Что ждет кремний?

Развитие технологий

Познакомьтесь с новыми материалами, обеспечивающими превосходство в электротехнической экономике.

История современной электроники часто приравнивается к неустанному совершенствованию микросхем на основе кремния, которые обрабатывают информацию в наших компьютерах, телефонах и, все чаще, во всем остальном. Закон Мура стал хорошо известным описанием того, как эти чипы становятся все более компактными и мощными.

Но электроника также играет важную, менее известную роль в современной жизни: она направляет электричество, которое питает все наши гаджеты. Эта область, метко названная "силовой электроникой", быстро меняется, поскольку инженеры переходят на устройства управления питанием, основанные не на кремниевых чипах, а на новых материалах, которые быстрее и эффективнее справляются с электричеством. Некоторые новые, посткремниевые устройства уже используются, и более совершенная силовая электроника станет намного важнее в будущем, поскольку большая часть нашей экономики переходит с ископаемого топлива на электричество. В то время, когда цепочки поставок кремния сильно перекручены, эти новые материалы переживают бум.

Какие новые материалы нас ожидают?

Эта волна новых материалов вырвалась из лаборатории в 2017 году, когда компания Tesla переживала переломный момент в своей истории. Компания выпустила две успешные модели автомобилей класса люкс, но в своем стремлении стать крупным автопроизводителем она поставила на карту будущее компании, сделав ставку на создание более дешевого автомобиля для массового рынка.

Когда Tesla выпустила свою Model 3, у нее было секретное техническое преимущество перед конкурентами: материал под названием карбид кремния. Одной из ключевых частей электромобиля являются тяговые инверторы, которые забирают электричество из батарей, преобразуют его в другую форму и подают на двигатели, вращающие колеса. Чтобы добиться ускорения, которым славятся Teslas, тяговые инверторы должны вырабатывать сотни киловатт - мощности, достаточной для снабжения небольшого района, и при этом быть достаточно надежными для использования на шоссе.

Если предыдущие тяговые инверторы были основаны на кремнии, то в Model 3 они сделаны из карбида кремния, или SiC, соединения, содержащего кремний и углерод. STMicroelectronics, европейская компания, которая произвела чипы из карбида кремния, используемые Tesla, утверждает, что они могут увеличить дальность пробега автомобиля до 10 процентов при значительной экономии места и веса, что является ценным преимуществом при проектировании автомобилей. "У Model 3 коэффициент сопротивления воздуху такой же низкий, как у спортивного автомобиля", - сказал Nikkei Asia Масайоши Ямамото, инженер из Университета Нагоя, который занимается разборкой компонентов электромобилей. "Уменьшение размеров инверторов позволило упростить конструкцию".

Дальнейшее развитие технологий

Model 3 стала хитом, отчасти благодаря своей революционной силовой электронике, и продемонстрировала, что электромобили могут работать в больших масштабах. (Это также сделало Tesla одной из самых дорогих компаний в мире).

"Tesla сделала фантастический шаг", - говорит Клер Троадек, аналитик Yole Développement, высокотехнологичной исследовательской и консалтинговой компании во Франции, говоря о переходе компании на карбид кремния. "То, что они сделали за полтора года, действительно удивительно".

После стремительного роста Tesla другие автопроизводители активно взялись за электрификацию своих автопарков, подталкиваемые во многих местах правительственными мандатами. Многие из них также планируют использовать карбид кремния не только в тяговых инверторах, но и в других электрических компонентах, таких как DC/DC-преобразователи, которые питают такие компоненты, как кондиционер, и бортовые зарядные устройства, которые пополняют заряд батарей, когда автомобиль подключен к сети дома. Карбид кремния стоит намного дороже кремния, но многие производители приходят к выводу, что преимущества с лихвой компенсируют более высокую цену.

В прошлом месяце компания Wolfspeed, производитель полупроводников, открыла в штате Нью-Йорк завод по производству карбида кремния стоимостью 1 миллиард долларов. Компания, базирующаяся в Северной Каролине, заключила сделки на поставку материала, в частности, компании General Motors. Покупатели электронных автомобилей "стремятся к большему диапазону", - говорит Шилпан Амин, вице-президент компании "Дженерал Моторс". "Мы рассматриваем карбид кремния как важный материал в конструкции нашей силовой электроники".

На церемонии открытия завода Wolfspeed губернатор Нью-Йорка Кэти Хочул сказала. "Далеко-далеко есть местечко под названием Силиконовая долина. Вы когда-нибудь слышали об этом? Да, его немного переоценивают", - сказала она. "Я хочу первой поприветствовать вас в Долине карбида кремния, потому что это будущее".

Стоит ли на эти технологии возлагать надежды?

Если не принимать во внимание местный оптимизм, кремний будет продолжать доминировать в полумиллиардной полупроводниковой промышленности, включая важнейшие рынки процессоров и микросхем памяти, в обозримом будущем. Но в нише силовой электроники, продажи которой составляют около 20 миллиардов долларов в год, карбид кремния делает значительные успехи. По прогнозам Yole Développement, автомобильный рынок карбида кремния вырастет до 5 млрд долларов в 2027 году с нынешних чуть более 1 млрд долларов.

"Без карбида кремния у нас не было бы такого бума электромобилей", - сказал руководитель STMicroeletronics Эдоардо Мерли.

Лучшие строительные блоки

Кремний и карбид кремния полезны в электронике, потому что они являются полупроводниками: Они могут переключаться между электропроводниками, как металлы, и изоляторами, как большинство пластмасс. Эта способность делает полупроводники ключевыми материалами для транзисторов - фундаментальных строительных блоков современной электроники.

