Siliziozko erdieroaleen txipen etorkizuneko perspektibak aztertzea

Zerk definitzen du erdieroaleen papera teknologian?

Materialak eroankortasun elektrikoaren arabera sailka daitezke: korrontea eroaleetan erraz pasatzen da, baina ezin da isolatzaileetan. Erdieroaleak tartean kokatzen dira: elektrizitatea baldintza zehatzetan eroan dezakete, eta oso erabilgarriak dira informatikan. Erdieroaleak mikrotxipetarako oinarri gisa erabiliz, gailuen elektrizitate-fluxua kontrolatu dezakegu, gaur egun oinarritzen ditugun funtzio nabarmen guztiak ahalbidetuz.

Haien sorreratik,silizioatxip eta teknologiaren industrian nagusitu da, "Silicon Valley" terminoa ekarriz. Hala ere, agian ez da material egokiena etorkizuneko teknologietarako. Hori ulertzeko, txipek nola funtzionatzen duten, egungo erronka teknologikoak eta etorkizunean silizioa ordezkatu dezaketen materialak aztertu behar ditugu.

Nola itzultzen dituzte mikrotxipek sarrerak hizkuntza informatikora?

Mikrotxipak transistore izeneko etengailu txikiez beteta daude, teklatuaren sarrerak eta software-programak ordenagailu-lengoaia-kode bitarrera itzultzen dituztenak. Etengailu bat irekita dagoenean, korrontea igaro daiteke, '1' bat irudikatuz; itxita dagoenean, ezin du, '0' bat irudikatuz. Ordenagailu modernoek egiten duten guztia, azken finean, etengailu horietara murrizten da.

Hamarkadetan, konputazio-potentzia hobetu dugu mikrotxipetako transistoreen dentsitatea handituz. Lehen mikrotxipak transistore bakarra zuen bitartean, gaur egun, etengailu txiki horietako milaka milioi kapsulatu ditzakegu azazal baten tamainako txipetan.

Lehenengo mikrotxipa germanioz egina zegoen, baina industria teknologikoa azkar konturatu zen horretazsilizioatxirbilak fabrikatzeko material bikaina zen. Silizioaren abantaila nagusiak ugaritasuna, kostu baxua eta urtze-puntu altuagoa dira, hau da, tenperatura altuetan hobeto funtzionatzen du. Gainera, silizioa beste material batzuekin "dopatzen" da, eta ingeniariei bere eroankortasuna hainbat modutara doitzeko aukera ematen die.

Zein erronka ditu silizioak informatika modernoan?

Ordenagailu azkarragoak eta indartsuagoak sortzeko estrategia klasikoa transistoreak etengabe txikituzsilizioatxipak kolokan hasten dira. Deep Jariwala, Pennsylvaniako Unibertsitateko ingeniaritza irakasleak, The Wall Street Journal-i 2022an egindako elkarrizketa batean adierazi zuen: "Silizioak hain dimentsio txikietan lan egin dezakeen arren, konputazio baterako behar den energia-eraginkortasuna hazten ari da, eta oso jasanezina da. Energiaren ikuspuntutik, jada ez du zentzurik».

Gure teknologia hobetzen jarraitzeko, ingurumenari gehiago kaltetu gabe, jasangarritasun arazo honi aurre egin behar diogu. Bilaketa horretan, ikertzaile batzuk silizioaz gain material erdieroaleez egindako txipak aztertzen ari dira, galio nitruroa (GaN) barne, galioz eta nitrogenoz egindako konposatu bat.

Zergatik ari da arreta galio nitruroa material erdieroale gisa?

Erdieroaleen eroankortasun elektrikoa aldatu egiten da, batez ere "bandgap" deritzonaren ondorioz. Protoiak eta neutroiak nukleoan biltzen dira, elektroiak haren inguruan ibiltzen diren bitartean. Material batek elektrizitatea eroateko, elektroiek "balentzia-banda"tik "eroale bandara" jauzi egin ahal izan behar dute. Trantsizio honetarako behar den gutxieneko energiak materialaren banda-aldea definitzen du.

Eroaleetan, bi eskualde hauek gainjartzen dira, eta ondorioz ez dute banda-hutsik sortzen: elektroiak aske pasa daitezke material hauetatik. Isolatzaileetan, banda-gap-a oso handia da, eta elektroiek zaildu egiten dute energia garrantzitsua aplikatuta ere. Erdieroaleek, silizioa bezala, erdi-erdikoa okupatzen dute;silizioa1,12 elektroi voltioko (eV) banda-aldea du, galio nitruroak, berriz, 3,4 eV-ko banda hutsa du, "banda-gap erdieroale zabala" (WBGS) gisa sailkatuz.

