Doposud ve světě počítačových čipů téměř nic nefungovalo bez křemíku. To by se však mohlo změnit. Slibný potenciál mají i jiné materiály, především založené na bázi gallia.
Podíl polovodičů GaN na trhu se v nadcházejících letech s klesajícími náklady výrazně zvýší © Infineon Villach
Umělá inteligence (AI) a digitalizace obecně vyžadují obrovský výpočetní výkon. Je tedy zřejmé, že její budoucnost závisí také na použitých materiálech. Ty určí, jak rychle bude výpočetní výkon dále růst. Struktury počítačových čipů se již dlouhou dobu zmenšují a procesory jsou čím dál výkonnější. Vědci už nyní pracují v nanometrovém rozsahu. S pomocí Al lze totiž předvídat kombinace materiálů na molekulární úrovni tak, jak to zatím nebylo možné s tradičními metodami.
Směr se zdá být jasný: všechno se točí kolem nových materiálů. A struktur, které rostou i ve třetím rozměru.
Hvězda jménem gallium
Za vycházející hvězdu mezi materiály lze označit gallium. Jeho zvláštností je teplota tání cca 30 °C. Blok kovu se tedy roztaví po uchopení do dlaně. To pak vede k fascinujícím tvarům, které trochu připomínají olovo lité na Silvestra — jen při pokojové teplotě. Gallium však není toxické.
Gallium je především velmi atraktivní pro polovodičový průmysl a pro mnoho dalších odvětví. V kombinaci s dusíkem se stává nitridem gallia, zkráceně GaN, polovodičem s revolučním potenciálem [ještě pokrokovějším materiálem se pak jeví oxid gallitý, který vyniká jako širokopásmový polovodič a zajišťuje stabilitu a odolnost v extrémních podmínkách, takže je ideální pro prostředí s vysokou teplotou a vysokým zářením, více viz box — pozn. red]. GaN je nezbytný nejen pro infrastrukturu 5G. Má také potenciál „ozelenit“ velká datová centra. A mohl by otevřít nové obzory v oblasti vesmírného cestování.
Nitrid gallia byl objeven už dávno. Nachází se například v LED a tvoří základ technologie Blu-ray. Teprve v posledních letech však vývojáři začínají využívat jeho potenciál ve větší míře.
Nitrid gallia patří totiž do kategorie polovodičů s tzv. širokou pásmovou mezerou. Ta určuje, jak dobře materiál vede elektrický proud. Vodič jako měď nemá pásmovou mezeru, zatímco izolant jako plast nebo sklo ji má. Polovodiče se nacházejí mezi nimi, přičemž křemík má napětí okolo 1,1 eV. U nitridu gallia je mezera výrazně větší, 3,4 eV. To znamená, že odolá mnohem vyšším teplotám než křemík. Konkrétně to znamená, že napájecí zdroje vyrobené z gallia mohou do menšího pouzdra nabídnout stejné nebo i větší množství energie než zdroje vyrobené z křemíku a zároveň jsou při přenosu účinnější.
Někteří dodavatelé napájecích adaptérů pro mobilní telefony nebo notebooky již nabízejí nabíječky GaN, které jsou menší a rychlejší než jejich předchůdci na bázi křemíku. Například firma Anker tvrdí, že jeho řada nabíječek GaN je menší než běžné napájecí adaptéry o 53 % a šetří více než hodinu času nabíjení.
Nové polovodiče ovšem nabízejí mnohem více. To, co funguje v malém měřítku v mobilním telefonu, by se mohlo stát ještě relevantnějším pro větší spotřebiče energie, jako jsou elektromobily. Efektivní přenos energie je zde obzvláště důležitý, a to jak z nabíjecí stanice do baterie, tak z baterie do kol. Baterie také tvoří velkou část nákladů vozidla, takže účinnost je o to cennější.
Atraktivní příklady využití
Podle studie agentury Bloomberg činila spotřeba energie datových center jen v Německu loni 7,2 TWh a očekává se, že do roku 2030 vzroste na 11 TWh. Nitrid gallia by mohl pomoci snížit uhlíkovou stopu těchto datových center přibližně o 10 %, protože by vedl k menším ztrátám energie než dříve. Firma Navitas, výrobce GaN, proto klade zelenou stopu tohoto materiálu do centra svého marketingu. Podle ní by prý globální používání nitridu gallia mohlo do roku 2050 ušetřit 2,6 Gt CO2 ročně, což odpovídá výkonu 650 uhelných elektráren.
Nitrid gallia je důležitý i pro moderní telekomunikace. „Bez nitridu gallia by 5G nefungovalo,“ domnívá se Martin Kuball, profesor materiálových věd na Univerzitě v Bristolu, který s GaN pracuje již mnoho let. Téměř každá základnová stanice 5G obsahuje tranzistory z nitridu gallia. To umožňuje rychlejší přenos dat. Materiál bude pravděpodobně hrát důležitou roli i v příští generaci mobilní komunikace — 6G.
