Почему полупроводники стали новой нефтью?

Что такое полупроводники

У полупроводников нет единственного первооткрывателя. Да, в 1833 году английский физик Майкл Фарадей обнаружил, что при нагревании сульфид серебра начинает проводить ток лучше. Да, пять лет спустя его французский коллега Антуан Анри Беккерель заметил, что электропроводность некоторых веществ меняется под действием света. А в 1874 году немец Карл Фердинанд Браун открыл зависимость сопротивления отдельных материалов от направления и силы тока. И всё же понятие «полупроводник» сформировалось постепенно в ходе многолетних исследований. Изучение этого явления стало коллективным трудом десятков учёных, каждый из которых внёс свой вклад.

Майкл Фарадей, Антуан Анри Беккерель, Карл Фердинанд Браун Изображение: © Валентина Межецкая / «Сириус(Журнал»

В итоге полупроводниками назвали материалы, способные проводить электрический ток — не так хорошо, как проводники вроде металлов, но и не так плохо, как диэлектрики, например стекло (его еще называют изолятором). Ключевая особенность — управляемая проводимость. В отличие от проводников, сопротивление полупроводников можно изменять: с помощью температуры, света или добавления примесей. Благодаря этому можно использовать их свойства в различных электронных устройствах. Также зависимость от внешних факторов делает полупроводники полезными для датчиков и солнечных батарей, поскольку проводимость растёт при нагревании или под воздействием света. А ещё есть примесная проводимость — это изменение свойств при добавлении других элементов: например, фосфора или бора в кремний.

Выбор материала зависит от требований к производительности, энергоэффективности и условиям эксплуатации устройства. Самый распространённый полупроводник — кремний (Si). Всё потому, что он доступен и относительно недорог, к тому же хорошо изучены технологии его обработки. Кремний — краеугольный камень современной микроэлектроники, на базе которого производят интегральные схемы, микропроцессоры, солнечные элементы и множество других устройств.

В некоторых областях применяются альтернативные полупроводники:

•         арсенид галлия (GaAs) — благодаря высокой подвижности электронов идеален для высокочастотных устройств (СВЧ-электроника, оптоэлектроника, лазерные диоды);
•         карбид кремния (SiC) — высокая теплопроводность и устойчивость к высоким напряжениям делает его оптимальным вариантом для силовой электроники, электромобилей и энергоэффективных систем;
•         нитрид галлия (GaN) — перспективный материал для мощных высокочастотных устройств, светодиодов и 5G-технологий.

Кроме того, активно исследуются органические полупроводники и перовскиты, которые могут найти применение в гибкой электронике и солнечной энергетике.

Кремний — второй по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода) Фото: © magnetix / Shutterstock / FOTODOM

Где используют полупроводники?

Полупроводник — ключевой компонент транзистора, на котором стоит современная электроника. Эти устройства выполняют две основные функции: они могут работать как переключатели — управляя прохождением тока в цепи, или как усилители — повышая мощность электрических сигналов. Именно благодаря транзисторам создаются логические схемы процессоров — центральных и графических, — которые обеспечивают обработку данных в компьютерах и других цифровых устройствах.

Интернет, конечно, тоже существует благодаря полупроводникам, точнее — работающей с их помощью сложной сети серверов, маршрутизаторов и оптоволоконных линий. Серверы в дата-центрах обрабатывают огромные объёмы данных благодаря мощным процессорам, построенным на кремниевых чипах. Этот же материал нужен для производства чипов оперативной памяти и твердотельных накопителей (SSD) — жёстких дисков.

Связь между устройствами в Сети обеспечивают маршрутизаторы и коммутаторы, где полупроводниковые транзисторы и интегральные схемы управляют передачей данных. Оптоволоконные сети — «кровеносная система» интернета — зависят от полупроводниковых лазеров и фотодетекторов, преобразующих электрические сигналы в световые импульсы и обратно.

#интернет #история #телеграф

Интернет XIX века: как телеграф опутал весь мир

Читать

И даже там, где проводов нет — вроде Wi-Fi, 5G и Bluetooth, — тоже не обойтись без полупроводников. Радиочастотные чипы в смартфонах и базовых станциях обрабатывают сигналы, позволяя устройствам обмениваться данными без физического контакта. Благодаря миниатюризации транзисторов и повышению их энергоэффективности современные сети стали быстрее и надежнее.