WBGS materialak isolatzaileetatik hurbilago daude eroankortasun-espektroan, eta elektroiak bi banderen artean mugitzeko energia gehiago behar dute, oso tentsio baxuko aplikazioetarako desegokiak izanik. Hala ere, WBGSk baino tentsio, tenperatura eta energia-maiztasun altuagoetan funtziona dezakesilizioan oinarritutakoaerdieroaleak, hauek erabiltzen dituzten gailuei azkarrago eta eraginkorrago exekutatzeko aukera emanez.

Rachel Oliver-ek, Cambridge GaN Centreko zuzendariak, Freethink-i esan zion: «Eskua telefono-kargagailu batean jartzen baduzu, bero sentituko da; hori da silizio txipek xahutzen duten energia. GaN kargagailuak askoz freskoagoak sentitzen dira ukimenean; nabarmen alferrik galtzen da energia".

Galioa eta bere konposatuak hamarkada luzez erabili izan dira teknologia-industrian, argi-igorleko diodoetan, laserretan, radar militarretan, sateliteetan eta eguzki-zeluletan barne. Hala ere,galio nitruroagaur egun teknologia indartsuagoa eta energetikoki eraginkorragoa izatea espero duten ikertzaileen ardatza da.

Zein ondorio ditu galio nitruroak etorkizunerako?

Oliverrek aipatu zuenez, GaN telefono-kargagailuak merkatuan daude dagoeneko, eta ikertzaileek material hori aprobetxatzea dute helburu, ibilgailu elektrikoen kargagailu azkarragoak garatzeko, ibilgailu elektrikoen inguruko kontsumitzaileen kezka garrantzitsu bati erantzunez. "Ibilgailu elektrikoak bezalako gailuak askoz azkarrago kargatu daitezke", esan zuen Oliverrek. "Potentzia eramangarria eta karga azkarra behar duen edozertarako, galio nitruroak potentzial handia du".

Galio nitruroaHegazkin militarren eta droneen radar-sistemak ere hobetu ditzake, distantzia handiagoko helburuak eta mehatxuak identifikatzeko aukera emanez, eta datu-zentroko zerbitzarien eraginkortasuna hobetu, hori funtsezkoa baita AI iraultza merkean eta iraunkorra egiteko.

Hori ikusitagalio nitruroaalderdi askotan nabarmentzen da eta aspalditik dago, zergatik jarraitzen du mikrotxiparen industriak silizioaren inguruan eraikitzen? Erantzuna, beti bezala, kostuan dago: GaN txipak garestiagoak eta fabrikatzeko konplexuagoak dira. Kostuak murrizteak eta ekoizpena eskalatzeak denbora beharko du, baina AEBetako gobernua aktiboki lanean ari da sortzen ari den industria hau abiarazteko.

2024ko otsailean, Estatu Batuek 1.500 milioi dolar esleitu zizkioten GlobalFoundries erdieroaleen fabrikazio enpresari, CHIPS and Science Act-aren arabera, txiparen ekoizpena zabaltzeko.

 Funts horien zati bat Vermont-eko fabrikazio-instalazio bat berritzeko erabiliko da, masa-ekoiztu ahal izateko.galio nitruroa(GaN) erdieroaleak, gaur egun AEBetan gauzatzen ez den gaitasuna. Finantzaketa-iragarpenaren arabera, erdieroale hauek ibilgailu elektrikoetan, datu-zentroetan, telefono adimendunetan, sare elektrikoetan eta beste teknologietan erabiliko dira. 

Hala ere, nahiz eta AEBek bere manufaktura-sektore osoan funtzionamendu normala berreskuratzea lortzen duten,GaNtxipak galio-hornikuntza egonkor baten menpe dago, gaur egun bermatuta ez dagoena. 

Galioa arraroa ez den arren -lurraren lurrazalean dago kobrearen pareko mailetan-, ez dago kobrea bezalako ustiagarri handietan. Dena den, galio-kantitate arrastoak aurki daitezke aluminioa eta zinka duten mineraletan, elementu horiek prozesatzen diren bitartean biltzeko aukera emanez. 

2022tik aurrera, munduko galioaren % 90 gutxi gorabehera Txinan ekoizten zen. Bien bitartean, AEBek ez dute galiorik ekoizten 1980ko hamarkadatik, galioaren % 53 Txinatik inportatu baitute eta gainerakoa beste herrialde batzuetatik. 

2023ko uztailean, Txinak galioaren eta beste material bat, germanioaren, esportazioak murrizten hasiko zituela iragarri zuen segurtasun nazionalaren arrazoiengatik. 

Txinako araudiak ez du galioa AEBetara esportatzea erabat debekatzen, baina balizko erosleei baimenak eskatu eta Txinako Gobernuaren onespena lortzea eskatzen diete. 

