1. L'emergere dei transistor termici

Un rivoluzionario transistor termico sviluppato da un gruppo di ricerca dell'Università della California, Los Angeles (UCLA), ha raggiunto progressi tecnologici rivoluzionari. Ha un potenziale senza precedenti nella progettazione a livello atomico e nell'ingegneria molecolare per la gestione termica dei chip dei computer.

Questo nuovo tipo di transistor termico interamente a stato solido utilizza gli effetti del campo elettrico per controllare con precisione il movimento del calore all'interno dei componenti semiconduttori. Presenta un potenziale senza precedenti nella progettazione a livello atomico e nell'ingegneria molecolare per la gestione termica dei chip dei computer, dimostrando al tempo stesso un'eccellente compatibilità con gli attuali processi di produzione dei semiconduttori.

Questo transistor ha raggiunto una velocità di commutazione record superiore a 1 terahertz e offre una regolabilità del 1300% nella conduttività termica, superando le precedenti limitazioni nella modulazione della conducibilità termica.

Per convalidare questa tecnologia, sono state utilizzate interfacce molecolari autoassemblate per regolare con precisione la resistenza termica tramite un campo elettrico, dimostrando il controllo del movimento del calore.

Questa innovazione tecnologica scalabile non solo segna un passo avanti significativo nella produzione e nelle prestazioni dei chip, ma promette anche di far avanzare la gestione termica a livello molecolare, estendendola potenzialmente al regno delle cellule viventi.

Il supporto tecnico è fornito dal Centro di ricerca sulla nanoelettronica dell'UCLA e dal CNSI, con risorse informative dalla divisione di ricerca e istruzione digitale della Biblioteca dell'UCLA e dall'ecosistema di coordinamento dell'infrastruttura di rete avanzata dell'Istituto per la ricerca e l'istruzione digitale.

2. Aggiornamenti alle macchine litografiche EUV di ASML

Nel 2023, ASML ha consegnato a Intel il suo primo scanner High-NA EUV, Twinscan EXE:5000. Lo sviluppo collaborativo di questa macchina è iniziato nel 2018. Intel prevede di implementare Twinscan EXE:5200 di livello commerciale per la produzione di volumi elevati nel 2025.

La lente da 0.55 NA dello scanner High-NA EUV garantisce una risoluzione di 8 nm, fondamentale per la produzione di chip avanzati a 3 nm e oltre. Essendo la prima azienda ad adottare queste apparecchiature all'avanguardia, Intel ottiene un vantaggio strategico nel definire gli standard del settore, superando potenzialmente i concorrenti Samsung e TSMC in futuro.

Lo scanner High-NA presenta funzionalità uniche, con le dimensioni del raggio nuovamente dimezzate, che richiedono sostanziali investimenti infrastrutturali. L'adozione tempestiva di quest'ultima tecnologia da parte di Intel rappresenta un passo preparatorio cruciale per l'implementazione di tecniche di produzione più avanzate. ASML si è impegnata a produrre 20 scanner EUV High-NA ogni anno entro il 2027-2028, posizionando questa tecnologia come pietra angolare per i progressi futuri. Intel mira ad affermarsi come leader del settore.

3. Chip progettati dall'intelligenza artificiale

Un controverso documento di ricerca pubblicato da Google sostiene progressi significativi nell’intelligenza artificiale per la progettazione dei chip, mandando onde d’urto nel settore.

Google afferma che la sua tecnologia di intelligenza artificiale ha accelerato la pianificazione del layout delle unità di elaborazione sottostanti del suo chip AI, completando l'attività in meno di sei ore, superando di gran lunga le capacità degli esperti umani.

Il chip TPU v5 ha suscitato polemiche. Google afferma che il suo scopo non è sostituire i progettisti umani ma dimostrare che l’intelligenza artificiale può collaborare nel processo di progettazione dei chip. (Gli americani sono anche preoccupati che l’intelligenza artificiale possa rubare il loro lavoro, e Google dice che stanno solo sperimentando e non la useranno davvero. Ci credi?)

