2 godzin temu
Na początek kwestia zasadnicza, czyli kilka słów o “prawie Moore’a”.
Prawo Moore’a to obserwacja, z kórej wynika, iż mniej więcej co dwa lata liczba tranzystorów, które da się upakować w układzie scalonym, rośnie – dzięki stosowanym technologiom – około dwukrotnie.
Najprościej mówiąc: jeżeli na tym samym kawałku krzemu można umieścić więcej tranzystorów, to układ może wykonać więcej pracy. Przez dekady przemysł półprzewodników rozwijał się właśnie dzięki takiej miniaturyzacji.
Problem polega na tym, iż tranzystorów nie można zmniejszać w nieskończoność. Zbliżamy się do fizycznych granic materii. Wedle badań nieprzekraczalną granicą dla obecnej ścieżki rozwoju “scalaków” tworzonych na krzemie jest bariera nieco ponad 1nm. Barierę tę tworzą fizyczne rozmiary atomów…
Problem polega na tym, iż tranzystorów nie można zmniejszać w nieskończoność. Zbliżamy się do fizycznych granic materii. Wedle badań nieprzekraczalną granicą dla obecnej ścieżki rozwoju “scalaków” tworzonych na krzemie jest bariera nieco ponad 1nm. Barierę tę tworzą fizyczne rozmiary atomów…
Co więcej elementy układów w technologiach poniżej 5nm są tak małe, iż zaczynają ujawniać się zjawiska, które wcześniej nie stanowiły problemu.
Po pierwsze, gdy tranzystory stają się bardzo małe, elektrony zaczynają „przeciekać” przez bariery, które teoretycznie powinny je zatrzymywać. To efekt mechaniki kwantowej. Układ traci wtedy energię, bardziej się nagrzewa i trudniej nim sterować.
Po drugie, wraz ze zmniejszaniem rozmiaru rośnie problem odprowadzania ciepła. choćby jeżeli da się upakować więcej elementów, to trzeba jeszcze sprawić, by układ nie przegrzewał się podczas pracy.
Po trzecie, coraz trudniejsze i droższe staje się samo wytwarzanie takich układów. Przy skalach liczonych w nanometrach choćby najmniejsze odchylenia produkcyjne mogą pogarszać parametry chipa. To oznacza, iż dalszy postęp wymaga nie tylko lepszych pomysłów, ale też ogromnie kosztownej technologii produkcji. A tu pojawia się pytanie, czy dalsza miniaturyzacja ma sens ekonomiczny.
Obecnie mówi się, iż prawo Moore’a przestało być łatwe do podtrzymania. Postęp wciąż trwa, ale jest wolniejszy, droższy i coraz trudniej osiąga się go samym zmniejszaniem tranzystorów.
Dlatego też branża szuka nowych dróg: nowych materiałów, nowych architektur układów, łączenia pamięci z obliczeniami, układów trójwymiarowych czy półprzewodników 2D. Innymi słowy, dawniej rozwój brał się głównie z “prostego” zmniejszania elementów, a dziś coraz częściej musi wynikać z nowej fizyki, nowej konstrukcji i nowego sposobu projektowania chipów.
I tu pojawia się chińska branża półprzewodnikowa, niezwykle aktywna w wyniku amerykańskich sankcji i potężnego wsparcia ze strony państwa.
Jak donoszą chińskie media, zespół badawczy pod kierownictwem Zhu Mengjiana, wraz z Ren Wencaiem i Xu Chuanem z Instytutu Badań nad Metalami, opracował nową metodę wytwarzania półprzewodników dwuwymiarowych. Ich praca przedstawia podejście mające na celu przełamanie obecnych ograniczeń materiałowych i przyspieszenie praktycznego rozwoju technologii chipów dwuwymiarowych.
Zespół badawczy “zmodyfikował technikę osadzania z fazy gazowej (CVD), wprowadzając jako podłoże dwuwarstwową powłokę z płynnego złota i wolframu. Umożliwiło to osadzanie na płytkach półprzewodnikowych jednowarstwowych powłok azotku krzemu i wolframu o regulowanych adekwatnościach domieszkowych. Metoda ta pozwala na powiększenie domen monokrystalicznych do rozmiarów poniżej milimetra oraz radykalnie zwiększa tempo produkcji – z zaledwie około 0,00004 cala na pięć godzin do około 0,0008 cala na minutę, co stanowi wzrost o około 1000 razy. Powstałe warstwy osiągnęły wymiary około 1,4 na 0,7 cala, co stanowi znaczący krok w kierunku skalowalnej produkcji wysokowydajnych dwuwymiarowych materiałów półprzewodnikowych.”
W debacie o chińskim przemyśle półprzewodników zbyt często dominuje jedno pytanie: czy Chiny zdołają odtworzyć zachodni lub tajwański model najbardziej zaawansowanej produkcji chipów? To istotny problem, ale nie jedyny. Równie istotne jest pytanie, czy Pekin może wejść mocniej w technologie, które nie są już prostym przedłużeniem dzisiejszej ścieżki miniaturyzacji, ale zapowiedzią kolejnego etapu rozwoju elektroniki.
Właśnie w tym kontekście trzeba patrzeć na chińskie postępy w półprzewodnikach 2D.