AEBetako defentsa-kontratistek ia ziur ezespenei aurre egingo dietela, batez ere Txinako "fidagarritasunik gabeko entitateen zerrendan" agertzen badira. Orain arte, badirudi murrizketa hauek galioaren prezioak handitu dituztela eta txip fabrikatzaile gehienentzat eskaerak entregatzeko epeak luzatu dituztela, erabateko gabezia izan beharrean, nahiz eta Txinak etorkizunean material horren gaineko kontrola estutu nahi duen aukera izan. 

AEBek aspaldi aitortu dituzte mineral kritikoetarako Txinarekin duen mendekotasun handiari lotutako arriskuak: 2010ean Japoniarekin izandako gatazkan, Txinak lur arraroen metalak esportatzea debekatu zuen aldi baterako. Txinak 2023an murrizketak iragarri zituenerako, AEBak hornikuntza-kateak sendotzeko metodoak aztertzen ari ziren jada. 

Alternatiba posibleen artean, besteak beste, galioa inportatzea beste herrialde batzuetatik, adibidez Kanadatik (ekoizpena nahikoa areagotu badezakete), eta hondakin elektronikoetatik ateratako materiala birziklatzea; arlo horretako ikerketa AEBetako Defentsa Sailaren Ikerketa Proiektu Aurreratuen Agentziak finantzatzen du. 

Galio-hornidura barnean ezartzea ere aukera bat da. 

Nyrstar-ek, Herbehereetan kokatutako konpainiak, adierazi zuen Tennesseeko bere zink-lantegiak AEBetako egungo eskariaren %80a asetzeko gallio nahikoa atera dezakeela, baina prozesatzeko instalazioak eraikitzeak 190 milioi dolar kostatuko lituzke. Konpainia AEBetako gobernuarekin negoziatzen ari da hedapen finantzaketa lortzeko.

Galio iturri potentzialek Round Top-en (Texas) dagoen gordailu bat ere barne hartzen dute. 2021ean, AEBetako Geological Survey-k estimatu zuen gordailu honek 36.500 tona galio dituela gutxi gorabehera; alderatuz, Txinak 750 tona galio ekoitzi zituen 2022an. 

Normalean, galioa aztarna kopuruetan agertzen da eta oso barreiatuta dago; hala ere, 2024ko martxoan, American Critical Materials Corp-ek kalitate handiko galio kontzentrazio nahiko altua zuen gordailu bat aurkitu zuen Montanako Kootenai National Forest-en. 

Gaur egun, Texas eta Montanako galioa oraindik atera gabe dago, baina Idaho National Laboratory eta American Critical Materials Corp.ko ikertzaileak elkarlanean ari dira material hori lortzeko ingurumena errespetatzen duen metodo bat garatzeko. 

Galioa ez da AEBek mikrotxiparen teknologia hobetzeko aukera bakarra; Txinak txip aurreratuagoak ekoitzi ditzake mugarik gabeko material batzuk erabiliz, eta kasu batzuetan galioan oinarritutako txipak gainditu ditzakete. 

2024ko urrian, Wolfspeed txip fabrikatzaileak 750 milioi dolarreko finantzaketa lortu zuen CHIPS Legearen bidez, AEBetako silizio karburoa (SiC izenez ere ezaguna) txip fabrikatzeko instalaziorik handiena eraikitzeko. Txip mota hau baino garestiagoa da.galio nitruroabaina hobe da aplikazio jakin batzuetarako, hala nola potentzia handiko eguzki-zentraletarako. 

Oliverrek Freethink-i esan zion: "Galio nitruroak oso ondo funtzionatzen du tentsio-tarte jakin batzuetansilizio karburoabesteetan hobeto jokatzen du. Beraz, aurre egiten ari zaren tentsioaren eta potentziaren araberakoa da». 

AEBek banda zabaleko erdieroaleetan oinarritutako mikrotxipei buruzko ikerketak ere finantzatzen ari dira, 3,4 eV baino handiagoa den banda tartea dutenak. Material horien artean diamantea, aluminio nitruroa eta boro nitruroa daude; garestiak eta prozesatzeko zailak diren arren, material horiekin egindako txipak egunen batean funtzionalitate berri nabarmenak eskain ditzake ingurumen-kostu txikiagoarekin.

 "Ohiko energia eolikoa lehorreko sarera igortzeak izan ditzakeen tentsio motei buruz ari bazara,galio nitruroabaliteke egokia ez izatea, ezin baitu tentsio hori maneiatu», azaldu du Oliverrek. "Aluminio nitruroa bezalako materialak, banda zabalekoa, egin daiteke".