1. O Surgimento dos Transistores Térmicos

Um revolucionário transistor térmico desenvolvido por uma equipe de pesquisa da Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA), alcançou avanços tecnológicos inovadores. Ele possui um potencial incomparável em design de nível atômico e engenharia molecular para gerenciamento térmico de chips de computador.

Este novo tipo de transistor térmico totalmente de estado sólido utiliza efeitos de campo elétrico para controlar com precisão o movimento do calor dentro dos componentes semicondutores. Ele possui um potencial incomparável em design de nível atômico e engenharia molecular para gerenciamento térmico de chips de computador, ao mesmo tempo que demonstra excelente compatibilidade com os atuais processos de fabricação de semicondutores.

Este transistor alcançou uma velocidade de comutação recorde superior a 1 terahertz e oferece ajuste de 1300% na condutividade térmica, superando as limitações anteriores na modulação da condutividade térmica.

Para validar esta tecnologia, foram utilizadas interfaces moleculares automontadas para ajustar com precisão a resistência térmica através de um campo elétrico, demonstrando o controle do movimento do calor.

Esta inovação tecnológica escalável não só marca um salto significativo na fabricação e desempenho de chips, mas também é uma promessa para o avanço do gerenciamento térmico em nível molecular, estendendo-se potencialmente ao domínio das células vivas.

O suporte técnico é fornecido pelo Centro de Pesquisa em Nanoeletrônica da UCLA e pelo CNSI, com recursos de informação da divisão de Pesquisa e Educação Digital da Biblioteca da UCLA e do Ecossistema de Coordenação de Infraestrutura de Rede Avançada do Instituto de Pesquisa e Educação Digital.

2. Atualizações para máquinas de litografia EUV da ASML

Em 2023, a ASML entregou seu primeiro scanner EUV de alto NA, o Twinscan EXE:5000, para a Intel. O desenvolvimento colaborativo desta máquina começou em 2018. A Intel planeja implantar o Twinscan EXE:5200 de nível comercial para produção de alto volume em 2025.

A lente de 0.55 NA do scanner EUV de alta NA garante uma resolução de 8 nm, crucial para a produção de chips avançados de 3 nm e além. Como a primeira empresa a adotar esse equipamento de ponta, a Intel conquista uma vantagem estratégica na definição de padrões da indústria, podendo superar concorrentes como Samsung e TSMC no futuro.

O scanner High-NA apresenta recursos exclusivos, com o tamanho do feixe reduzido novamente à metade, necessitando de investimentos substanciais em infraestrutura. A adoção antecipada desta tecnologia mais recente pela Intel é um passo preparatório crucial para a implantação de técnicas de fabricação mais avançadas. A ASML se comprometeu a produzir 20 scanners EUV de alto NA anualmente até 2027-2028, posicionando esta tecnologia como uma pedra angular para avanços futuros. A Intel pretende se estabelecer como líder do setor.

3. Chips projetados por IA

Um polêmico artigo de pesquisa publicado pelo Google afirma avanços significativos na inteligência artificial para design de chips, enviando ondas de choque por toda a indústria.

O Google afirma que a sua tecnologia de inteligência artificial acelerou o planeamento do layout das unidades de processamento subjacentes do seu chip de IA, completando a tarefa em menos de seis horas, ultrapassando em muito as capacidades dos especialistas humanos.

O chip TPU v5 gerou polêmica. O Google afirma que seu objetivo não é substituir os designers humanos, mas demonstrar que a IA pode colaborar no processo de design do chip. (Os americanos também estão preocupados com a possibilidade de a IA tomar seus empregos, e o Google diz que eles estão apenas experimentando e não vão realmente usá-la. Você acredita neles?)

Apesar do cepticismo dos investigadores pares sobre a validade deste estudo e os desafios que permanecem, ele desempenha um papel crucial na promoção da inovação tecnológica. Assim que a tecnologia amadurecer, o cenário da indústria de design de chips estará preparado para uma grande transformação.

4. Tecnologia de fonte de alimentação reversa para chips

A Intel está introduzindo cautelosamente uma nova tecnologia, PowerVia, juntamente com o lançamento do RibbonFET. O PowerVia emprega fornecimento de energia traseiro, colocando interconexões de energia na parte inferior do silício, resultando em um aumento de frequência de 6%, designs mais compactos e uma redução de 30% na dissipação de energia.

Os testes indicam que não há aumento de custo nem redução de confiabilidade. O processo de fabricação inclui nanoescala via perfuração (TSV), ligação de wafers transportadores e estabelecimento de interconexões de energia na parte inferior do chip. Apesar da complexidade adicional, a Intel obteve economia de custos otimizando a camada M0 sem interconexões de energia.

A tecnologia PowerVia foi integrada com sucesso ao processo de produção da Intel, abrindo caminho para o nó de 20A com transistores RibbonFET em 2024. Esse avanço posiciona a Intel para potencialmente superar concorrentes como TSMC e Samsung em transistores de nanofolha e fornecimento de energia pela parte traseira.

