1. הופעתם של טרנזיסטורים תרמיים

טרנזיסטור תרמי מהפכני שפותח על ידי צוות מחקר באוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס (UCLA), השיג התקדמות טכנולוגית פורצת דרך. יש לו פוטנציאל שאין שני לו בתכנון ברמה האטומית ובהנדסה מולקולרית לניהול תרמי של שבבי מחשב.

סוג חדש זה של טרנזיסטור תרמי לגמרי במצב מוצק משתמש באפקטים של שדה חשמלי כדי לשלוט במדויק על תנועת החום בתוך רכיבי מוליכים למחצה. יש לו פוטנציאל שאין שני לו בתכנון ברמה האטומית ובהנדסה מולקולרית לניהול תרמי של שבבי מחשב, תוך שהוא מפגין תאימות מצוינת לתהליכי ייצור מוליכים למחצה הנוכחיים.

טרנזיסטור זה השיג מהירות מיתוג שוברת שיא העולה על 1 טרה-הרץ ומציע כוונון של 1300% במוליכות תרמית, מעבר למגבלות קודמות באפנון מוליכות תרמית.

כדי לאמת טכנולוגיה זו, נעשה שימוש בממשקים מולקולריים בהרכבה עצמית להתאמה מדויקת של התנגדות תרמית באמצעות שדה חשמלי, המדגים את השליטה בתנועת החום.

חדשנות טכנולוגית ניתנת להרחבה זו לא רק מסמנת קפיצת מדרגה משמעותית בייצור השבבים והביצועים, אלא גם טומנת בחובה הבטחה לקידום ניהול תרמי ברמה המולקולרית, שעלולה להתרחב לתחום התאים החיים.

תמיכה טכנית מסופקת על ידי מתקן המחקר הננו-אלקטרוניקה של UCLA ו-CNSI, עם משאבי מידע מהחטיבה למחקר וחינוך דיגיטלי של ספריית UCLA ומהמערכת האקולוגית המתאמת תשתיות רשת מתקדמת של המכון למחקר וחינוך דיגיטלי.

2. שדרוגים למכונות הליטוגרפיה EUV של ASML

בשנת 2023, ASML מסרה לאינטל את סורק ה-High-NA EUV הראשון שלה, Twinscan EXE:5000. הפיתוח המשותף של מכונה זו החל בשנת 2018. אינטל מתכננת לפרוס את ה-Twinscan EXE:5200 בדרגה מסחרית לייצור בנפח גבוה בשנת 2025.

עדשת ה-0.55 NA של סורק ה-High-NA EUV מבטיחה רזולוציה של 8 ננומטר, שהיא חיונית לייצור שבבים מתקדמים ב-3 ננומטר ומעלה. כחברה הראשונה שאימצה את הציוד החדשני הזה, אינטל משיגה יתרון אסטרטגי בקביעת סטנדרטים בתעשייה, שעלולה לעלות על המתחרות סמסונג ו-TSMC בעתיד.

סורק ה-High-NA כולל יכולות ייחודיות, כאשר גודל האלומה מצטמצם פעם נוספת, מה שמצריך השקעות תשתית משמעותיות. האימוץ המוקדם של אינטל של טכנולוגיה עדכנית זו הוא צעד הכנה חיוני לפריסת טכניקות ייצור מתקדמות יותר. ASML התחייבה לייצר 20 סורקי High-NA EUV מדי שנה עד 2027-2028, ולמצב את הטכנולוגיה הזו כאבן יסוד להתקדמות עתידית. אינטל שואפת לבסס את עצמה כמובילה בתעשייה.

3. שבבים מעוצבים בינה מלאכותית

מאמר מחקר שנוי במחלוקת שפרסם גוגל טוען שהתקדמות משמעותית בבינה מלאכותית לעיצוב שבבים, ושולחת גלי הלם בתעשייה.

גוגל טוענת שטכנולוגיית הבינה המלאכותית שלה האיצה את תכנון הפריסה של יחידות העיבוד הבסיסיות של שבב ה-AI שלה, והשלימה את המשימה תוך פחות משש שעות, ועלתה בהרבה על היכולות של מומחים אנושיים.

שבב TPU v5 עורר מחלוקת. גוגל טוענת שמטרתה אינה להחליף מעצבים אנושיים אלא להדגים שבינה מלאכותית יכולה לשתף פעולה בתהליך עיצוב השבבים. (האמריקאים גם מודאגים מכך שה-AI יקבל את עבודתם, וגוגל אומרת שהם רק מתנסים ולא ממש ישתמשו בזה. האם אתה מאמין להם?)