Nonostante lo scetticismo dei ricercatori paritari sulla validità di questo studio e sulle sfide che rimangono, esso svolge un ruolo cruciale nel guidare l’innovazione tecnologica. Una volta che la tecnologia sarà matura, il panorama del settore della progettazione di chip è destinato a subire un’importante trasformazione.

4. Tecnologia di alimentazione inversa per chip

Intel sta introducendo con cautela una nuova tecnologia, PowerVia, insieme al lancio di RibbonFET. PowerVia utilizza l'erogazione di potenza dal lato posteriore posizionando le interconnessioni di potenza sul fondo del silicio, con conseguente aumento della frequenza del 6%, design più compatti e una riduzione del 30% della dissipazione di potenza.

I test indicano che non vi è alcun aumento dei costi né riduzione dell’affidabilità. Il processo di produzione prevede la nanoscala tramite perforazione (TSV), l'incollaggio di wafer portanti e la creazione di interconnessioni di alimentazione nella parte inferiore del chip. Nonostante la maggiore complessità, Intel ha ottenuto risparmi sui costi ottimizzando il livello M0 senza interconnessioni di alimentazione.

PowerVia è stato integrato con successo nel processo di produzione di Intel, aprendo la strada al nodo da 20 A con transistor RibbonFET nel 2024. Questo progresso consente a Intel di superare potenzialmente concorrenti come TSMC e Samsung nei transistor nanosheet e nell'erogazione di potenza sul retro.

5. Chip integrato laser

I circuiti integrati fotonici (PIC) hanno visto un'ampia applicazione nei ricetrasmettitori ottici ad alta velocità e in applicazioni come LIDAR. Tuttavia, l'integrazione dei laser sui chip fotonici del silicio rimane una sfida significativa a causa della limitata efficienza delle emissioni del silicio. Il centro di ricerca belga sulla nanoelettronica, Imec, guida questo impegno di ricerca. In un processo chiamato flip-chip bonding, le matrici laser vengono allineate con precisione con precisione inferiore al micron, trasferite e incollate su wafer fotonici di silicio.

Il processo di fotonica del silicio a livello di wafer ha raggiunto efficienze di accoppiamento fino all'80%, con alcuni esempi di applicazione che raggiungono un soddisfacente 60%. Ciò dimostra l’efficacia di questo approccio.

Esistono vari metodi per trasferire le matrici laser. Un approccio è la stampa a microtrasferimento, che utilizza adesivi o legami molecolari per un assemblaggio e un accoppiamento rapidi. Questo metodo è molto utile negli scenari ad alto rendimento in cui è necessario integrare un gran numero di componenti III-V. Il wafer bonding è un'altra tecnica per incollare materiali III-V su wafer di silicio, consentendo l'elaborazione parallela di più dispositivi e offrendo una maggiore efficienza per le interfacce ottiche.

La tecnologia di Imec è l'integrazione monolitica, conosciuta anche come Nano Ridge Engineering (NRE), che rappresenta un approccio all'avanguardia. Questo metodo utilizza il confinamento in trincee per limitare i difetti, con l'obiettivo di ottenere una crescita priva di difetti dei materiali III-V su silicio.

La tecnologia NRE di Imec consente la produzione di fotodiodi di alta qualità basati su GaAs su una linea di produzione di silicio da 300 mm.

La lavorazione flip-chip offre semplicità e flessibilità, ma la sua natura sequenziale limita l’efficienza produttiva. Al contrario, la stampa a microtrasferimento e l’incollaggio dei wafer, nonostante richiedano costi più elevati, dimostrano una produttività più elevata e un potenziale di costo inferiore nelle applicazioni che richiedono più laser per IC fotonico. L'integrazione monolitica, in particolare la NRE, presenta una direzione promettente poiché affronta la sfida fondamentale della crescita priva di difetti direttamente sul silicio per i componenti di base. Con la diffusione e il progresso di questo processo, è pronto a soddisfare meglio varie esigenze applicative nel campo della fotonica del silicio.

