В момента силицият е във всеки чип, но дали ще бъде така и в бъдеще?

01.03.2023 2 731 17

Martin Pramatarov

През 50-те години светът на технологиите открива надежден компонент- силиция. През 1958 г. е произведен първият компютърен чип, използващ силиций, и това означава революция за компютърната индустрия.
Благодарение на силиция, вместо да имаме компютри с размерите на стая, имаме лаптопи и смартфони, които можем да вземем навсякъде. Той е причината да изоставим стария дизайн, да го смалим и да направим по-бърз, по-мощен и много по-достъпен за всички.
Развитието на интегралната схема (IC) подобри ситуацията, като настрои различните електронни схеми на компютър върху малки платки, наречени „чипове“. IC смени старите и крехки вакуумни тръби и намали размера на компютрите, позволявайки тяхното масово производство.

Може да ви хареса и тази статия: „Историята на компютърната мишка“.

Какво е силиций?
В периодичната таблица този химичен елемент принадлежи към въглеродната група, която включва въглерод, германий, калай, олово и флеровий. Идентифициран като „Si“, той е осмият най-разпространен елемент във Вселената по тегло. Дори ако говорим само за нашата планета, 28,2% от земната кора съдържа силиций. Така че все още разолагаме с масивни резерви на материала „у дома!“.
Силицият е металоид, така че има някои метални характеристики. И все пак това не е истински метал. Той е добър полупроводник, което позволява преминаването на електричество, но при него можете лесно да контролирате потока, за разлика от при металите.
С други думи, металът провежда електрони по природа и е трудно да се изключи това му свойство според различните нужди. Като изолационен материал, точно както пластмасата или дървото, той не позволява на електричеството да преминава през тях. Междувременно полупроводникът позволява на електричеството да преминава, като в същото време работи като изолатор.

Други предимства на силиция

• Той е универсален материал. Силицият може да се комбинира с други елементи, за да се получат различни съединения, като популярния кварц (силициев диоксид), който е често срещан компонент на стъклото и керамиката.
• Силицият има висока точка на топене от 1414°C. Това го прави добър материал за приложения при високи температури.
• Висока топлопроводимост. Силицият е добър проводник на топлина, което го прави полезен за радиатори и други приложения за разсейване на топлина.
• Достъпност. Силицият е доста достъпен благодарение на изобилието си и не е толкова труден за пречистване.
• Работи добре при широк диапазон от температури. Освен това можете да го модифицирате химически, за да промените електрическите му свойства. По този начин ще получите толкова електричество, колкото ви е необходимо.
Това прави възможно, например, преминаването от режим „изключен“ към „включен“ и обратно, при нормална температура, електричеството да преминава през определени транзистори избирателно, без да изгаря веригите. Освен това можете да използвате само един материал, за да проектирате много различни компоненти в едно и също устройство.

Защо се използва силиций за компютърни чипове?

Силицият се използва за компютърни чипове, защото е много добър полупроводников материал. Може да се използва за създаване на транзистори, които са от съществено значение за изграждането на електронни схеми. Транзисторите са малки електронни прекъсвачи, които могат да се включват или изключват и се използват за усилване или превключване на електронни сигнали. Накратко казано, транзисторите са градивните елементи на компютърните чипове.

Силицият е особено подходящ за използване в транзистори поради високата си точка на топене. Това означава, че силицият е стабилен и устойчив на топлина. Това е от съществено значение за транзисторите, защото те отделят много топлина, когато се използват и е много важно да се поддържа ниска температура на чиповете, за да се предотврати повредата им.

Той е добър проводник на електричество и транзисторите разчитат на потока от електрони, за да работят правилно. Проводимите характеристики на силиция му позволяват ефективно да пренася електрическите сигнали, които се използват за управление на транзисторите. Иначе казано, допълнителните малки транзистори в нашите централни процесори (CPU) се нуждаят от изолирани зони, за да контролират и насочват прецизно потока от електричество.

Не на последно място, изобилието и цената на силиция го позиционират силно като жизнеспособен материал, който да се използва в промишленото производство на компютърни чипове.

Откъде идва силицият за чипове?