5. Chip integrado a laser

Os circuitos integrados fotônicos (PICs) têm ampla aplicação em transceptores ópticos de alta velocidade e aplicações como LIDAR. No entanto, a integração de lasers em chips fotônicos de silício continua a ser um desafio significativo devido à eficiência limitada de emissões do silício. O centro de investigação em nanoeletrónica da Bélgica, Imec, lidera este esforço de investigação. Em um processo denominado ligação flip-chip, as matrizes do laser são alinhadas com precisão com precisão submícron, transferidas e ligadas a wafers fotônicos de silício.

O processo fotônico de silício em nível de wafer alcançou eficiências de acoplamento de até 80%, com alguns exemplos de aplicação atingindo 60% satisfatórios. Isto demonstra a eficácia desta abordagem.

Existem vários métodos para transferir matrizes de laser. Uma abordagem é a impressão por microtransferência, que utiliza adesivos ou ligação molecular para montagem e acoplamento rápidos. Este método é altamente valioso em cenários de alto rendimento onde um grande número de componentes III-V precisam ser integrados. A ligação de wafer é outra técnica para unir materiais III-V a wafers de silício, permitindo o processamento paralelo de vários dispositivos e oferecendo maior eficiência para interfaces ópticas.

A tecnologia da Imec é a integração monolítica, também conhecida como Nano Ridge Engineering (NRE), representando uma abordagem de ponta. Este método utiliza confinamento em trincheira para limitar defeitos, visando atingir o crescimento livre de defeitos de materiais III-V em silício.

A tecnologia NRE da Imec permite a produção de fotodiodos baseados em GaAs de alta qualidade em uma linha de produção de silício de 300 mm.

O processamento flip-chip oferece simplicidade e flexibilidade, mas sua natureza sequencial limita a eficiência da produção. Em contraste, a impressão por microtransferência e a ligação de wafer, apesar de exigirem custos mais elevados, demonstram maior rendimento e menor potencial de custo em aplicações que requerem vários lasers por IC de fóton. A integração monolítica, particularmente NRE, apresenta uma direção promissora ao abordar o desafio fundamental do crescimento sem defeitos diretamente no silício para componentes básicos. Com a disseminação e avanço desse processo, ele está preparado para melhor atender diversas necessidades de aplicação na área de fotônica de silício.

6. Fusão de fótons

Pesquisadores do Congreve Lab da Universidade de Stanford são pioneiros na tecnologia fotocrômica, com foco na conversão ascendente de frequência, que converte dois fótons de baixa energia em um fóton de alta energia. Usando o método de aniquilação tripleto-tripleto e aproveitando as propriedades de sensibilização tripleto de metais pesados ​​como paládio, irídio ou platina, juntamente com materiais excitáveis ​​como o rubreno, a equipe conseguiu com sucesso a emissão eficiente de fótons de alta energia.

Este processo converte o comprimento de onda da luz no comprimento de onda que pode ser absorvido pelas células solares de silício, alterando essencialmente a cor da luz (tecnologia de mudança de cor). Esta técnica tem sido aplicada para melhorar a eficiência da energia solar, aumentando-a potencialmente em 15-20%.

Além disso, experimentos de pesquisa demonstraram a capacidade da impressão 3D com tecnologia de conversão ascendente, permitindo a cura precisa da resina em pontos específicos usando lasers de baixa potência. Isso oferece novas possibilidades para fabricação aditiva. Esses lasers de baixa potência podem imprimir rapidamente objetos em nanoescala em paralelo, superando as atuais limitações de precisão de impressão.

Esta tecnologia transformadora não só aborda os desafios da energia solar e da impressão 3D, mas também é promissora para diversas aplicações, incluindo imagens de tecidos profundos, optogenética, sistemas de visão noturna e soluções antifalsificação. Os pesquisadores exploraram a aplicação da tecnologia de conversão ascendente de frequência de luz infravermelha próxima para imagens de tecidos profundos, optogenética e aplicações de reações químicas localizadas em tecidos vivos.

O trabalho do Congreve Lab demonstra o potencial diversificado e transformador da tecnologia de conversão ascendente de frequência em vários setores, marcando apenas o início de suas aplicações potenciais.

7. Acelerador de elétrons em escala de chip

Físicos da Universidade de Erlangen-Nuremberg fizeram avanços significativos em aceleradores de elétrons do tamanho de chips. A equipe fabricou um acelerador em um chip usando materiais dielétricos, criando um canal de 225 nanômetros de largura e 0.5 milímetros de comprimento. Ao empregar pulsos de laser infravermelho precisamente cronometrados e 733 pilares de silício, cada um com 2 micrômetros de altura, eles conseguiram aumentar a energia dos elétrons em impressionantes 43%.