למרות הספקנות מצד חוקרי עמיתים לגבי תקפותו של מחקר זה והאתגרים שנותרו, הוא ממלא תפקיד מכריע בהנעת חדשנות טכנולוגית. ברגע שהטכנולוגיה מתבגרת, הנוף של תעשיית עיצוב השבבים צפוי לשינוי משמעותי.

4. טכנולוגיית אספקת חשמל הפוכה לצ'יפים

אינטל מציגה בזהירות טכנולוגיה חדשה, PowerVia, לצד השקת RibbonFET. PowerVia משתמשת באספקת חשמל מאחור על ידי הצבת חיבורי חשמל על החלק התחתון של הסיליקון, וכתוצאה מכך עלייה של 6% בתדר, עיצובים קומפקטיים יותר והפחתה של 30% בפיזור הספק.

הבדיקות מצביעות על כך שאין עליה בעלות ואין הפחתה באמינות. תהליך הייצור כולל בקנה מידה ננומטרי באמצעות קידוח (TSV), הדבקה של פרוסות נושאות והקמת חיבורי חשמל בתחתית השבב. למרות המורכבות הנוספת, אינטל השיגה חיסכון בעלויות על ידי אופטימיזציה של שכבת M0 ללא חיבורי חשמל.

PowerVia שולבה בהצלחה בתהליך הייצור של אינטל, וסללה את הדרך לצומת 20A עם טרנזיסטורי RibbonFET בשנת 2024. התקדמות זו ממצבת את אינטל כדי לעלות על מתחרות כמו TSMC וסמסונג בטרנזיסטורים של גיליונות ננו ואספקת חשמל אחורית.

5. שבב משולב בלייזר

מעגלים משולבים של פוטוניקה (PICs) זכו ליישום נרחב במקלטי משדר אופטיים מהירים ויישומים כגון LIDAR. עם זאת, שילוב לייזרים על שבבי סיליקון פוטוניים נותר אתגר משמעותי בשל יעילות הפליטה המוגבלת של הסיליקון. מרכז המחקר הננו-אלקטרוניקה של בלגיה, Imec, מוביל את המאמץ המחקרי הזה. בתהליך הנקרא Flip-chip bonding, מתלי לייזר מיושרים במדויק עם דיוק תת-מיקרון, מועברים ומודבקים על פרוסות סיליקון פוטוניקות.

תהליך הפוטוניקה של סיליקון ברמת רקיק השיג יעילות צימוד של עד 80%, כאשר כמה דוגמאות יישום הגיעו ל-60% משביע רצון. זה מדגים את היעילות של גישה זו.

ישנן שיטות שונות להעברת קוביות לייזר. גישה אחת היא הדפסת מיקרו-טרנספר, המשתמשת בדבקים או בחיבור מולקולרי להרכבה וצימוד מהירים. שיטה זו בעלת ערך רב בתרחישים בעלי תפוקה גבוהה שבהם יש צורך לשלב מספר רב של רכיבי III-V. הדבקת רקיק היא טכניקה נוספת להצמדת חומרים III-V לפרוסות סיליקון, המאפשרת עיבוד מקביל של התקנים מרובים ומציעה יעילות גבוהה יותר עבור ממשקים אופטיים.

הטכנולוגיה של Imec היא אינטגרציה מונוליטית, הידועה גם בשם Nano Ridge Engineering (NRE), המייצגת גישה חדשנית. שיטה זו משתמשת בכליאת תעלה כדי להגביל פגמים, במטרה להשיג צמיחה ללא פגמים של חומרים III-V על סיליקון.

טכנולוגיית ה-NRE של Imec מאפשרת ייצור של פוטודיודות איכותיות מבוססות GaAs בקו ייצור סיליקון בקוטר 300 מ"מ.

עיבוד שבב Flip מציע פשטות וגמישות, אך אופיו הרציף מגביל את יעילות הייצור. לעומת זאת, הדפסת מיקרו-טרנספר והדבקת פרוסות, למרות שהן דורשות עלויות גבוהות יותר, מדגימות תפוקה גבוהה יותר ופוטנציאל עלות נמוך יותר ביישומים הדורשים מספר לייזרים לכל פוטון IC. אינטגרציה מונוליתית, במיוחד NRE, מציגה כיוון מבטיח על ידי התמודדות עם האתגר הבסיסי של צמיחה ללא פגמים ישירות על סיליקון עבור רכיבים בסיסיים. עם ההפצה והקידום של תהליך זה, הוא מוכן לשרת טוב יותר את צורכי היישום השונים בתחום הפוטוניקת הסיליקון.