6. Fusione di fotoni

I ricercatori del Congreve Lab dell'Università di Stanford stanno sperimentando la tecnologia fotocromatica, concentrandosi sulla conversione di frequenza, che converte due fotoni a bassa energia in un fotone ad alta energia. Utilizzando il metodo di annichilazione tripletta-tripletta e sfruttando le proprietà sensibilizzanti della tripletta di metalli pesanti come palladio, iridio o platino, insieme a materiali eccitabili come il rubrene, il team è riuscito a ottenere un'emissione efficiente di fotoni ad alta energia.

Questo processo converte la lunghezza d'onda della luce nella lunghezza d'onda che può essere assorbita dalle celle solari al silicio, modificando sostanzialmente il colore della luce (tecnologia di cambiamento di colore). Questa tecnica è stata applicata per migliorare l'efficienza dell'energia solare, aumentandola potenzialmente del 15-20%.

Inoltre, esperimenti di ricerca hanno dimostrato la capacità della stampa 3D con tecnologia di upconversion, consentendo una polimerizzazione precisa della resina in punti specifici utilizzando laser a bassa potenza. Ciò offre nuove possibilità per la produzione additiva. Questi laser a bassa potenza possono stampare rapidamente oggetti su scala nanometrica in parallelo, superando gli attuali limiti di precisione di stampa.

Questa tecnologia trasformativa non solo affronta le sfide legate all’energia solare e alla stampa 3D, ma è anche promettente per varie applicazioni, tra cui l’imaging dei tessuti profondi, l’optogenetica, i sistemi di visione notturna e le soluzioni anticontraffazione. I ricercatori hanno esplorato l'applicazione della tecnologia di conversione della frequenza della luce nel vicino infrarosso per l'imaging dei tessuti profondi, l'optogenetica e le applicazioni di reazioni chimiche localizzate all'interno dei tessuti viventi.

Il lavoro del Congreve Lab dimostra il potenziale diversificato e trasformativo della tecnologia di upconversion di frequenza in vari settori, segnando solo l’inizio delle sue potenziali applicazioni.

7. Acceleratore di elettroni su scala di chip

I fisici dell'Università di Erlangen-Norimberga hanno compiuto progressi significativi negli acceleratori di elettroni delle dimensioni di un chip. Il team ha fabbricato un acceleratore su un chip utilizzando materiali dielettrici, creando un canale largo 225 nanometri e lungo 0.5 millimetri. Impiegando impulsi laser a infrarossi temporizzati con precisione e 733 pilastri di silicio, ciascuno alto 2 micrometri, sono stati in grado di aumentare l'energia degli elettroni di un impressionante 43%.

Ciò rappresenta un significativo passo avanti nel campo della fisica degli acceleratori. Gli acceleratori di elettroni nanofotonici possono essere costruiti utilizzando tecniche standard di camera bianca, come la litografia a fascio di elettroni. I ricercatori mirano a sviluppare acceleratori compatti per esplorare applicazioni nelle sorgenti di luce di sincrotrone, nei laser a elettroni liberi e nella ricerca di materia oscura leggera.

8.Nuovi materiali per semiconduttori ad alta velocità

Gli scienziati hanno scoperto quello che viene considerato il materiale semiconduttore più veloce ed efficiente fino ad oggi, Re6Se8Cl2. Questo materiale è composto da renio, selenio e cloro, che formano ammassi noti come "superatomi". Questi superatomi creano una struttura unica in cui gli eccitoni legati (coppie elettrone-lacuna) interagiscono con i fononi anziché con gli stati di dispersione, risultando in nuove quasiparticelle chiamate eccitoni-polaroni acustici.

Ecco alcune caratteristiche chiave di questo nuovo super semiconduttore:

★ Re6Se8Cl2 mostra un movimento balistico sostenuto degli eccitoni a temperatura ambiente, con una velocità di movimento degli eccitoni-polaroni acustici doppia rispetto a quella degli elettroni nel silicio.

★ A differenza dei semiconduttori tradizionali in cui gli elettroni si diffondono su brevi distanze, i polaroni eccitoni in Re6Se8Cl2 attraversano diversi micrometri in nanosecondi, dimostrando prestazioni di velocità eccezionali.

