Explorando las perspectivas futuras de los chips semiconductores de silicio

¿Qué define el papel de los semiconductores en la tecnología?

Los materiales se pueden clasificar según su conductividad eléctrica: la corriente fluye fácilmente en los conductores pero no en los aisladores. Los semiconductores se encuentran en el punto intermedio: pueden conducir electricidad en condiciones específicas, lo que los hace extremadamente útiles en informática. Al utilizar semiconductores como base para los microchips, podemos controlar el flujo de electricidad dentro de los dispositivos, permitiendo todas las funciones notables de las que dependemos hoy.

Desde sus inicios,silicioha dominado la industria de los chips y la tecnología, lo que dio lugar al término "Silicon Valley". Sin embargo, puede que no sea el material más adecuado para tecnologías futuras. Para entender esto, debemos revisar cómo funcionan los chips, los desafíos tecnológicos actuales y los materiales que pueden reemplazar al silicio en el futuro.

¿Cómo traducen los microchips las entradas al lenguaje informático?

Los microchips están llenos de pequeños interruptores llamados transistores, que traducen las entradas del teclado y los programas de software al lenguaje informático: código binario. Cuando un interruptor está abierto, puede fluir corriente, lo que representa un '1'; cuando está cerrado, no puede, lo que representa un '0'. Todo lo que hacen las computadoras modernas se reduce en última instancia a estos conmutadores.

Durante décadas, hemos mejorado la potencia informática aumentando la densidad de los transistores en los microchips. Mientras que el primer microchip contenía sólo un transistor, hoy podemos encapsular miles de millones de estos diminutos interruptores en chips del tamaño de una uña.

El primer microchip estaba hecho de germanio, pero la industria tecnológica rápidamente se dio cuenta de quesilicioera un material superior para la fabricación de chips. Las principales ventajas del silicio incluyen su abundancia, bajo costo y mayor punto de fusión, lo que significa que funciona mejor a temperaturas elevadas. Además, el silicio es fácil de “dopar” con otros materiales, lo que permite a los ingenieros ajustar su conductividad de varias maneras.

¿A qué desafíos se enfrenta el silicio en la informática moderna?

La estrategia clásica de crear computadoras más rápidas y potentes reduciendo continuamente los transistores ensilicioLas fichas empiezan a fallar. Deep Jariwala, profesor de ingeniería de la Universidad de Pensilvania, afirmó en una entrevista de 2022 con The Wall Street Journal: “Si bien el silicio puede funcionar en dimensiones tan pequeñas, la eficiencia energética necesaria para un cálculo ha ido aumentando, lo que lo hace extremadamente insostenible. Desde el punto de vista energético, ya no tiene sentido”.

Para seguir mejorando nuestra tecnología sin dañar más el medio ambiente, debemos abordar esta cuestión de sostenibilidad. En esta búsqueda, algunos investigadores están examinando de cerca chips fabricados con materiales semiconductores distintos del silicio, incluido el nitruro de galio (GaN), un compuesto elaborado a partir de galio y nitrógeno.

¿Por qué el nitruro de galio está ganando atención como material semiconductor?

La conductividad eléctrica de los semiconductores varía, principalmente debido a lo que se conoce como "banda prohibida". Los protones y neutrones se agrupan en el núcleo, mientras que los electrones orbitan a su alrededor. Para que un material conduzca electricidad, los electrones deben poder saltar de la "banda de valencia" a la "banda de conducción". La energía mínima requerida para esta transición define la banda prohibida del material.

En los conductores, estas dos regiones se superponen, lo que da como resultado que no haya banda prohibida: los electrones pueden pasar libremente a través de estos materiales. En los aisladores, la banda prohibida es muy grande, lo que dificulta que los electrones la atraviesen incluso con una cantidad significativa de energía aplicada. Los semiconductores, como el silicio, ocupan un término medio;siliciotiene una banda prohibida de 1,12 electronvoltios (eV), mientras que el nitruro de galio cuenta con una banda prohibida de 3,4 eV, lo que lo categoriza como un "semiconductor de banda prohibida amplia" (WBGS).

