Τα μικροτσίπ πυριτίου στηρίζουν τη σύγχρονη ζωή μας. Βρίσκονται στην καρδιά των smartphones και των φορητών υπολογιστών μας. Παίζουν επίσης κρίσιμο ρόλο στα ηλεκτρικά οχήματα και στην τεχνολογία ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Σήμερα, περισσότερα από τα τρία τέταρτα των μικροτσίπ, γνωστά και ως ημιαγωγοί, παράγονται στην Ασία. Όμως, τη δεκαετία του 1990, η παραγωγή τσιπ ήταν πιο ευρέως κατανεμημένη σε όλο τον κόσμο.
Η κεντρική ζώνη της Σκωτίας - η περιοχή με την υψηλότερη πληθυσμιακή πυκνότητα, που περιλαμβάνει τη Γλασκώβη, το Εδιμβούργο και τις πόλεις που τις περιβάλλουν - έγινε γνωστή ως «Silicon Glen», απασχολώντας 50.000 άτομα στη βιομηχανία ηλεκτρονικών στην κορύφωσή της.
Η περιοχή εξήγαγε τα πάντα, από υπολογιστές μέχρι τσιπ του Playstation. Πολυεθνικές εταιρείες όπως η NEC, η Motorola και η Texas Instruments λειτουργούσαν εκεί σημαντικές εγκαταστάσεις. Στη δεκαετία του 2000, η κατάρρευση των dotcom προκάλεσε την ενοποίηση του κλάδου και τη στροφή σε εγκαταστάσεις παραγωγής με χαμηλότερο κόστος στην ανατολική Ασία. Η εγχώρια ικανότητα του Ηνωμένου Βασιλείου σχεδόν εξαλείφθηκε.
Αλλά η βρετανική βιομηχανία ημιαγωγών ανακάμπτει αθόρυβα. Ένα νέο κύμα εταιρειών επικεντρώνεται σε μικροτσίπ σχεδιασμένα για την τεχνολογία καθαρής ενέργειας. Αυτά τα τσιπ τροφοδοτούν ηλεκτρικά οχήματα και είναι ζωτικής σημασίας για την ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο δίκτυο. Χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως στα κέντρα δεδομένων.
Ενώ τα περισσότερα μικροτσίπ βασίζονται στο στοιχείο πυρίτιο, αυτά τα νέα τσιπ κατασκευάζονται από «σύνθετους» ημιαγωγούς: καρβίδιο του πυριτίου (SiC) και νιτρίδιο του γαλλίου (GaN).
Οι χημικές ενώσεις SiC και GaN προσφέρουν μια σειρά από ελκυστικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της ικανότητας να διεξάγουν αποτελεσματικά ηλεκτρικό ρεύμα σε υψηλές θερμοκρασίες και να αντέχουν ηλεκτρικά πεδία πάνω από εννέα φορές ισχυρότερα από αυτά που μπορεί να αντέξει το πυρίτιο από μόνο του πριν καταρρεύσει.
Αυτό επιτρέπει στα τσιπ SiC να είναι εννέα φορές λεπτότερα από τα αντίστοιχα τσιπ πυριτίου. Αυτό με τη σειρά του οδηγεί σε χαμηλότερη αντίσταση στο ηλεκτρικό ρεύμα στις συσκευές στις οποίες χρησιμοποιούνται - που μεταφράζεται σε μεγαλύτερη αποδοτικότητα.
Αν γνωρίζετε πόσο μπορεί να ζεσταθεί ένας φορτιστής τηλεφώνου ή φορητού υπολογιστή, έχετε βιώσει την εμπειρία της αναποτελεσματικής μετατροπής ισχύος. Αυτή η θερμότητα είναι το αποτέλεσμα των τσιπ πυριτίου που αλλάζουν χιλιάδες φορές ανά δευτερόλεπτο για να μετατρέψουν έναν τύπο ηλεκτρικού ρεύματος, γνωστό ως AC, σε έναν άλλο, που ονομάζεται DC.
Στην περίπτωση των φορτιστών, τα 230 βολτ (V) σε εναλλασσόμενο ρεύμα από την πρίζα μετατρέπονται σε 19 V σε συνεχές ρεύμα που χρειάζεται η μπαταρία ενός φορητού υπολογιστή - με κάποια ενέργεια να χάνεται ως θερμότητα. Οι διατάξεις SiC και GaN αλλάζουν γρηγορότερα από τις αντίστοιχες διατάξεις πυριτίου και διαχέουν λιγότερη ενέργεια ως απορριπτόμενη θερμότητα.
Αυτό τις καθιστά ιδανικές για υψηλής απόδοσης, συμπαγή και ενεργειακά αποδοτικά συστήματα φόρτισης. Οι φορτιστές τοίχου με βάση το GaN γίνονται πλέον συνήθεις και είναι μικρότεροι, ελαφρύτεροι και πιο αποδοτικοί.
Αυτή η αύξηση της απόδοσης είναι ζωτικής σημασίας και για τα ηλεκτρικά οχήματα, στα οποία ένας μεγάλος μετατροπέας ισχύος μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια συνεχούς ρεύματος που προέρχεται από τις μπαταρίες σε ηλεκτρική ενέργεια εναλλασσόμενου ρεύματος, όπως απαιτείται από τον ηλεκτροκινητήρα. Οι μετατροπείς ισχύος με βάση το SiC μπορούν να μειώσουν την ενέργεια που χάνεται από αυτόν τον μετατροπέα κατά πάνω από 60%, μια εξοικονόμηση που σημαίνει ότι η εμβέλεια του αυτοκινήτου μπορεί να επεκταθεί έως και 5%.