6. פוטון פיוז'ן

חוקרים במעבדת Congreve של אוניברסיטת סטנפורד הם חלוצים בטכנולוגיה הפוטוכרומית, המתמקדת בהמרה מעלה של תדרים, הממירה שני פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה לפוטון אחד בעל אנרגיה גבוהה. באמצעות שיטת השמדת טריפלט-טריפלט ומינוף תכונות הרגישות של טריפלט של מתכות כבדות כמו פלדיום, אירידיום או פלטינה, יחד עם חומרים מעוררים כגון רוברן, הצוות השיג בהצלחה פליטה יעילה של פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה.

תהליך זה ממיר את אורך הגל של האור לאורך הגל שיכול להיספג על ידי תאים סולריים סיליקון, ובעצם משנה את צבע האור (טכנולוגיה משתנה צבע). טכניקה זו יושמה כדי לשפר את יעילות האנרגיה הסולארית, ועלולה להגדיל אותה ב-15-20%.

בנוסף, ניסויים מחקריים הוכיחו את היכולת של הדפסת תלת מימד עם טכנולוגיית המרה למעלה, המאפשרת ריפוי מדויק של שרף בנקודות ספציפיות באמצעות לייזרים בעלי הספק נמוך. זה מספק אפשרויות חדשות לייצור תוסף. לייזרים בעלי הספק נמוך יכולים להדפיס במהירות עצמים בקנה מידה ננו במקביל, ולהתגבר על המגבלות הנוכחיות של דיוק ההדפסה.

טכנולוגיה טרנספורמטיבית זו לא רק נותנת מענה לאתגרים באנרגיה סולארית ובהדפסת תלת מימד, אלא גם טומנת בחובה הבטחה ליישומים שונים, כולל הדמיה של רקמות עמוקות, אופטוגנטיקה, מערכות ראיית לילה ופתרונות נגד זיוף. חוקרים בחנו את היישום של טכנולוגיית המרת תדר אור קרוב לאינפרא אדום להדמיית רקמות עמוקות, אופטוגנטיקה ויישומי תגובה כימית מקומית בתוך רקמות חיות.

עבודתה של מעבדת Congreve מדגימה את הפוטנציאל המגוון והטרנספורמטיבי של טכנולוגיית המרת תדרים על פני תעשיות שונות, ומסמנת רק את ההתחלה של היישומים הפוטנציאליים שלה.

מאיץ אלקטרונים בקנה מידה שבב

פיזיקאים מאוניברסיטת ארלנגן-נירנברג עשו התקדמות משמעותית במאיצי אלקטרונים בגודל שבב. הצוות ייצר מאיץ על שבב באמצעות חומרים דיאלקטריים, ויצר תעלה ברוחב 225 ננומטר ובאורך 0.5 מילימטר. על ידי שימוש בפולסי לייזר אינפרא אדום מתוזמן מדויק ו-733 עמודי סיליקון, כל אחד בגובה 2 מיקרומטר, הם הצליחו להגדיל את אנרגיית האלקטרונים ב-43% מרשימים.

זה מייצג קפיצת מדרגה משמעותית בתחום פיזיקת המאיצים. ניתן לבנות מאיצי אלקטרונים ננו-פוטונים באמצעות טכניקות סטנדרטיות של חדר נקי, כגון ליתוגרפיה של אלומת אלקטרונים. החוקרים שואפים לפתח מאיצים קומפקטיים כדי לחקור יישומים במקורות אור סינכרוטרוניים, לייזרים עם אלקטרונים חופשיים וחיפוש אחר חומר אפל קל משקל.

8. חומרים חדשים עבור מוליכים למחצה במהירות גבוהה

מדענים גילו את מה שנטען שהוא החומר המוליך למחצה המהיר והיעיל ביותר עד כה, Re6Se8Cl2. חומר זה מורכב מרניום, סלניום וכלור, ויוצרים אשכולות המכונים "סופראטומים". אטומי העל הללו יוצרים מבנה ייחודי שבו אקסיטונים קשורים (זוגות אלקטרונים-חורים) מקיימים אינטראקציה עם פונונים במקום עם מצבי פיזור, וכתוצאה מכך נוצרים קוואזי-חלקיקים חדשים הנקראים אקוסטונים-פולארונים.

להלן כמה מאפיינים מרכזיים של מוליך-העל החדש הזה:

★ Re6Se8Cl2 מציג תנועת אקסיטון בליסטית מתמשכת בטמפרטורת החדר, כאשר מהירות התנועה של אקוסטית-פולרונים אקוסטית היא פי שניים מזו של אלקטרונים בסיליקון.

★ שלא כמו מוליכים למחצה מסורתיים שבהם אלקטרונים מתפזרים למרחקים קצרים, אקציטון-פולארונים ב-Re6Se8Cl2 חוצים מספר מיקרומטרים בתוך ננו-שניות, ומדגימים ביצועי מהירות יוצאי דופן.