Силицият е химичен елемент, който се среща естествено в различни източници, включително пясък, кварц, скали и други минерали.

Извличането на силиций от тези минерали се извършва чрез рафиниране на силиций. Този процес включва нагряване на минералите до много високи температури за извличане на чистия силиций. След това, полученият силиций се пречиства и обработва допълнително, за да се произведе силиций с добра чистота, необходим при производството на компютърни чипове.

Производството на компютърни чипове изисква високо ниво на чистота и прецизност. Рафинирането на силиций обикновено се извършва в специализирани съоръжения, наречени силициеви рафинерии. Те често се намират в близост до богати източници на силиций (минерали) и на отдалечени места, за да предотвратят, доколкото е възможно, рисковете от замърсяване.

Нагряването на минерали е обичайна техника за извличане и пречистване на силиций. Използването на химикали за разтваряне на примеси и специализирано оборудване за почистване на силиций от замърсители също е популярно.

Силицият, който се изисква специално от индустрията за производство на чипове, идва в тънки пластини (wafers или вафли), които по-късно ще станат самите чипове. Вафлите са тънки парчета полупроводников материал, силициев кристал, в този случай. Предлагат се в различни нива на чистота и размери. Вафлите са точно това, което е необходимо за производството на интегрални схеми (IC) и повече микро устройства.

Кои страни са най-големите производители на силиций за чипове?

Най-големите производители на силиций за чипове са Китай, Съединените щати и вероятно Русия. Последният постоянно е класиран като водещ производител на силиций, но поради текущия конфликт, който започна през февруари 2022 г., няма актуална информация, която да ни позволява да потвърдим тази позиция. Като цяло тези страни отговарят за по-голямата част от световното производство на силиций и имат големи, модерни съоръжения, които са в състояние да произвеждат силиций с висока чистота в голям мащаб.

Други важни производители на силиций за чипове са Бразилия, Норвегия, Франция, Германия, Франция, Канада и Малайзия.

Струва си да се отбележи, че класирането може да се променя от година на година въз основа на различни фактори, като геополитика, промени в търсенето, промени в цената на силиция и технологичен напредък, който помага за подобряване на производствените методи.

Има ли недостиг на силиций?

Възникна объркване относно недостига на силиций за производство на чипове. Наистина има недостиг на чипове, произведени със силиций, но това е причинено от различни фактори. И до момента на писане на тази статия няма новини, които да сочат към недостига на самия материал. Нека да разгледаме ефекта на доминото, който доведе света до тази ситуация.

Имаше комбинация от фактори, които предизвикаха недостига на силициеви чипове. Всички усетихме това през 2020 г., когато пандемията удари целия свят. COVID-19 засегна силно веригата за доставки. Някои компании бяха принудени да затворят напълно, или да приложат мерки за защита на служителите с цената на забавяне на производството им. Всичко, от рафинирането на силиций, производството на силициеви пластини, получаването на материала за производство, производството на компютърни чипове и доставката на крайния продукт беше засегнато.

От друга страна, търсенето на продукти, съдържащи чипове, вече беше огромно и контекстът на пандемията го засили още повече. Индустриите изискваха повече автоматизация и компютърни системи. Хората бяха вкъщи по-дълго, отколкото в миналото, така че техните нужди също са се променили.

Добави се и още една ситуация от съвсем различно естество. Производителите на силициеви компютърни чипове се нуждаят от много вода, за да направят материала готов за употреба. Тайван, номер едно производител на силициеви компютърни чипове, беше изправен пред суша. Това се отрази на техния темп на производство и доставка на продукта по света. Поуката е ясна, без достатъчно вода това може да се повтори. А водата е друга дълга тема за разговор.

Освен това изчерпваме пясъка, един от естествените източници на силиций. Проблемът е, че различни индустрии силно разчитат на използването на пясък: строителство, козметика, стъкло и производство на компютърни чипове. Проблемът не е нов, за недостига на пясък се предупреждаваше поне от няколко години, но няма признаци за намаляване. Природата се нуждае от време, за да замени този ресурс и никога няма да успее да го направи толкова бързо, колкото се експлоатира от тези индустрии. Нарастването на населението, технологията, използването на енергия, бързата урбанизация и потреблението изискват милиарди метрични тонове всяка година.

