగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి, వీటిలో కాంతి-ఉద్గార డయోడ్‌లు, లేజర్‌లు, మిలిటరీ రాడార్, ఉపగ్రహాలు మరియు సౌర ఘటాలు ఉన్నాయి. అయితే,గాలియం నైట్రైడ్ప్రస్తుతం సాంకేతికతను మరింత శక్తివంతంగా మరియు శక్తి-సమర్థవంతంగా మార్చాలని భావిస్తున్న పరిశోధకుల దృష్టి.

భవిష్యత్తు కోసం గాలియం నైట్రైడ్ ఎలాంటి చిక్కులను కలిగిస్తుంది?

ఆలివర్ పేర్కొన్నట్లుగా, GaN ఫోన్ ఛార్జర్‌లు ఇప్పటికే మార్కెట్‌లో ఉన్నాయి మరియు ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలకు సంబంధించిన ముఖ్యమైన వినియోగదారు ఆందోళనను పరిష్కరిస్తూ, వేగవంతమైన ఎలక్ట్రిక్ వాహనాల ఛార్జర్‌లను అభివృద్ధి చేయడానికి పరిశోధకులు ఈ విషయాన్ని ఉపయోగించాలని లక్ష్యంగా పెట్టుకున్నారు. "ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలు వంటి పరికరాలు చాలా త్వరగా ఛార్జ్ చేయగలవు" అని ఆలివర్ చెప్పారు. "పోర్టబుల్ పవర్ మరియు వేగవంతమైన ఛార్జింగ్ అవసరమయ్యే దేనికైనా, గాలియం నైట్రైడ్ గణనీయమైన సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటుంది."

గాలియం నైట్రైడ్మిలిటరీ ఎయిర్‌క్రాఫ్ట్ మరియు డ్రోన్‌ల యొక్క రాడార్ సిస్టమ్‌లను కూడా మెరుగుపరుస్తుంది, ఎక్కువ దూరం నుండి లక్ష్యాలను మరియు బెదిరింపులను గుర్తించడానికి మరియు డేటా సెంటర్ సర్వర్‌ల సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరచడానికి వీలు కల్పిస్తుంది, ఇది AI విప్లవాన్ని సరసమైనది మరియు స్థిరమైనదిగా చేయడంలో కీలకమైనది.

అని ఇచ్చారుగాలియం నైట్రైడ్అనేక అంశాలలో రాణిస్తుంది మరియు కొంతకాలంగా ఉంది, మైక్రోచిప్ పరిశ్రమ ఎందుకు సిలికాన్ చుట్టూ నిర్మించబడుతోంది? సమాధానం, ఎప్పటిలాగే, ధరలో ఉంటుంది: GaN చిప్స్ తయారీకి ఖరీదైనవి మరియు సంక్లిష్టమైనవి. ఖర్చులను తగ్గించడం మరియు ఉత్పత్తిని స్కేలింగ్ చేయడానికి సమయం పడుతుంది, అయితే U.S. ప్రభుత్వం ఈ అభివృద్ధి చెందుతున్న పరిశ్రమను కిక్‌స్టార్ట్ చేయడానికి చురుకుగా పని చేస్తోంది.

ఫిబ్రవరి 2024లో, యునైటెడ్ స్టేట్స్ దేశీయ చిప్ ఉత్పత్తిని విస్తరించేందుకు CHIPS మరియు సైన్స్ చట్టం కింద సెమీకండక్టర్ తయారీ కంపెనీ గ్లోబల్‌ఫౌండ్రీస్‌కు $1.5 బిలియన్లను కేటాయించింది.

 ఈ నిధులలో కొంత భాగాన్ని వెర్మోంట్‌లోని తయారీ సౌకర్యాన్ని అప్‌గ్రేడ్ చేయడానికి ఉపయోగించబడుతుంది, ఇది భారీ ఉత్పత్తికి వీలు కల్పిస్తుందిగాలియం నైట్రైడ్(GaN) సెమీకండక్టర్స్, ప్రస్తుతం U.S.లో గుర్తించబడని సామర్ధ్యం, నిధుల ప్రకటన ప్రకారం, ఈ సెమీకండక్టర్‌లు ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలు, డేటా సెంటర్‌లు, స్మార్ట్‌ఫోన్‌లు, పవర్ గ్రిడ్‌లు మరియు ఇతర సాంకేతికతలలో ఉపయోగించబడతాయి. 

అయినప్పటికీ, U.S. దాని తయారీ రంగంలో సాధారణ కార్యకలాపాలను పునరుద్ధరించగలిగినప్పటికీ, ఉత్పత్తిGaNచిప్స్ గాలియం యొక్క స్థిరమైన సరఫరాపై ఆధారపడి ఉంటుంది, ఇది ప్రస్తుతం హామీ ఇవ్వబడలేదు. 