Для современного транспорта полупроводники — тоже невидимая, но абсолютно незаменимая основа. Автомобили давно перестали быть чисто механическими устройствами. Сегодня это сложные электронные системы, где микропроцессоры управляют двигателем, обеспечивают безопасность и даже рулят самой машиной. Благодаря полупроводникам работают антиблокировочная система тормозов, системы стабилизации и автоматического экстренного торможения, а электрокары вообще не смогли бы существовать без мощных силовых модулей, преобразующих энергию батарей в движение.

Сегодня в мире насчитывается более миллиона зарядных станций для электромобилей Фото: © somkanae sawatdinak / Shutterstock / FOTODOM

Общественный транспорт, грузоперевозки и даже дорожная инфраструктура тоже зависят от микроэлектроники. Электрические автобусы и грузовики используют высокоэффективные полупроводниковые модули для управления силовыми блоками, а системы управления дорожным движением анализируют трафик в реальном времени и при необходимости перенаправляют потоки. В авиации и на железной дороге полупроводники отвечают за системы навигации, диагностики и энергоэффективности.

По мере развития автономного транспорта зависимость отрасли от микроэлектроники будет только расти, превращая полупроводники в такой же стратегический ресурс, как нефть или металлы.

Рынок полупроводников

К 2030 году мировой рынок полупроводников может достичь $1 трлн (прогноз международной консалтинговой компании McKinsey & Company). Сегодня лидер по числу производств в этой сфере — Япония (103 завода). За ней со значительным отставанием идут США (95) и Китай (81). У России пока лишь 15 предприятий в этой отрасли, и главная задача сегодня для нее — обеспечить технологическую автономность, чтобы снизить зависимость от глобальных цепочек поставок. И пандемия ковида наглядно продемонстрировала, что страна, которая стремится к полноценному суверенитету, должна наладить производство на своей территории. Когда была приостановлена работа заводов, изготавливающих процессоры и прочее железо, а также азиатских портов (включая ключевой китайский порт Яньтянь, через который проходит около 90 % мировой электроники), откуда готовую продукцию отправляли в другие страны, мировая экономика испытала настоящее потрясение.

Китайский порт Яньтянь Фото: © Mariusz Bugno / Shutterstock / FOTODOM

Нехватка микрочипов привела к сбоям в работе автопроизводителей, многие концерны были вынуждены приостановить выпуск машин или сократить объёмы производства. Это привело к задержкам поставок и росту цен. Электронная промышленность также столкнулась с серьёзными трудностями: выпуск смартфонов, ноутбуков и бытовой техники замедлился, что привело к дефициту популярных моделей и повышению цен. Даже технологические гиганты, которые в приоритете у производителей чипов, столкнулись с необходимостью пересматривать планы выпуска своей продукции.

Кроме того, дефицит микрочипов замедлил развитие инновационных технологий, таких как искусственный интеллект и 5G-сети, поскольку многие стартапы и крупные компании столкнулись с нехваткой компонентов для прототипов и серийных устройств. В долгосрочной перспективе это может отсрочить внедрение прорывных решений и повлиять на конкурентоспособность целых секторов экономики.

Кризис полупроводников обострил геополитическую конкуренцию, заставив многие страны ускоренно развивать собственные производственные мощности. На Западе и в Китае стали активнее инвестировать в создание национальных полупроводниковых индустрий, стремясь снизить зависимость от глобальных цепочек поставок. Это привело к росту государственных субсидий и ужесточению регулирования в отрасли. При этом кризис стимулировал инвестирование в исследования альтернативных материалов и разработку более эффективных технологий производства, а также в строительство новых фабрик. Уже сегодня появляются перспективные разработки: квантовые процессоры, графеновые чипы, биосовместимые полупроводники для медицины. 

#медицина #роботы

Роботы в медицине: где и как их используют

Читать

Пока ситуация на рынке полупроводников стабилизировалась, но угроза новых перебоев остаётся. Согласно исследованию консалтинговой компании Bain & Company, бурное развитие ИИ может стать причиной следующего крупного дефицита микросхем. Стремительный рост спроса на мощные чипы для нейросетевых программ уже создаёт нагрузку на производственные цепочки. Эксперты предупреждают, что существующих мощностей может не хватить. Это грозит новыми задержками поставок и ростом цен на полупроводники, что, в свою очередь, ударит по производителям гаджетов, автомобилей и других высокотехнологичных товаров.