Není divu, že i Evropská kosmická agentura (ESA) považuje nitrid gallia za velmi zajímavý materiál. Tento polovodič je „umožňujícím prvkem“, říká Andrew Barnes, hlavní technologický poradce ESA. Mnoho projektů vesmírného výzkumu by bez GaN nebylo možných. Například záření ve vesmíru snáší lépe než křemík. Tato tepelná odolnost je výhodou tam, když jsou součásti vystaveny extrémně vysokým teplotám.
A. Barnes dále říká, že jeho vysoká účinnost je klíčová pro zmenšování zařízení: „Pokud chcete něco vypustit do vesmíru, musíte minimalizovat objem a hmotnost.“ ESA používá nitrid gallia mimo jiné v inovativních radarových systémech, s jejichž pomocí doufá, že z oběžné dráhy bude analyzovat zemskou vegetaci a přispěje tak k lepšímu pochopení klimatických změn. Ani další generace navigačních satelitů Galileo, jak ji ESA plánuje, by bez nitridu gallia nebyla možná.
Jsme na začátku
Institut pro průzkum trhu BIS Research odhaduje, že globální trh s produkty z nitridu gallia v příštích deseti letech vzroste desetinásobně, tedy z přibližně 300 mil. USD na 3 mld. USD.
„Křemíkový průmysl dosáhl teoretických limitů dalšího zlepšování celkové výtěžnosti polovodičových součástek,“ píší analytici společnosti BIS Research. Cena křemíkových destiček, kulatých disků, na kterých se vytvářejí obvody, je však desetkrát nižší než destiček GaN. „To je hlavní důvod, proč jsou křemíkové součástky v polovodičovém průmyslu stále přítomny.“ Trend však směřuje ve prospěch nitridu gallia, zejména proto, že cena tohoto materiálu v poslední době prudce klesla. Tento krystalický materiál se vyznačuje nižšími ztrátami a vyššími spínacími rychlostmi ve srovnání s křemíkem.
Také společnost Infineon vidí velký potenciál v inovativních materiálech, jako je nitrid gallia. „Jsme teprve na začátku růstové křivky,“ říká Adam White, prezident divize Power and Sensor Systems tohoto mnichovského výrobce polovodičů. „Ačkoli výkonové komponenty na bázi křemíku budou i nadále existovat, SiC a GaN porostou výrazně rychleji a získají významný podíl v aplikacích, kde jsou klíčové hustota výkonu, účinnost a dojezd baterií.“
Kromě společnosti Infineon hrají klíčovou roli ve zpracování GaN americké a japonské společnosti jako Texas Instruments, Toshiba a Fujitsu. Čína dominuje globální produkci suroviny gallium s 80% podílem na trhu. To je dáno především nízkými výrobními náklady, nikoli vzácností materiálu. Spíše jde o vedlejší produkt tavení hliníku, dostupný v dostatečném množství po celém světě, zejména proto, že se na destičky nanáší jen nepatrné množství tohoto kovu.
Evropská komise klasifikuje gallium jako kritickou surovinu. Podle jejího hodnocení se v poslední době zlepšila bezpečnost dodávek. Opět se však zvýšil i ekonomický význam tohoto materiálu pro Evropu.
Geopolitické obavy, jako je obchodní válka mezi Spojenými státy a Čínou, také omezily růst trhu s GaN „v celém hodnotovém řetězci“. Ale i kdyby se triumfální postup nitridu gallia poněkud zpomalil, je nepravděpodobné, že by se zastavil. Čím více hráčů vstoupí na trh a čím více se zvýší produkce, tím pravděpodobně dále klesnou ceny čipů GaN.
Bylo by chybou prohlašovat již nyní konec křemíkové éry. Ztotožňování polovodičů v elektronice s materiálem extrahovaným z písku však již není vhodné. Hlavní inovace se odehrávají jinde. GaN nikdy zcela nenahradí dobře známý materiál, domnívá se Martin Kuball: „Křemík tu bude vždy. Je levný, je akceptovaný, je dostatečný pro oblast nízkého napětí. Ale v určitých tržních odvětvích, jako jsou motory v elektrických vozidlech, už křemík nebude hrát tak důležitou roli.“
Název Silicon Valley, údolí známé jako sídlo korporací, jakými jsou Intel, Apple, Google nebo Nvidia, se stalo synonymem pro high-tech. „Silicon Valley“ vděčí za svůj vzestup čipovému průmyslu, kde je křemík nejdůležitější surovinou pro výrobu polovodičů.
Stal by se také termín „Gallium Valley“ populárním? Možné to je. Nitrid gallia (GaN) se v současnosti jeví být klíčovým materiálem pro budoucnost počítačových čipů. Může zefektivnit křemíkové čipy a umožnit nové aplikace.
| Čtyři generace polovodičových materiálů |
|
1. generaci polovodičových materiálů představují především křemík (Si) a germanium (Ge), které se začaly využívat v 50. letech minulého století. |