గాలియం అరుదైనది కానప్పటికీ-ఇది రాగితో పోల్చదగిన స్థాయిలో భూమి యొక్క క్రస్ట్‌లో ఉంటుంది-ఇది రాగి వంటి పెద్ద, గని చేయదగిన నిక్షేపాలలో ఉండదు. అయినప్పటికీ, అల్యూమినియం మరియు జింక్ కలిగిన ఖనిజాలలో గాలియం యొక్క ట్రేస్ మొత్తాలను కనుగొనవచ్చు, ఈ మూలకాల యొక్క ప్రాసెసింగ్ సమయంలో దాని సేకరణకు వీలు కల్పిస్తుంది. 

2022 నాటికి, ప్రపంచంలోని దాదాపు 90% గాలియం చైనాలో ఉత్పత్తి చేయబడింది. ఇంతలో, U.S. 1980ల నుండి గాలియంను ఉత్పత్తి చేయలేదు, దాని గాలియంలో 53% చైనా నుండి దిగుమతి చేయబడింది మరియు మిగిలినది ఇతర దేశాల నుండి తీసుకోబడింది. 

జూలై 2023లో, జాతీయ భద్రతా కారణాల దృష్ట్యా గాలియం మరియు జెర్మేనియం అనే మరొక పదార్థాన్ని ఎగుమతి చేయడాన్ని ప్రారంభించనున్నట్లు చైనా ప్రకటించింది. 

చైనా యొక్క నిబంధనలు U.S.కు గాలియం ఎగుమతులను పూర్తిగా నిషేధించవు, అయితే వాటికి సంభావ్య కొనుగోలుదారులు అనుమతుల కోసం దరఖాస్తు చేసుకోవాలి మరియు చైనా ప్రభుత్వం నుండి ఆమోదం పొందాలి. 

U.S. రక్షణ కాంట్రాక్టర్లు తిరస్కరణలను ఎదుర్కోవలసి ఉంటుంది, ప్రత్యేకించి వారు చైనా యొక్క "విశ్వసనీయమైన సంస్థ జాబితా"లో జాబితా చేయబడితే. ఇప్పటివరకు, ఈ ఆంక్షలు చాలా చిప్ తయారీదారుల కోసం గాలియం ధరలను పెంచడం మరియు పొడిగించిన ఆర్డర్ డెలివరీ సమయాలకు దారితీసింది, అయితే పూర్తి కొరత కంటే, భవిష్యత్తులో చైనా ఈ పదార్థంపై తన నియంత్రణను కఠినతరం చేయడానికి ఎంచుకోవచ్చు. 

క్లిష్టమైన ఖనిజాల కోసం చైనాపై ఎక్కువగా ఆధారపడటం వల్ల కలిగే నష్టాలను U.S. చాలాకాలంగా గుర్తించింది-2010లో జపాన్‌తో వివాదం సందర్భంగా, అరుదైన ఎర్త్ లోహాల ఎగుమతిని చైనా తాత్కాలికంగా నిషేధించింది. 2023లో చైనా తన ఆంక్షలను ప్రకటించే సమయానికి, U.S. దాని సరఫరా గొలుసులను బలోపేతం చేయడానికి ఇప్పటికే పద్ధతులను అన్వేషిస్తోంది. 

సాధ్యమయ్యే ప్రత్యామ్నాయాలలో కెనడా వంటి ఇతర దేశాల నుండి గాలియంను దిగుమతి చేసుకోవడం (అవి తగినంతగా ఉత్పత్తిని పెంచగలిగితే) మరియు ఎలక్ట్రానిక్ వ్యర్థాల నుండి పదార్థాన్ని రీసైక్లింగ్ చేయడం వంటివి ఉన్నాయి-ఈ ప్రాంతంలో పరిశోధనకు U.S. డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ డిఫెన్స్ అడ్వాన్స్‌డ్ రీసెర్చ్ ప్రాజెక్ట్స్ ఏజెన్సీ నిధులు సమకూరుస్తుంది. 

గాలియం యొక్క దేశీయ సరఫరాను ఏర్పాటు చేయడం కూడా ఒక ఎంపిక. 

నెదర్లాండ్స్‌లో ఉన్న Nyrstar, టెన్నెస్సీలోని జింక్ ప్లాంట్ ప్రస్తుత U.S. డిమాండ్‌లో 80%కి సరిపోయేంత గాలియంను సేకరించగలదని సూచించింది, అయితే ప్రాసెసింగ్ సదుపాయాన్ని నిర్మించడానికి $190 మిలియన్ వరకు ఖర్చవుతుంది. కంపెనీ ప్రస్తుతం విస్తరణ నిధుల కోసం U.S. ప్రభుత్వంతో చర్చలు జరుపుతోంది.

