Esplorazione delle prospettive future dei chip semiconduttori al silicio

Cosa definisce il ruolo dei semiconduttori nella tecnologia?

I materiali possono essere classificati in base alla loro conduttività elettrica: la corrente scorre facilmente nei conduttori ma non negli isolanti. I semiconduttori si trovano nel mezzo: possono condurre l'elettricità in condizioni specifiche, rendendoli estremamente utili nell'informatica. Utilizzando i semiconduttori come base per i microchip, possiamo controllare il flusso di elettricità all'interno dei dispositivi, consentendo tutte le straordinarie funzioni su cui facciamo affidamento oggi.

Fin dalla loro nascita,silicioha dominato il settore dei chip e della tecnologia, da cui il termine “Silicon Valley”. Tuttavia, potrebbe non essere il materiale più adatto per le tecnologie future. Per capirlo, dobbiamo rivisitare il funzionamento dei chip, le attuali sfide tecnologiche e i materiali che potrebbero sostituire il silicio in futuro.

In che modo i microchip traducono gli input nel linguaggio informatico?

I microchip sono pieni di minuscoli interruttori chiamati transistor, che traducono gli input della tastiera e i programmi software nel linguaggio del computer: codice binario. Quando un interruttore è aperto, la corrente può fluire, rappresentando un "1"; quando è chiuso, non può, rappresentando uno "0". Tutto ciò che fanno i computer moderni alla fine si riduce a questi interruttori.

Per decenni abbiamo migliorato la potenza di calcolo aumentando la densità dei transistor sui microchip. Mentre il primo microchip conteneva un solo transistor, oggi possiamo incapsulare miliardi di questi minuscoli interruttori in chip grandi quanto un’unghia.

Il primo microchip era fatto di germanio, ma l’industria tecnologica se ne rese presto contosilicioera un materiale superiore per la produzione di chip. I principali vantaggi del silicio includono la sua abbondanza, il basso costo e il punto di fusione più elevato, il che significa che funziona meglio a temperature elevate. Inoltre, il silicio è facile da “drogare” con altri materiali, consentendo agli ingegneri di regolarne la conduttività in vari modi.

Quali sfide deve affrontare il silicio nell’informatica moderna?

La classica strategia di creare computer più veloci e potenti riducendo continuamente i transistorsiliciole patatine cominciano a vacillare. Deep Jariwala, professore di ingegneria all’Università della Pennsylvania, ha dichiarato in un’intervista del 2022 al Wall Street Journal: “Mentre il silicio può funzionare su dimensioni così piccole, l’efficienza energetica richiesta per un calcolo è aumentata, rendendolo estremamente insostenibile. Dal punto di vista energetico non ha più senso”.

Per continuare a migliorare la nostra tecnologia senza danneggiare ulteriormente l’ambiente, dobbiamo affrontare questo problema di sostenibilità. A questo scopo, alcuni ricercatori stanno esaminando attentamente i chip realizzati con materiali semiconduttori diversi dal silicio, compreso il nitruro di gallio (GaN), un composto costituito da gallio e azoto.

Perché il nitruro di gallio sta guadagnando attenzione come materiale semiconduttore?

La conduttività elettrica dei semiconduttori varia, principalmente a causa del cosiddetto “bandgap”. Protoni e neutroni si raggruppano nel nucleo, mentre gli elettroni orbitano attorno ad esso. Affinché un materiale conduca l’elettricità, gli elettroni devono essere in grado di passare dalla “banda di valenza” alla “banda di conduzione”. L’energia minima richiesta per questa transizione definisce il bandgap del materiale.

Nei conduttori, queste due regioni si sovrappongono, determinando l’assenza di gap di banda: gli elettroni possono passare liberamente attraverso questi materiali. Negli isolanti, il gap di banda è molto ampio, rendendo difficile il passaggio degli elettroni anche con una notevole energia applicata. I semiconduttori, come il silicio, occupano una via di mezzo;silicioha una banda proibita di 1,12 elettronvolt (eV), mentre il nitruro di gallio vanta una banda proibita di 3,4 eV, classificandolo come un "semiconduttore con banda proibita larga" (WBGS).

