Βρισκόμαστε 10 χρόνια μετά. Όλες οι ηλεκτρονικές μας συσκευές, από τα ηλεκτρικά οχήματα (EVs) έως τα smartphones, φορτίζουν σχεδόν στιγμιαία. Χρησιμοποιούμε απρόσκοπτα την πιο σύγχρονη τεχνητή νοημοσύνη στο σπίτι και τη δουλειά, χωρίς να ανησυχούμε για την κατανάλωση ενέργειας.
Πώς είναι αυτό εφικτό; Χάρη σε μια νέα γενιά μικροκυκλωμάτων που έχουν καταστήσει το πυρίτιο παρελθόν.
Τα υλικά κατατάσσονται με βάση την ηλεκτρική τους αγωγιμότητα. Οι αγωγοί επιτρέπουν την ελεύθερη ροή ρεύματος, ενώ οι μονωτές την εμποδίζουν. Οι ημιαγωγοί (chips) βρίσκονται στο μέσο, όντας αγωγοί ηλεκτρισμού υπό συγκεκριμένες συνθήκες, κάτι που τους καθιστά πολύτιμους για τα μικροκυκλώματα. Αυτά ελέγχουν τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος, τροφοδοτώντας τη σύγχρονη τεχνολογία.
Για δεκαετίες, το πυρίτιο κυριάρχησε, δίνοντας το όνομά του στη Silicon Valley ("Κοιλάδα του Πυριτίου"). Ωστόσο, το μέλλον απαιτεί υλικά που ξεπερνούν το πυρίτιο σε απόδοση και βιωσιμότητα.
Το παλιό, το σύγχρονο και... το επόμενο
Τα μικροκυκλώματα περιέχουν δισεκατομμύρια τρανζίστορ—μικροσκοπικούς διακόπτες που μετατρέπουν τις εισόδους σε δυαδικό κώδικα. Το πρώτο μικροκύκλωμα διέθετε ένα τρανζίστορ. Σήμερα, μπορούμε να χωρέσουμε δισεκατομμύρια σε ένα τσιπ στο μέγεθος νυχιού.
Αρχικά, τα chips κατασκευάζονταν από γερμάνιο, αλλά το πυρίτιο επικράτησε λόγω αφθονίας, χαμηλού κόστους, υψηλού σημείου τήξης και ευκολίας προσαρμογής.
Η συρρίκνωση των τρανζίστορ πυριτίου έχει φτάσει στα όριά της. Η ενεργειακή απόδοση ανά υπολογισμό έχει επιδεινωθεί, καθιστώντας τις τρέχουσες προσεγγίσεις μη βιώσιμες. Όπως είχε επισημάνει ο καθηγητής μηχανικής Deep Jariwala το 2022, “Ενεργειακά, δεν έχει πλέον νόημα”.
Μια λύση είναι οι ημιαγωγοί όπως το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN), ένα υλικό που κερδίζει έδαφος για τις εξαιρετικές του επιδόσεις.
Ημιαγωγοί Ευρέως Διακένου (WBGS)
Η αγωγιμότητα των ημιαγωγών εξαρτάται από το “διάκενο ζώνης” - την ενέργεια που απαιτείται για να κινηθούν τα ηλεκτρόνια και να αγάγουν ρεύμα. Το πυρίτιο έχει διάκενο 1,12 ηλεκτρονιοβόλτ (eV), ενώ το GaN φτάνει τα 3,4 eV. Αυτό καθιστά το GaN Ημιαγωγό Ευρέως Διακένου WBGS, επιτρέποντάς του να λειτουργεί σε υψηλότερες τάσεις, θερμοκρασίες και συχνότητες με λιγότερη απώλεια ενέργειας.
Οι φορτιστές GaN έχουν ήδη φέρει επανάσταση στην τεχνολογία καταναλωτών, προσφέροντας πιο δροσερή, αποδοτική φόρτιση. Πέρα από αυτό, το GaN θα μπορούσε να αλλάξει τους κανόνες του παιχνιδιού στους φορτιστές EV, στα στρατιωτικά ραντάρ και στα data centers που υποστηρίζουν την επανάσταση της τεχνητής νοημοσύνης.
Αφού το GaN είναι τόσο υποσχόμενο, γιατί δεν έχει αντικαταστήσει ήδη το πυρίτιο;
Το κόστος είναι το μεγαλύτερο εμπόδιο. Η κατασκευή τσιπ GaN είναι ακριβή και σύνθετη. Το αμερικανικό πρόγραμμα CHIPS and Science Act έχει διαθέσει κεφάλαια για την κλιμάκωση της παραγωγής, συμπεριλαμβανομένων 1,5 δισ. δολαρίων για την αναβάθμιση εγκαταστάσεων παραγωγής τσιπ GaN.
Το γάλλιο δεν είναι σπάνιο, αλλά δεν εξορύσσεται άμεσα. Παράγεται ως παραπροϊόν της επεξεργασίας αλουμινίου και ψευδαργύρου.
Μέχρι το 2022, η Κίνα προμήθευε το 90% της παγκόσμιας ζήτησης, δημιουργώντας ευπάθειες στην αλυσίδα εφοδιασμού.
Έκτοτε οι πρωτοβουλίες των ΗΠΑ περιλαμβάνουν:
- Εισαγωγές από χώρες όπως ο Καναδάς.
- Ανακύκλωση γαλλίου από ηλεκτρονικά απόβλητα.
- Εγχώρια εξόρυξη, με υποσχόμενα κοιτάσματα στη Μοντάνα και το Τέξας.
Εναλλακτικές του GaN
Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), επίσης WBGS, είναι ιδανικό για εφαρμογές όπως οι ηλιακές φάρμες υψηλής ισχύος.
Οι υπερευρείς ημιαγωγοί, όπως το διαμάντι και το νιτρίδιο του βορίου, ερευνώνται για τη δυνατότητά τους να διαχειρίζονται ακραίες τάσεις στα δίκτυα ανανεώσιμης ενέργειας.
Εν ολίγοις, η επανάσταση στους ημιαγωγούς είναι ήδη εδώ. Παρότι το πυρίτιο παραμένει βασικό, υλικά όπως το νιτρίδιο του γαλλίου και το καρβίδιο του πυριτίου ανοίγουν το δρόμο για γρηγορότερη, αποδοτικότερη και βιώσιμη τεχνολογία.
Η μετάβαση δε θα γίνει άμεσα, αλλά τα θεμέλια για μια εποχή "μετά το πυρίτιο" έχουν ήδη τεθεί, φέρνοντάς μας πιο κοντά σε ένα βιώσιμο τεχνολογικό μέλλον.
