Explorando as perspectivas futuras dos chips semicondutores de silício

O que define o papel dos semicondutores na tecnologia?

Os materiais podem ser classificados com base na sua condutividade elétrica – a corrente flui facilmente nos condutores, mas não nos isoladores. Os semicondutores ficam no meio: eles podem conduzir eletricidade sob condições específicas, o que os torna extremamente úteis na computação. Ao utilizar semicondutores como base para microchips, podemos controlar o fluxo de eletricidade dentro dos dispositivos, possibilitando todas as funções notáveis ​​das quais dependemos hoje.

Desde o seu início,silíciodominou a indústria de chips e tecnologia, levando ao termo “Vale do Silício”. No entanto, pode não ser o material mais adequado para tecnologias futuras. Para compreender isto, devemos rever o funcionamento dos chips, os desafios tecnológicos atuais e os materiais que poderão substituir o silício no futuro.

Como os microchips traduzem as entradas para a linguagem do computador?

Os microchips são preenchidos com pequenos interruptores chamados transistores, que traduzem entradas de teclado e programas de software em linguagem de computador – código binário. Quando uma chave está aberta, a corrente pode fluir, representando um '1'; quando fechado, não pode, representando um '0'. Tudo o que os computadores modernos fazem se resume a essas opções.

Durante décadas, melhoramos o poder da computação aumentando a densidade dos transistores nos microchips. Embora o primeiro microchip contivesse apenas um transistor, hoje podemos encapsular bilhões desses minúsculos interruptores em chips do tamanho de uma unha.

O primeiro microchip foi feito de germânio, mas a indústria tecnológica rapidamente percebeu quesilícioera um material superior para fabricação de chips. As principais vantagens do silício incluem a sua abundância, baixo custo e ponto de fusão mais elevado, o que significa que tem melhor desempenho a temperaturas elevadas. Além disso, o silício é fácil de ser “dopado” com outros materiais, permitindo aos engenheiros ajustar a sua condutividade de várias maneiras.

Que desafios o silício enfrenta na computação moderna?

A estratégia clássica de criar computadores mais rápidos e mais potentes através da redução contínua dos transistores emsilíciochips está começando a vacilar. Deep Jariwala, professor de engenharia da Universidade da Pensilvânia, declarou em uma entrevista de 2022 ao The Wall Street Journal: “Embora o silício possa funcionar em dimensões tão pequenas, a eficiência energética necessária para uma computação tem aumentado, tornando-a extremamente insustentável. Do ponto de vista energético, não faz mais sentido.”

Para continuar a melhorar a nossa tecnologia sem prejudicar ainda mais o ambiente, temos de abordar esta questão da sustentabilidade. Nessa busca, alguns pesquisadores estão examinando de perto chips feitos de materiais semicondutores que não o silício, incluindo nitreto de gálio (GaN), um composto feito de gálio e nitrogênio.

Por que o nitreto de gálio está ganhando atenção como material semicondutor?

A condutividade elétrica dos semicondutores varia, principalmente devido ao que é conhecido como “bandgap”. Prótons e nêutrons se aglomeram no núcleo, enquanto os elétrons orbitam em torno dele. Para que um material conduza eletricidade, os elétrons devem ser capazes de saltar da “banda de valência” para a “banda de condução”. A energia mínima necessária para esta transição define o bandgap do material.

Nos condutores, essas duas regiões se sobrepõem, resultando na ausência de bandgap – os elétrons podem passar livremente através desses materiais. Em isoladores, o bandgap é muito grande, dificultando a passagem dos elétrons, mesmo com energia significativa aplicada. Os semicondutores, como o silício, ocupam um meio-termo;silíciotem um bandgap de 1,12 elétron-volts (eV), enquanto o nitreto de gálio possui um bandgap de 3,4 eV, categorizando-o como um “semicondutor de bandgap largo” (WBGS).

Os materiais WBGS estão mais próximos dos isolantes no espectro de condutividade, exigindo mais energia para os elétrons se moverem entre as duas bandas, tornando-os inadequados para aplicações de tensão muito baixa. No entanto, o WBGS pode operar em tensões, temperaturas e frequências de energia mais altas do queà base de silíciosemicondutores, permitindo que os dispositivos que os utilizam funcionem com mais rapidez e eficiência.

Rachel Oliver, diretora do Cambridge GaN Centre, disse ao Freethink: “Se você colocar a mão no carregador do telefone, ficará quente; essa é a energia desperdiçada pelos chips de silício. Os carregadores GaN são muito mais frios ao toque – há significativamente menos desperdício de energia.”

O gálio e seus compostos têm sido utilizados na indústria tecnológica há décadas, inclusive em diodos emissores de luz, lasers, radares militares, satélites e células solares. No entanto,nitreto de gálioé atualmente o foco de pesquisadores que esperam tornar a tecnologia mais poderosa e eficiente em termos energéticos.

Que implicações o nitreto de gálio tem para o futuro?

Como Oliver mencionou, os carregadores de telefone GaN já estão no mercado, e os pesquisadores pretendem aproveitar esse material para desenvolver carregadores de veículos elétricos mais rápidos, atendendo a uma preocupação significativa dos consumidores em relação aos veículos elétricos. “Dispositivos como veículos elétricos podem carregar muito mais rapidamente”, disse Oliver. “Para qualquer coisa que exija energia portátil e carregamento rápido, o nitreto de gálio tem um potencial significativo.”

Nitreto de gáliotambém pode melhorar os sistemas de radar de aeronaves militares e drones, permitindo-lhes identificar alvos e ameaças a distâncias maiores, e melhorar a eficiência dos servidores dos centros de dados, o que é crucial para tornar a revolução da IA ​​acessível e sustentável.