Карбид кремния отличается от кремния тем, что имеет широкую полосу пропускания, а это значит, что для перехода из одного состояния в другое требуется больше энергии. Полупроводники с широкой полосой пропускания, или ШПЗ, выгодны для силовой электроники, поскольку они могут более эффективно передавать энергию.

Карбид кремния - пенсионер среди WBG, его разработка в качестве материала для транзисторов ведется уже несколько десятилетий. За это время инженеры начали использовать более молодые материалы ВБГ, такие как нитрид галлия, или GaN. В 1980-х годах исследователи использовали нитрид галлия для создания первых в мире ярких синих светодиодов. Синий свет состоит из высокоэнергетических фотонов; нитрид галлия с его широкой полосой пропускания был первым полупроводником, который практически мог производить фотоны с достаточной энергией. В 2014 году трое ученых были удостоены Нобелевской премии по физике за эту инновацию, которая стала повсеместной в таких устройствах, как телевизионные экраны и лампочки.

В последнее время исследователи начали использовать нитрид галлия для улучшения силовой электроники. За последние несколько лет этот материал получил коммерческое применение в адаптерах для зарядки телефонов и компьютеров. Эти адаптеры меньше, легче, быстрее заряжаются и более эффективны, чем традиционные, использующие кремниевые транзисторы.

"Обычное зарядное устройство, которое вы покупаете для своего компьютера, имеет эффективность 90 процентов", - говорит Джим Витам, руководитель GaN Systems, канадской компании, поставляющей транзисторы для зарядных устройств для ноутбуков Apple на основе нитрида галлия, которые были выпущены прошлой осенью. "Эффективность нитрида галлия составляет 98 процентов. Вы можете сократить потери энергии в четыре раза".

Оценка перспектив

По оценкам Yole Développement, рынок нитрида галлия вырастет до 2 миллиардов долларов в 2027 году с примерно 200 миллионов долларов в этом году.

Материалы с широкой полосой пропускания находят применение и в других областях. Центры обработки данных - крупные объекты, заполненные компьютерными серверами, на которых работают онлайн-сервисы, от которых мы все зависим, - являются печально известными потребителями электроэнергии. Компания Compuware, поставщик высококлассных источников питания для центров обработки данных, утверждает, что ее источники питания на основе нитрида галлия снижают потери электроэнергии примерно на 25 процентов и занимают на 20 процентов меньше места, чем обычные устройства, что позволяет клиентам размещать больше серверов в тех же стойках. Компания также утверждает, что ее блоки питания на основе нитрида галлия используются в центрах обработки данных крупных компаний по всему миру.

Инженеры также работают над использованием материалов WBG, чтобы лучше использовать преимущества возобновляемых источников энергии. Солнечные батареи и ветряные турбины полагаются на тяговые инверторы для подачи электроэнергии в дом или в сеть, и многие компании ожидают, что нитрид галлия справится с этой задачей лучше, чем кремний. Компания Enphase, поставщик инверторов для солнечных электростанций, в настоящее время проводит испытания инверторов на основе нитрида галлия, чтобы убедиться, что они смогут выдерживать суровые погодные условия на крыше в течение десятилетий. В одном из испытаний Enphase погружает инверторы под воду в скороварку, помещает скороварку в герметичную камеру и колеблет температуру между 185 и минус 40 градусами по Фаренгейту в течение 21 дня. Если устройства на основе нитрида галлия выдержат испытания, соучредитель Enphase Рагху Белур планирует быстро перейти на новый материал. "Это абсолютно точно в этом направлении", - сказал он.

На встрече с инвесторами в прошлом году старший инженер Enphase дал более убедительный прогноз, сказав: "Это конец пути для кремния".

Компании, производящие компоненты ВБГ, в основном избежали кризиса чипов, который затормозил жесткие цепочки поставок кремния. До того, как пандемия нарушила мировую торговлю, производство карбида кремния и нитрида галлия быстро росло, и компании, заинтересованные в этих материалах, заключали с производителями сделки на поставку, которые проходили гладко. Кризис фактически помог некоторым производителям полупроводников ВБГ: Покупатели микросхем, разочарованные нынешним кризисом с кремнием, подписали долгосрочные соглашения, чтобы избежать подобных проблем с другими материалами в будущем.

Цикл жизненных циклов

Даже пока компании переходят на карбид кремния и нитрид галлия, исследователи разрабатывают новые материалы WBG, которые могут еще больше улучшить силовую электронику. В 2012 году Масатака Хигашиваки, исследователь из японского Национального института информационных и коммуникационных технологий, объявил о перспективном транзисторе из оксида галлия, материала с зазором значительно выше, чем у карбида кремния и нитрида галлия. Компоненты, изготовленные из оксида галлия, "могут обеспечить гораздо меньшие потери", чем компоненты из кремния, карбида кремния и нитрида галлия, "что приводит к более высокой эффективности", - сказал д-р Хигашиваки. Ученые быстро продвинулись в разработке материала. Д-р Хигашиваки ожидает, что в течение следующего десятилетия он начнет использоваться в таких продуктах, как улучшенные тяговые инверторы в электромобилях.

Но инновации таковы, каковы они есть, что на горизонте уже сверкает нечто еще лучшее. "Алмаз - это конечный материал со сверхширокой полосой пропускания", - говорит г-жа Троадек, хотя пройдет немало времени, прежде чем кому-то удастся превратить этот исключительно ценный драгоценный камень в исключительно ценный полупроводник.