I materiali WBGS sono più vicini agli isolanti nello spettro di conduttività, poiché richiedono più energia affinché gli elettroni si muovano tra le due bande, rendendoli inadatti per applicazioni a bassissima tensione. Tuttavia, il WBGS può funzionare a tensioni, temperature e frequenze energetiche più elevate rispetto a quelle del WBGSa base di siliciosemiconduttori, consentendo ai dispositivi che li utilizzano di funzionare più velocemente e in modo più efficiente.

Rachel Oliver, direttrice del Cambridge GaN Centre, ha detto a Freethink: “Se metti la mano sul caricabatterie del telefono, sentirai caldo; questa è l’energia sprecata dai chip di silicio. I caricabatterie GaN risultano molto più freddi al tatto: c’è molto meno spreco di energia”.

Il gallio e i suoi composti sono utilizzati da decenni nell’industria tecnologica, anche nei diodi emettitori di luce, nei laser, nei radar militari, nei satelliti e nelle celle solari. Tuttavia,nitruro di gallioè attualmente al centro dell’attenzione dei ricercatori che sperano di rendere la tecnologia più potente ed efficiente dal punto di vista energetico.

Quali implicazioni ha il nitruro di gallio per il futuro?

Come ha menzionato Oliver, i caricabatterie per telefoni GaN sono già sul mercato e i ricercatori mirano a sfruttare questo materiale per sviluppare caricabatterie per veicoli elettrici più veloci, rispondendo a una significativa preoccupazione dei consumatori riguardo ai veicoli elettrici. "I dispositivi come i veicoli elettrici possono caricarsi molto più rapidamente", ha affermato Oliver. “Per tutto ciò che richiede alimentazione portatile e ricarica rapida, il nitruro di gallio ha un potenziale significativo”.

Nitruro di galliopuò anche migliorare i sistemi radar degli aerei militari e dei droni, consentendo loro di identificare obiettivi e minacce da distanze maggiori, e migliorare l’efficienza dei server dei data center, il che è fondamentale per rendere la rivoluzione dell’intelligenza artificiale accessibile e sostenibile.

Detto questonitruro di gallioeccelle sotto molti aspetti ed esiste da tempo, perché l'industria dei microchip continua a basarsi sul silicio? La risposta, come sempre, sta nei costi: i chip GaN sono più costosi e complessi da produrre. Ridurre i costi e aumentare la produzione richiederà tempo, ma il governo degli Stati Uniti sta lavorando attivamente per rilanciare questo settore emergente.

Nel febbraio 2024, gli Stati Uniti hanno stanziato 1,5 miliardi di dollari alla società produttrice di semiconduttori GlobalFoundries nell’ambito del CHIPS and Science Act per espandere la produzione nazionale di chip.

 Una parte di questi fondi verrà utilizzata per ammodernare un impianto di produzione nel Vermont, consentendogli la produzione in serienitruro di gallio(GaN), una capacità che attualmente non è realizzata negli Stati Uniti. Secondo l'annuncio del finanziamento, questi semiconduttori saranno utilizzati in veicoli elettrici, data center, smartphone, reti elettriche e altre tecnologie. 

Tuttavia, anche se gli Stati Uniti riuscissero a ripristinare le normali operazioni in tutto il settore manifatturiero, la produzione diGaNdipende da una fornitura stabile di gallio, che attualmente non è garantita. 

Sebbene il gallio non sia raro – è presente nella crosta terrestre a livelli paragonabili al rame – non esiste in grandi depositi estraibili come il rame. Tuttavia, tracce di gallio possono essere trovate nei minerali contenenti alluminio e zinco, consentendone la raccolta durante la lavorazione di questi elementi. 

Nel 2022, circa il 90% del gallio mondiale è stato prodotto in Cina. Nel frattempo, gli Stati Uniti non producono gallio dagli anni ’80, con il 53% del gallio importato dalla Cina e il resto proveniente da altri paesi. 

Nel luglio 2023, la Cina ha annunciato che avrebbe iniziato a limitare le esportazioni di gallio e di un altro materiale, il germanio, per motivi di sicurezza nazionale. 

Le normative cinesi non vietano del tutto le esportazioni di gallio negli Stati Uniti, ma richiedono ai potenziali acquirenti di richiedere i permessi e ottenere l’approvazione del governo cinese. 