★ Questo semiconduttore funziona in base al controllo della luce anziché alla corrente elettrica, raggiungendo velocità di elaborazione nell'ordine dei femtosecondi, che è significativamente più veloce rispetto ai dispositivi elettronici nell'ordine dei gigahertz attualmente disponibili.

★ Re6Se8Cl2 è un materiale di van der Waals e fa parte della famiglia dei semiconduttori superatomici. Tuttavia, il renio è un elemento raro, quindi i ricercatori stanno cercando materiali alternativi con proprietà simili.

★ Polaroni eccitoni acustici offrono un nuovo metodo per ottenere il trasferimento di energia a lungo raggio in materiali non convenzionali, estendendo la loro applicazione oltre gli usi tradizionali dei semiconduttori.

★ L'utilizzo degli eccitoni al posto degli elettroni può fungere da efficienti fotorilevatori o trovare applicazioni nell'informatica per migliorare l'efficienza e le prestazioni energetiche. I potenziali dispositivi includono "transistor balistici".

I ricercatori sottolineano che, sebbene gli eccitoni trasportino informazioni ed energia come gli elettroni, potrebbero non essere direttamente compatibili con l’attuale hardware dell’industria dei semiconduttori. Questi risultati aprono nuove strade per la progettazione di dispositivi semiconduttori avanzati con funzionalità uniche.

Ci sono molti nuovi concetti qui, quindi aggiungiamo alcune spiegazioni:

Eccitoni

Un eccitone è una quasiparticella utilizzata nella fisica dello stato solido per descrivere un sistema in cui un elettrone e una lacuna (un posto vacante caricato positivamente) interagiscono attraverso le forze di Coulomb all'interno di un materiale cristallino.

fononi

Un fonone è l'unità quantizzata delle vibrazioni reticolari, che rappresenta il più piccolo quanto di energia associato a un normale modo di vibrazione in un reticolo cristallino, come descritto nella meccanica quantistica.

Superatomi

I superatomi sono unità strutturali stabili composte da diversi atomi che presentano proprietà simili a quelle dei singoli atomi. Le loro proprietà fisiche e chimiche variano con il numero di atomi costituenti, la loro struttura e composizione.

Quasiparticelle

Una quasiparticella è un nuovo stato simile a una particella che si forma temporaneamente in condizioni specifiche a causa delle interazioni, esibendo proprietà collettive distinte dalle particelle fondamentali ordinarie. Ad esempio, nei superconduttori, l'interazione tra elettroni e fononi può formare coppie di Cooper, che sono bosoni carichi che agiscono in modo simile agli elettroni convenzionali all'interno del superconduttore. Pertanto, le coppie di Cooper possono essere considerate quasiparticelle.

9.Problemi di sostenibilità nei semiconduttori: nitruro di gallio contro carburo di silicio

Grazie ai vantaggi dei semiconduttori al nitruro di gallio (GaN) e al carburo di silicio (SiC) rispetto alla tradizionale tecnologia del silicio, il campo dell’elettronica di potenza sta subendo una trasformazione significativa. Intorno al 2001, i semiconduttori compositi basati su GaN hanno dato il via a un cambiamento rivoluzionario nel settore dell’illuminazione, conquistando rapidamente oltre il 50% del mercato globale dell’illuminazione LED basata su GaN. Questo cambiamento non solo ha ridotto il consumo di elettricità per l’illuminazione dal 30% al 40%, ma ha anche gettato le basi per cambiamenti rivoluzionari più ampi nell’elettronica di potenza. GaN e SiC contribuiscono in modo significativo alla sostituzione del silicio in applicazioni critiche di elettronica di potenza grazie alla loro efficienza e funzionalità superiori. Questi materiali riducono gli sprechi energetici e apportano notevoli benefici ambientali.

Questi nuovi progressi tecnologici, oltre a plasmare l’industria dei semiconduttori, ne evidenziano anche la traiettoria di sviluppo per i prossimi anni. Mentre i confini della tecnologia vengono continuamente spinti, l’unica costante è l’innovazione incessante.