Los materiales WBGS están más cerca de los aislantes en el espectro de conductividad, y requieren más energía para que los electrones se muevan entre las dos bandas, lo que los hace inadecuados para aplicaciones de muy bajo voltaje. Sin embargo, WBGS puede operar a voltajes, temperaturas y frecuencias de energía más altas quea base de siliciosemiconductores, permitiendo que los dispositivos que los utilizan funcionen más rápido y más eficientemente.

Rachel Oliver, directora del Centro GaN de Cambridge, dijo a Freethink: “Si pones la mano sobre el cargador de un teléfono, lo sentirás caliente; esa es la energía desperdiciada por los chips de silicio. Los cargadores de GaN se sienten mucho más fríos al tacto: se desperdicia significativamente menos energía”.

El galio y sus compuestos se han utilizado en la industria tecnológica durante décadas, incluso en diodos emisores de luz, láseres, radares militares, satélites y células solares. Sin embargo,nitruro de galioes actualmente el foco de los investigadores que esperan hacer que la tecnología sea más potente y energéticamente eficiente.

¿Qué implicaciones tiene el nitruro de galio para el futuro?

Como mencionó Oliver, los cargadores de teléfonos GaN ya están en el mercado y los investigadores pretenden aprovechar este material para desarrollar cargadores de vehículos eléctricos más rápidos, abordando una importante preocupación de los consumidores con respecto a los vehículos eléctricos. "Los dispositivos como los vehículos eléctricos pueden cargarse mucho más rápido", dijo Oliver. "Para cualquier cosa que requiera energía portátil y carga rápida, el nitruro de galio tiene un potencial significativo".

nitruro de galioTambién puede mejorar los sistemas de radar de aviones militares y drones, permitiéndoles identificar objetivos y amenazas desde mayores distancias, y mejorar la eficiencia de los servidores de los centros de datos, lo cual es crucial para que la revolución de la IA sea asequible y sostenible.

Dado quenitruro de galiosobresale en muchos aspectos y existe desde hace algún tiempo, ¿por qué la industria de los microchips continúa basándose en el silicio? La respuesta, como siempre, está en el coste: los chips de GaN son más caros y complejos de fabricar. Reducir los costos y aumentar la producción llevará tiempo, pero el gobierno de Estados Unidos está trabajando activamente para impulsar esta industria emergente.

En febrero de 2024, Estados Unidos asignó 1.500 millones de dólares a la empresa de fabricación de semiconductores GlobalFoundries en virtud de la Ley CHIPS y Ciencia para ampliar la producción nacional de chips.

 Una parte de estos fondos se utilizará para mejorar una instalación de fabricación en Vermont, lo que le permitirá producir en masa.nitruro de galio(GaN), una capacidad que actualmente no se realiza en los EE. UU. Según el anuncio de financiación, estos semiconductores se utilizarán en vehículos eléctricos, centros de datos, teléfonos inteligentes, redes eléctricas y otras tecnologías. 

Sin embargo, incluso si Estados Unidos logra restablecer las operaciones normales en todo su sector manufacturero, la producción deGaNchips depende de un suministro estable de galio, que actualmente no está garantizado. 

Si bien el galio no es raro (está presente en la corteza terrestre en niveles comparables al cobre), no existe en depósitos grandes y explotables como el cobre. Sin embargo, se pueden encontrar trazas de galio en minerales que contienen aluminio y zinc, lo que permite su recolección durante el procesamiento de estos elementos. 

En 2022, aproximadamente el 90% del galio mundial se produjo en China. Mientras tanto, Estados Unidos no ha producido galio desde la década de 1980; el 53% de su galio se importa de China y el resto proviene de otros países. 

En julio de 2023, China anunció que comenzaría a restringir las exportaciones de galio y otro material, el germanio, por razones de seguridad nacional. 