★ מוליך למחצה זה פועל על בסיס בקרת אור ולא על זרם חשמלי, ומשיג מהירויות עיבוד בטווח הפמטו-שניות, שהוא מהיר משמעותית מהמכשירים האלקטרוניים בטווח הגיגה-הרץ הזמינים כיום.

★ Re6Se8Cl2 הוא חומר ואן דר ואלס וחלק ממשפחת המוליכים למחצה העל-אטומיים. עם זאת, רניום הוא יסוד נדיר, ולכן החוקרים מחפשים חומרים חלופיים בעלי תכונות דומות.

★ אקוסטיים-פולארונים אקוסטיים מציעים שיטה חדשה להשגת העברת אנרגיה לטווח ארוך בחומרים לא קונבנציונליים, ומרחיבה את היישום שלהם מעבר לשימושים מסורתיים של מוליכים למחצה.

★ שימוש באקסיטונים במקום אלקטרונים יכול לשמש כגלאי פוטו יעילים או למצוא יישומים במחשוב כדי לשפר את יעילות האנרגיה והביצועים. התקנים פוטנציאליים כוללים "טרנזיסטורים בליסטיים".

חוקרים מדגישים כי בעוד שאקסיטונים נושאים מידע ואנרגיה כמו אלקטרונים, ייתכן שהם אינם תואמים ישירות לחומרת תעשיית המוליכים למחצה הנוכחית. ממצאים אלו פותחים אפיקים חדשים לתכנון התקני מוליכים למחצה מתקדמים עם פונקציונליות ייחודית.

יש כאן הרבה מושגים חדשים, אז בואו נוסיף כמה הסברים:

אקסיטונים

אקסיטון הוא קוואזי-חלקיק המשמש בפיזיקה של מצב מוצק כדי לתאר מערכת שבה אלקטרון וחור (מקום פנוי בעל מטען חיובי) מתקשרים באמצעות כוחות קולומב בתוך חומר גבישי.

פונונים

פונון הוא היחידה המקוונטית של תנודות הסריג, המייצגת את קוונט האנרגיה הקטן ביותר הקשור לאופן רטט נורמלי בסריג גביש, כפי שמתואר במכניקת הקוונטים.

סופראטומים

סופראטומים הם יחידות מבניות יציבות המורכבות ממספר אטומים המציגים תכונות דומות לאלו של אטומים בודדים. התכונות הפיזיקליות והכימיות שלהם משתנות בהתאם למספר האטומים המרכיבים, המבנה וההרכב שלהם.

קוואזי-חלקיקים

קוואזי-חלקיק הוא מצב דמוי חלקיק חדש שנוצר באופן זמני בתנאים ספציפיים עקב אינטראקציות, המציג תכונות קולקטיביות הנבדלות מחלקיקי יסוד רגילים. לדוגמה, במוליכי-על, האינטראקציה בין אלקטרונים לפונונים יכולה ליצור זוגות קופר, שהם בוזונים טעונים הפועלים בדומה לאלקטרונים קונבנציונליים בתוך המוליך. לפיכך, זוגות קופר יכולים להיחשב כקוואזי-חלקיקים.

9. בעיות קיימות במוליכים למחצה: גליום ניטריד לעומת סיליקון קרביד

בשל היתרונות של מוליכים למחצה גליום ניטריד (GaN) וסיליקון קרביד (SiC) על פני טכנולוגיית סיליקון מסורתית, תחום האלקטרוניקה הכוח עובר שינוי משמעותי. בסביבות 2001, מוליכים למחצה מורכבים מבוססי GaN עוררו שינוי מהפכני בתעשיית התאורה, וכבשו במהירות למעלה מ-50% משוק תאורת ה-LED העולמי מבוסס GaN. שינוי זה לא רק הפחית את צריכת החשמל לתאורה ב-30% עד 40%, אלא גם הניח את הבסיס לשינויים מהפכניים רחבים יותר בתחום האלקטרוניקה. GaN ו-SiC תורמים באופן משמעותי להחלפת הסיליקון ביישומי אלקטרוניקה קריטיים עם היעילות והפונקציונליות המעולים שלהם. חומרים אלה מפחיתים בזבוז אנרגיה ומביאים יתרונות סביבתיים משמעותיים.

ההתקדמות הטכנולוגית החדשה הללו, תוך עיצוב תעשיית המוליכים למחצה, מדגישה גם את מסלול ההתפתחות שלה לשנים הקרובות. מכיוון שגבולות הטכנולוגיה נדחפים ללא הרף, הקבוע היחיד הוא חדשנות בלתי פוסקת.