Dado quenitreto de gáliose destaca em muitos aspectos e já existe há algum tempo, por que a indústria de microchips continua a se desenvolver em torno do silício? A resposta, como sempre, está no custo: os chips GaN são mais caros e complexos de fabricar. A redução de custos e o aumento da produção levarão tempo, mas o governo dos EUA está a trabalhar ativamente para impulsionar esta indústria emergente.

Em fevereiro de 2024, os Estados Unidos alocaram US$ 1,5 bilhão à empresa de fabricação de semicondutores GlobalFoundries sob a Lei CHIPS e Ciência para expandir a produção doméstica de chips.

 Uma parte desses fundos será usada para modernizar uma fábrica em Vermont, permitindo-lhe produzir em massanitreto de gálio(GaN), uma capacidade que atualmente não é realizada nos EUA. De acordo com o anúncio de financiamento, esses semicondutores serão utilizados em veículos elétricos, data centers, smartphones, redes elétricas e outras tecnologias. 

No entanto, mesmo que os EUA consigam restaurar as operações normais em todo o seu setor industrial, a produção deGaNchips depende de um fornecimento estável de gálio, que atualmente não é garantido. 

Embora o gálio não seja raro – está presente na crosta terrestre em níveis comparáveis ​​aos do cobre – não existe em grandes depósitos mineráveis ​​como o cobre. Porém, vestígios de gálio podem ser encontrados em minérios contendo alumínio e zinco, permitindo sua coleta durante o processamento desses elementos. 

Em 2022, aproximadamente 90% do gálio mundial foi produzido na China. Entretanto, os EUA não produzem gálio desde a década de 1980, sendo 53% do seu gálio importado da China e o restante proveniente de outros países. 

Em Julho de 2023, a China anunciou que começaria a restringir as exportações de gálio e de outro material, o germânio, por razões de segurança nacional. 

Os regulamentos da China não proíbem totalmente as exportações de gálio para os EUA, mas exigem que os potenciais compradores solicitem licenças e obtenham a aprovação do governo chinês. 

É quase certo que os empreiteiros de defesa dos EUA enfrentarão rejeições, especialmente se estiverem listados na “lista de entidades não confiáveis” da China. Até agora, estas restrições parecem ter resultado no aumento dos preços do gálio e no prolongamento dos prazos de entrega das encomendas para a maioria dos fabricantes de chips, em vez de uma escassez total, embora a China possa optar por reforçar o seu controlo sobre este material no futuro. 

Os EUA há muito que reconhecem os riscos associados à sua forte dependência da China em termos de minerais críticos – durante uma disputa com o Japão em 2010, a China proibiu temporariamente a exportação de metais de terras raras. Quando a China anunciou as suas restrições em 2023, os EUA já estavam a explorar métodos para fortalecer as suas cadeias de abastecimento. 

As alternativas possíveis incluem a importação de gálio de outros países, como o Canadá (se conseguirem aumentar suficientemente a produção), e a reciclagem do material proveniente de resíduos electrónicos – a investigação nesta área está a ser financiada pela Agência de Projectos de Investigação Avançada do Departamento de Defesa dos EUA. 

Estabelecer um abastecimento interno de gálio também é uma opção. 

A Nyrstar, uma empresa sediada nos Países Baixos, indicou que a sua fábrica de zinco no Tennessee poderia extrair gálio suficiente para satisfazer 80% da procura actual dos EUA, mas a construção da instalação de processamento custaria até 190 milhões de dólares. A empresa está atualmente negociando com o governo dos EUA para financiamento de expansão.

Fontes potenciais de gálio também incluem um depósito em Round Top, Texas. Em 2021, o Serviço Geológico dos EUA estimou que este depósito contém aproximadamente 36.500 toneladas de gálio – em comparação, a China produziu 750 toneladas de gálio em 2022. 

Normalmente, o gálio ocorre em pequenas quantidades e é extremamente disperso; no entanto, em março de 2024, a American Critical Materials Corp. descobriu um depósito com uma concentração relativamente alta de gálio de alta qualidade na Floresta Nacional Kootenai, em Montana. 

Atualmente, o gálio do Texas e de Montana ainda não foi extraído, mas pesquisadores do Idaho National Laboratory e da American Critical Materials Corp. estão colaborando para desenvolver um método ecologicamente correto para a obtenção desse material. 

O gálio não é a única opção para os EUA melhorarem a tecnologia de microchips – a China pode produzir chips mais avançados utilizando alguns materiais sem restrições, que em alguns casos podem superar os chips à base de gálio. 

Em outubro de 2024, o fabricante de chips Wolfspeed garantiu até US$ 750 milhões em financiamento por meio da Lei CHIPS para construir a maior instalação de fabricação de chips de carboneto de silício (também conhecido como SiC) nos EUA.nitreto de gáliomas é preferível para certas aplicações, como usinas de energia solar de alta potência. 

Oliver disse ao Freethink: “O nitreto de gálio funciona muito bem em certas faixas de tensão, enquantocarboneto de silíciotem melhor desempenho em outros. Portanto, depende da voltagem e da potência com a qual você está lidando.” 

Os EUA também estão financiando pesquisas em microchips baseados em semicondutores de banda larga, que têm uma banda proibida superior a 3,4 eV. Esses materiais incluem diamante, nitreto de alumínio e nitreto de boro; embora sejam caros e difíceis de processar, os chips feitos com esses materiais poderão um dia oferecer novas funcionalidades notáveis ​​com custos ambientais mais baixos.

 “Se você está falando sobre os tipos de tensões que podem estar envolvidas na transmissão de energia eólica offshore para a rede terrestre,nitreto de gáliopode não ser adequado, pois não suporta essa voltagem”, explicou Oliver. “Materiais como nitreto de alumínio, que têm banda larga, podem.”