Gli appaltatori della difesa statunitense sono quasi certi che dovranno affrontare dei rifiuti, soprattutto se sono elencati nella “lista delle entità inaffidabili” della Cina. Finora, queste restrizioni sembrano aver comportato un aumento dei prezzi del gallio e tempi di consegna degli ordini più lunghi per la maggior parte dei produttori di chip, piuttosto che una vera e propria carenza, anche se la Cina potrebbe scegliere di rafforzare il controllo su questo materiale in futuro. 

Gli Stati Uniti riconoscono da tempo i rischi associati alla forte dipendenza dalla Cina per i minerali critici: durante una disputa con il Giappone nel 2010, la Cina ha temporaneamente vietato l’esportazione di metalli delle terre rare. Quando la Cina annunciò le sue restrizioni nel 2023, gli Stati Uniti stavano già esplorando metodi per rafforzare le proprie catene di approvvigionamento. 

Le possibili alternative includono l’importazione di gallio da altri paesi, come il Canada (se riescono ad aumentare sufficientemente la produzione) e il riciclaggio del materiale dai rifiuti elettronici: la ricerca in questo settore è finanziata dall’Advanced Research Projects Agency del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. 

Anche stabilire una fornitura interna di gallio è un’opzione. 

Nyrstar, una società con sede nei Paesi Bassi, ha indicato che il suo impianto di zinco nel Tennessee potrebbe estrarre abbastanza gallio da soddisfare l’80% dell’attuale domanda statunitense, ma la costruzione dell’impianto di lavorazione costerebbe fino a 190 milioni di dollari. La società sta attualmente negoziando con il governo degli Stati Uniti un finanziamento per l’espansione.

Le potenziali fonti di gallio includono anche un deposito a Round Top, in Texas. Nel 2021, l’U.S. Geological Survey ha stimato che questo deposito contenga circa 36.500 tonnellate di gallio; in confronto, la Cina ha prodotto 750 tonnellate di gallio nel 2022. 

Tipicamente, il gallio è presente in tracce ed è estremamente disperso; tuttavia, nel marzo 2024, American Critical Materials Corp. ha scoperto un deposito con una concentrazione relativamente alta di gallio di alta qualità nella foresta nazionale di Kootenai nel Montana. 

Attualmente, il gallio del Texas e del Montana deve ancora essere estratto, ma i ricercatori dell'Idaho National Laboratory e dell'American Critical Materials Corp. stanno collaborando per sviluppare un metodo rispettoso dell'ambiente per ottenere questo materiale. 

Il gallio non è l’unica opzione a disposizione degli Stati Uniti per migliorare la tecnologia dei microchip: la Cina può produrre chip più avanzati utilizzando alcuni materiali non vincolati, che in alcuni casi potrebbero sovraperformare i chip a base di gallio. 

Nell'ottobre 2024, il produttore di chip Wolfspeed si è assicurato un finanziamento fino a 750 milioni di dollari attraverso il CHIPS Act per costruire il più grande impianto di produzione di chip in carburo di silicio (noto anche come SiC) negli Stati Uniti. Questo tipo di chip è più costoso dinitruro di gallioma è preferibile per alcune applicazioni, come gli impianti solari ad alta potenza. 

Oliver ha detto a Freethink: “Il nitruro di gallio funziona molto bene a determinati intervalli di tensione, mentrecarburo di siliciosi comporta meglio con gli altri. Quindi dipende dalla tensione e dalla potenza con cui hai a che fare. 

Gli Stati Uniti stanno anche finanziando la ricerca sui microchip basati su semiconduttori ad ampio bandgap, che hanno un bandgap maggiore di 3,4 eV. Questi materiali includono diamante, nitruro di alluminio e nitruro di boro; Sebbene siano costosi e difficili da lavorare, i chip realizzati con questi materiali potrebbero un giorno offrire nuove funzionalità straordinarie a costi ambientali inferiori.

 “Se parli dei tipi di tensioni che potrebbero essere coinvolte nella trasmissione dell’energia eolica offshore alla rete terrestre,nitruro di galliopotrebbe non essere adatto, poiché non è in grado di gestire quella tensione", ha spiegato Oliver. "Materiali come il nitruro di alluminio, che hanno un ampio gap di banda, possono farlo."