Isso representa um salto significativo no campo da física dos aceleradores. Aceleradores de elétrons nanofotônicos podem ser construídos usando técnicas padrão de sala limpa, como litografia por feixe de elétrons. Os pesquisadores pretendem desenvolver aceleradores compactos para explorar aplicações em fontes de luz síncrotron, lasers de elétrons livres e na busca por matéria escura leve.

8.Novos materiais para semicondutores de alta velocidade

Os cientistas descobriram o que é considerado o material semicondutor mais rápido e eficiente até hoje, o Re6Se8Cl2. Este material é composto de rênio, selênio e cloro, formando aglomerados conhecidos como “superátomos”. Esses superátomos criam uma estrutura única onde excitons ligados (pares elétron-buraco) interagem com fônons em vez de estados de dispersão, resultando em novas quasipartículas chamadas exciton-polarons acústicos.

Aqui estão algumas características principais deste novo super semicondutor:

★ Re6Se8Cl2 exibe movimento de exciton balístico sustentado à temperatura ambiente, com a velocidade de movimento dos exciton-polarons acústicos sendo duas vezes maior que a dos elétrons no silício.

★ Ao contrário dos semicondutores tradicionais, onde os elétrons se espalham por distâncias curtas, os excitons-polarons no Re6Se8Cl2 atravessam vários micrômetros em nanossegundos, demonstrando um desempenho de velocidade excepcional.

★ Este semicondutor opera com base no controle de luz em vez de corrente elétrica, alcançando velocidades de processamento na faixa de femtossegundos, que é significativamente mais rápida do que os dispositivos eletrônicos de faixa de gigahertz atualmente disponíveis.

★ Re6Se8Cl2 é um material de van der Waals e faz parte da família de semicondutores superatômicos. No entanto, o rénio é um elemento raro, por isso os investigadores procuram materiais alternativos com propriedades semelhantes.

★ Exciton-polarons acústicos oferecem um novo método para obter transferência de energia de longo alcance em materiais não convencionais, estendendo sua aplicação além dos usos tradicionais de semicondutores.

★ A utilização de excitons em vez de elétrons pode servir como fotodetectores eficientes ou encontrar aplicações em computação para melhorar a eficiência energética e o desempenho. Dispositivos potenciais incluem “transistores balísticos”.

Os pesquisadores enfatizam que, embora os excitons transportem informações e energia como os elétrons, eles podem não ser diretamente compatíveis com o hardware atual da indústria de semicondutores. Essas descobertas abrem novos caminhos para o projeto de dispositivos semicondutores avançados com funcionalidades exclusivas.

Existem muitos conceitos novos aqui, então vamos adicionar algumas explicações:

Éxcitons

Um exciton é uma quasipartícula usada na física do estado sólido para descrever um sistema onde um elétron e um buraco (uma vacância carregada positivamente) interagem através de forças de Coulomb dentro de um material cristalino.

Fônons

Um fônon é a unidade quantizada de vibrações da rede, representando o menor quantum de energia associado a um modo normal de vibração em uma rede cristalina, conforme descrito na mecânica quântica.

Superátomos

Superátomos são unidades estruturais estáveis ​​compostas por vários átomos que exibem propriedades semelhantes às de átomos individuais. Suas propriedades físicas e químicas variam com o número de átomos constituintes, sua estrutura e composição.

Quasipartículas

Uma quasipartícula é um novo estado semelhante a uma partícula que se forma temporariamente sob condições específicas devido a interações, exibindo propriedades coletivas distintas das partículas fundamentais comuns. Por exemplo, em supercondutores, a interação entre elétrons e fônons pode formar pares de Cooper, que são bósons carregados que agem de forma semelhante aos elétrons convencionais dentro do supercondutor. Assim, os pares de Cooper podem ser considerados quasipartículas.

9. Questões de sustentabilidade em semicondutores: nitreto de gálio vs. carboneto de silício

Devido às vantagens dos semicondutores de nitreto de gálio (GaN) e carboneto de silício (SiC) sobre a tecnologia tradicional de silício, o campo da eletrônica de potência está passando por uma transformação significativa. Por volta de 2001, os semicondutores compostos à base de GaN desencadearam uma mudança revolucionária na indústria de iluminação, capturando rapidamente mais de 50% do mercado global de iluminação LED à base de GaN. Esta mudança não só reduziu o consumo de eletricidade para iluminação em 30% a 40%, mas também lançou as bases para mudanças revolucionárias mais amplas na eletrónica de potência. GaN e SiC estão contribuindo significativamente para a substituição do silício em aplicações críticas de eletrônica de potência com sua eficiência e funcionalidade superiores. Esses materiais reduzem o desperdício de energia e trazem benefícios ambientais substanciais.

Estes novos avanços tecnológicos, ao mesmo tempo que moldam a indústria de semicondutores, também destacam a sua trajetória de desenvolvimento para os próximos anos. À medida que os limites da tecnologia são continuamente ultrapassados, a única constante é a inovação implacável.