Znaczenie tych materiałów wynika z prostego faktu: klasyczne skalowanie tranzystorów staje się coraz trudniejsze fizycznie, kosztowo i technologicznie. Im bliżej granic obecnych procesów, tym większe znaczenie zyskują rozwiązania, które pozwalają utrzymać wydajność i ograniczać zużycie energii bez powtarzania dokładnie tej samej ścieżki technologicznej. Materiały dwuwymiarowe są tu traktowane jako jedna z najpoważniejszych kandydatur do świata post-Moore, bo oferują bardzo cienkie struktury, potencjalnie dobre własności elektryczne i możliwość dalszej integracji przy coraz mniejszych rozmiarach.
Największy problem polega jednak na tym, iż sukces laboratoryjny jest dopiero początkiem drogi. Aby taka technologia miała znaczenie przemysłowe, trzeba rozwiązać trzy kwestie jednocześnie:
- powtarzalny wzrost materiału w skali wafla,
- stabilne parametry pracy oraz
- zgodność z procesami produkcyjnymi, które można włączyć do realnego łańcucha wytwarzania chipów.
To właśnie tutaj rozstrzyga się różnica między ciekawostką naukową a platformą technologiczną, która może wejść do pamięci, logiki, optoelektroniki lub układów dla AI.
Z punktu widzenia Chin najciekawsze jest to, iż technologie 2D otwierają przestrzeń, w której dzisiejsze przewagi globalnych liderów nie muszą być tak trwałe jak w klasycznej litografii. W dojrzałym wyścigu o najnowocześniejsze węzły produkcyjne przewaga sprzętu, know-how, ekosystemu projektowego i doświadczenia fabryk jest ogromna. W obszarach dopiero dojrzewających pole gry jest bardziej płynne. Kto szybciej opanuje materiały, integrację i zastosowania, ten może zdobyć pozycję trudną do osiągnięcia na starszych zasadach konkurencji. Dobrym przykładem może być chińska historia samochodów elektrycznych. Wszak właśnie tutaj, zamiast scigać się z konkurentami z ponad 100-letnim doświadczeniem, Chińczycy poszli droga alternatywną. I nie mają na niej żadnej poważnej konkurencji.
To dlatego rozwój półprzewodników 2D ma dla Pekinu znaczenie strategiczne, a nie tylko naukowe. Chiny próbują działać równolegle na dwóch frontach. Z jednej strony przez cały czas inwestują w nadrabianie zaległości w klasycznych segmentach produkcji układów scalonych. Z drugiej strony szukają obszarów, w których można częściowo ominąć najbardziej zabetonowane przewagi konkurentów i wejść do gry przez nową architekturę technologiczną. To nie oznacza jeszcze przełomu przemysłowego, ale pokazuje bardziej ambitny sposób myślenia: nie tylko dogonić liderów tam, gdzie są dziś, ale także przygotować się do momentu, gdy miara przewag zacznie się przechylać na korzyść Chin.
Szczególnie ważne są tu dwa zastosowania. Pierwsze to energooszczędna elektronika dla sztucznej inteligencji i obliczeń brzegowych, gdzie liczy się połączenie wydajności z niskim poborem mocy. Drugie to pamięci nieulotne i architektury typu computing-in-memory, które mogą częściowo przełamać ograniczenia wynikające z rozdzielenia pamięci i logiki. jeżeli materiały 2D będą w stanie zapewnić niskie napięcia pracy, wysoką trwałość i dobrą powtarzalność, mogą stać się bardzo atrakcyjne właśnie tam, gdzie przyszła konkurencja technologiczna będzie najostrzejsza.
Nie należy jednak mylić obiecujących parametrów uzyskiwanych w laboratoriach z natychmiastową przewagą przemysłową. Od demonstracji badawczej do masowej produkcji prowadzi zwykle długa droga. Potrzebne są lata walidacji, integracji, rozwiązywania problemów niezawodności, standaryzacji i skalowania procesów. W dodatku każda nowa technologia musi wejść w relację z istniejącym ekosystemem projektowania układów, narzędziami, materiałami pomocniczymi i kosztami produkcji.
To dlatego ostrożność pozostaje wskazana.
Nie chodzi o to, iż Chiny już wygrały nowy wyścig, ale o to, iż coraz wyraźniej starają się ustawić na starcie następnego.
Ważny jest także kontekst polityki przemysłowej. Pekin od dawna traktuje układy scalone jako sektor strategiczny, a w ostatnich latach wyraźnie poszerza tę logikę o technologie przyszłości. Taki model wsparcia oznacza, iż badania nad nowymi materiałami i architekturami mogą liczyć na cierpliwsze finansowanie niż w systemach, które silniej uzależniają rozwój od krótkoterminowego zwrotu komercyjnego. W efekcie choćby projekty bez natychmiastowego zastosowania rynkowego mogą z czasem zbudować zaplecze kompetencyjne bardzo ważne na kolejnym etapie rozwoju branży.
Najistotniejszy wniosek jest więc szerszy niż sam temat materiałów 2D. W globalnym wyścigu technologicznym Chiny coraz rzadziej ograniczają się do pytania, jak skopiować istniejący model przewagi. Coraz częściej szukają punktów, w których można wejść do gry poprzez zmianę samego modelu. jeżeli elektronika poza barierą wyniakającą z prawa Moore’a rzeczywiście stanie się głównym polem konkurencji w kolejnej dekadzie, to inwestycje w półprzewodniki 2D mogą okazać się dla Pekinu jednym z najważniejszych ruchów strategicznych.
Źródła
- South China Morning Post, Semiconductor leap: China looks to next-gen ‘2D chip’ with 1,000-fold growth speed
- Science, Wafer-scale ultrathin and uniform van der Waals ferroelectric oxide for low-power 2D electronics
- Xinhua, Update: China to nurture emerging, future industries