సంభావ్య గాలియం మూలాలు టెక్సాస్‌లోని రౌండ్ టాప్‌లో డిపాజిట్‌ను కూడా కలిగి ఉన్నాయి. 2021లో, U.S. జియోలాజికల్ సర్వే ఈ నిక్షేపంలో సుమారు 36,500 టన్నుల గాలియం ఉందని అంచనా వేసింది-పోల్చి చూస్తే, 2022లో చైనా 750 టన్నుల గాలియంను ఉత్పత్తి చేసింది. 

సాధారణంగా, గాలియం ట్రేస్ మొత్తాలలో సంభవిస్తుంది మరియు చాలా చెదరగొట్టబడుతుంది; అయితే, మార్చి 2024లో, అమెరికన్ క్రిటికల్ మెటీరియల్స్ కార్పోరేషన్ మోంటానాలోని కూటేనై నేషనల్ ఫారెస్ట్‌లో అధిక నాణ్యత గల గాలియం యొక్క సాపేక్షంగా అధిక సాంద్రత కలిగిన డిపాజిట్‌ను కనుగొంది. 

ప్రస్తుతం, టెక్సాస్ మరియు మోంటానా నుండి గాలియం ఇంకా సంగ్రహించబడలేదు, అయితే ఇడాహో నేషనల్ లాబొరేటరీ మరియు అమెరికన్ క్రిటికల్ మెటీరియల్స్ కార్పొరేషన్ పరిశోధకులు ఈ పదార్థాన్ని పొందడం కోసం పర్యావరణ అనుకూల పద్ధతిని అభివృద్ధి చేయడానికి సహకరిస్తున్నారు. 

మైక్రోచిప్ సాంకేతికతను మెరుగుపరచడానికి U.S.కి గాలియం మాత్రమే ఎంపిక కాదు-చైనా కొన్ని అనియంత్రిత పదార్థాలను ఉపయోగించి మరింత అధునాతన చిప్‌లను ఉత్పత్తి చేయగలదు, కొన్ని సందర్భాల్లో గాలియం ఆధారిత చిప్‌లను అధిగమించవచ్చు. 

అక్టోబర్ 2024లో, చిప్ తయారీదారు వోల్ఫ్‌స్పీడ్ U.S.లో అతిపెద్ద సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC అని కూడా పిలుస్తారు) చిప్ తయారీ కేంద్రాన్ని నిర్మించడానికి CHIPS చట్టం ద్వారా $750 మిలియన్ల వరకు నిధులను పొందింది.గాలియం నైట్రైడ్కానీ అధిక-శక్తి సోలార్ పవర్ ప్లాంట్ల వంటి కొన్ని అనువర్తనాలకు ఇది ఉత్తమమైనది. 

ఆలివర్ ఫ్రీథింక్‌తో మాట్లాడుతూ, "గాలియం నైట్రైడ్ కొన్ని వోల్టేజ్ పరిధులలో చాలా బాగా పని చేస్తుంది, అయితేసిలికాన్ కార్బైడ్ఇతరుల వద్ద మెరుగ్గా పని చేస్తుంది. కనుక ఇది మీరు వ్యవహరించే వోల్టేజ్ మరియు శక్తిపై ఆధారపడి ఉంటుంది. 

3.4 eV కంటే ఎక్కువ బ్యాండ్‌గ్యాప్ ఉన్న వైడ్-బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ల ఆధారంగా మైక్రోచిప్‌లపై పరిశోధనకు U.S. నిధులు సమకూరుస్తోంది. ఈ పదార్ధాలలో డైమండ్, అల్యూమినియం నైట్రైడ్ మరియు బోరాన్ నైట్రైడ్ ఉన్నాయి; అవి ఖర్చుతో కూడుకున్నవి మరియు ప్రాసెస్ చేయడం సవాలుగా ఉన్నప్పటికీ, ఈ పదార్థాలతో తయారు చేయబడిన చిప్‌లు ఒక రోజు తక్కువ పర్యావరణ ఖర్చులతో విశేషమైన కొత్త కార్యాచరణలను అందిస్తాయి.

 "మీరు ఆఫ్‌షోర్ విండ్ పవర్‌ను ఆన్‌షోర్ గ్రిడ్‌కు ప్రసారం చేయడంలో పాల్గొనే వోల్టేజ్‌ల రకాల గురించి మాట్లాడుతుంటే,గాలియం నైట్రైడ్అది ఆ వోల్టేజీని నిర్వహించలేనందున, తగినది కాకపోవచ్చు" అని ఆలివర్ వివరించాడు. "అల్యూమినియం నైట్రైడ్ వంటి పదార్థాలు విస్తృత బ్యాండ్‌గ్యాప్‌లో ఉంటాయి."