Las regulaciones de China no prohíben rotundamente las exportaciones de galio a Estados Unidos, pero exigen que los compradores potenciales soliciten permisos y obtengan la aprobación del gobierno chino. 

Es casi seguro que los contratistas de defensa estadounidenses enfrentarán rechazos, especialmente si figuran en la “lista de entidades poco confiables” de China. Hasta ahora, estas restricciones parecen haber dado lugar a un aumento de los precios del galio y a una ampliación de los plazos de entrega de los pedidos para la mayoría de los fabricantes de chips, en lugar de una escasez absoluta, aunque China puede optar por reforzar su control sobre este material en el futuro. 

Estados Unidos ha reconocido desde hace tiempo los riesgos asociados con su gran dependencia de China para obtener minerales críticos: durante una disputa con Japón en 2010, China prohibió temporalmente la exportación de metales de tierras raras. Cuando China anunció sus restricciones en 2023, Estados Unidos ya estaba explorando métodos para fortalecer sus cadenas de suministro. 

Las posibles alternativas incluyen importar galio de otros países, como Canadá (si pueden aumentar lo suficiente la producción) y reciclar el material de los desechos electrónicos; la investigación en esta área está financiada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Defensa de Estados Unidos. 

Establecer un suministro interno de galio también es una opción. 

Nyrstar, una empresa con sede en los Países Bajos, indicó que su planta de zinc en Tennessee podría extraer suficiente galio para satisfacer el 80% de la demanda actual de Estados Unidos, pero construir la instalación de procesamiento costaría hasta 190 millones de dólares. Actualmente, la empresa está negociando con el gobierno de EE. UU. la financiación de su expansión.

Las posibles fuentes de galio también incluyen un depósito en Round Top, Texas. En 2021, el Servicio Geológico de EE. UU. estimó que este depósito contiene aproximadamente 36.500 toneladas de galio; en comparación, China produjo 750 toneladas de galio en 2022. 

Por lo general, el galio se presenta en cantidades mínimas y está extremadamente disperso; sin embargo, en marzo de 2024, American Critical Materials Corp. descubrió un depósito con una concentración relativamente alta de galio de alta calidad en el Bosque Nacional Kootenai en Montana. 

Actualmente, aún no se ha extraído el galio de Texas y Montana, pero investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho y American Critical Materials Corp. están colaborando para desarrollar un método respetuoso con el medio ambiente para obtener este material. 

El galio no es la única opción que tiene Estados Unidos para mejorar la tecnología de microchips: China puede producir chips más avanzados utilizando algunos materiales no restringidos, que en algunos casos pueden superar a los chips a base de galio. 

En octubre de 2024, el fabricante de chips Wolfspeed obtuvo hasta 750 millones de dólares en financiación a través de la Ley CHIPS para construir la instalación de fabricación de chips de carburo de silicio (también conocido como SiC) más grande de EE. UU. Este tipo de chip es más caro quenitruro de galiopero es preferible para determinadas aplicaciones, como plantas de energía solar de alta potencia. 

Oliver le dijo a Freethink: "El nitruro de galio funciona muy bien en ciertos rangos de voltaje, mientras quecarburo de siliciose desempeña mejor en los demás. Depende del voltaje y la potencia con la que estés tratando”. 

Estados Unidos también está financiando investigaciones sobre microchips basados ​​en semiconductores de banda prohibida ancha, que tienen una banda prohibida superior a 3,4 eV. Estos materiales incluyen diamante, nitruro de aluminio y nitruro de boro; Aunque son costosos y difíciles de procesar, los chips fabricados con estos materiales podrían algún día ofrecer nuevas funcionalidades notables a menores costos ambientales.

 “Si hablamos de los tipos de voltajes que podrían estar involucrados en la transmisión de energía eólica marina a la red terrestre,nitruro de galioPuede que no sea adecuado, ya que no puede soportar ese voltaje”, explicó Oliver. "Materiales como el nitruro de aluminio, que tienen una banda prohibida amplia, sí pueden hacerlo".