Всички тези фактори предизвикаха недостиг на чипове, произведени със силиций. В световен мащаб има текущи проекти за разрешаването му. Това обаче ще отнеме поне още две години.

За да обобщим, точно сега няма недостиг на силиций, а недостиг на чипове, произведени със силиций. Тъй като е толкова търсен ресурс, няма да е рядкост, ако е оскъден в бъдеще. Сега пясъкът като източник на силиций вече е на червено. Поддържайки този ритъм, ситуацията може да стане по-сложна, изисквайки по-дълги, по-трудни и по-скъпи начини за извличане на ресурса. За съжаление, тази възможност не може да бъде изключена.

Може ли силицият да бъде заменен с друг материал за производство на компютърни чипове?

Предимствата на силицият го правят идеален вариант за производство на компютърни чипове. Но кризи като описания недостиг и ежедневното по-високо търсене на повече (брой) и по-мощни компютърни чипове тласнаха изследователите и разработчиците към алтернативни материали, които биха могли да се ползват за тази цел в бъдеще.

Индиевият антимонид, молибденовият дисулфид и въглеродните нано тръби са били анализирани и техните характеристики ги правят подходящи за производство на компютърни чипове. Но все пак те не се споменават като окончателни кандидати за заместване на силиция.

Графенът също е тестван. Това е материал, съставен от един слой въглеродни атоми, подредени в шестоъгълна решетка. Графенът показва привлекателни характеристики за използване в компютърни чипове, като здравина, висока електропроводимост и гъвкавост. Като недостатъци, неговото широкомащабно производство и разходите за пълна замяна на силиция в индустрията на компютърните чипове не са ясни и все още не са решени.

Наскоро, през юли 2022 г., излезе доклад на екип учени (американски и родени в Китай, сега натурализирани американци), които откриха много по-добър полупроводник от силиция: кубичен борен арсенид.

Експериментално е доказано, че кубичният борен арсенид има топлопроводимост десет пъти по-добра от силиция. Така че разсейването на топлината се очертава като страхотно качество на този материал. Той позволява висока подвижност на електрони и дупки, докато силицият и други материали като галиев арсенид, предлагат добра подвижност на електрони, но слаба подвижност на дупки. В резултат на това, че силицият не е най-добрият проводник на топлина, са възможни проблеми с прегряване, така че са необходими мощни охладителни системи, за да ги предотвратят. Да, топлината е постоянен проблем за много електроника и може да бъде решен с възможностите на кубичния борен арсенид. „Промяна на играта“ е как учените описват това откритие. Предизвикателството, пред което са изправени, е как да произвеждат масово материала, като запазят качеството му и го направят икономически жизнеспособен.

Бъдещето на силиция – заключение

Този материал вече има важно място в историята на технологичния напредък, но развитието не е спряло. Проектират се високопроизводителни процесори, при които електроните се движат дори по-бързо, отколкото в силиция.

От друга страна, транзисторите се правят по-малки всеки ден, за да направят чиповете по-мощни и по-енергийно ефективни. Силицият ще бъде полезен до степента, която позволяват неговите химични свойства. За да поставим това в контекст, сега, когато компаниите използват нанометрови чипове, силиция няма да може да задоволи тези нужди и ще са необходими някои други материали.

Присъствието на силиций в индустрията за компютърни чипове ще продължи още дълго време. Предимствата на този материал няма да бъдат пропилени от такава взискателна индустрия.

Сега се появяват нови комбинации като силициев карбид (SiC) или карборунд, съединение от силиций и въглерод. Има три пъти по-висока топлопроводимост от силиция. Поради това се използва в силова електроника и електрически превозни средства като тези на Tesla.

Междудругото, ако сте фен на електрическите превозни средства, вижте тази статия: „Има ли алтернативи на литиево-йонните батерии?“.

Пътят от дизайна на електронни схеми с вакуумни тръби до епохата на миниатюрните модерни транзистори беше изграден със силиций, но технологията се развива и е възможно алтернативни материали да излязат на сцената. Нека да видим как новите материали или комбинации ще променят бъдещата компютърна технология!