Η παραγωγή SiC και GaN απαιτεί πολύπλοκες, δαπανηρές και ενεργοβόρες διαδικασίες κατασκευής. Μόνο στη δεκαετία του 2010 ήταν δυνατό να παραχθούν υλικά όπως αυτά στην κλίμακα και στο κόστος που απαιτούνται για τη μαζική υιοθέτηση στην αγορά. Το καρβίδιο του πυριτίου, για παράδειγμα, πρέπει να αναπτυχθεί κάτω από ακραίες θερμοκρασίες και πιέσεις κατά τη διάρκεια μιας εβδομάδας, σχηματίζοντας έναν μικρό κυλινδρικό κρύσταλλο - ή μπουλέ - μήκους συχνά μικρότερου των 5 εκατοστών.
Αντίθετα, για την προμήθεια πυριτίου για τσιπ, ράβδοι πυριτίου μήκους ενός μέτρου βγαίνουν συνεχώς από μια δεξαμενή λιωμένου πυριτίου, γνωστή ως τήγμα. Αυτή η θεμελιώδης διαφορά οδηγεί στη διαφορά κόστους: Τα τσιπ SiC παραμένουν περίπου τρεις φορές ακριβότερα από τα αντίστοιχα τσιπ πυριτίου, γεγονός που αποτελεί πρόκληση για την ευρεία υιοθέτηση. Παρόλα αυτά, τα τσιπ SiC παραμένουν ζωτικής σημασίας για συγκεκριμένες εφαρμογές.
Νέοι βιομηχανικοί κόμβοι
Τον Μάρτιο του 2024, η αμερικανική Vishay Intertechnology εξαγόρασε το Newport Wafer Fab - ένα από τα τελευταία μεγάλα εργοστάσια ημιαγωγών στο Ηνωμένο Βασίλειο - έναντι 177 εκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ (132 εκατομμυρίων λιρών). Τον Μάρτιο του 2025, ανακοίνωσε περαιτέρω επενδύσεις ύψους 250 εκατομμυρίων λιρών για την επέκταση της παραγωγής, τον εκσυγχρονισμό του εξοπλισμού και την αύξηση του εργατικού δυναμικού στις εγκαταστάσεις της Ουαλίας. Διασώθηκαν περίπου 400 θέσεις εργασίας.
Η εστίαση στο Νιούπορτ θα δοθεί στους σύνθετους ημιαγωγούς, ξεκινώντας με τσιπ SiC που προορίζονται για ηλεκτρικά οχήματα, κέντρα δεδομένων και βιομηχανικές εφαρμογές. Σε επίπεδο δυναμικότητας, χιλιάδες πλακίδια καρβιδίου του πυριτίου, ή δίσκοι, θα επεξεργάζονται κάθε μήνα. Από αυτούς τους δίσκους κόβονται τα τσιπ. Με διάμετρο 200 χιλιοστά, κάθε δίσκος θα παράγει αρκετά τσιπ SiC για την προμήθεια περισσότερων από 15 μετατροπέων ισχύος ηλεκτρικών οχημάτων.
Η κατασκευή τσιπ έχει επίσης επιστρέψει στο Silicon Glen. Στο Lochgelly του Fife, η Clas-SiC Wafer Fab ιδρύθηκε το 2017 και παράγει και αυτή τσιπ SiC. Η επεξεργασία που πραγματοποιείται στο Lochgelly είναι παρόμοια με εκείνη της Vishay, με τη διαφορά ότι η Clas-SiC λειτουργεί αυτό που είναι γνωστό ως μοντέλο χυτηρίου, παράγοντας συσκευές σύμφωνα με τα σχέδια διεθνών πελατών. Το μοντέλο αυτό διαχωρίζει τις πτυχές του σχεδιασμού και της κατασκευής της βιομηχανίας τσιπ.
Οι σύνθετοι ημιαγωγοί διαδραματίζουν επίσης κρίσιμο ρόλο στην εθνική ασφάλεια. Το Υπουργείο Άμυνας του Ηνωμένου Βασιλείου πραγματοποίησε πρόσφατα σημαντικές επενδύσεις σε ημιαγωγούς του Ηνωμένου Βασιλείου. Μία από αυτές αποσκοπεί στην εξασφάλιση της εγχώριας προμήθειας τσιπ αρσενικούχου γαλλίου και νιτριδίου γαλλίου, τα οποία είναι ζωτικής σημασίας για τα συστήματα ραντάρ και τα μαχητικά αεροσκάφη.
Η έρευνα παγκόσμιας κλάσης στα πανεπιστήμια του Ηνωμένου Βασιλείου είναι θεμελιώδης για ιστορίες επιτυχίας όπως αυτές. Περισσότερο από μια δεκαετία συντονισμένων δημόσιων επενδύσεων - ιδιαίτερα κατά τη δεκαετία του 2010 - βοήθησε στη δημιουργία παγκοσμίως αναγνωρισμένης ακαδημαϊκής εμπειρογνωμοσύνης.
Στο Πανεπιστήμιο του Warwick, για παράδειγμα, η ομάδα μας ηγείται των εθνικών προσπαθειών για την ανάπτυξη της επόμενης γενιάς διατάξεων SiC. Επικεντρωνόμαστε σε διατάξεις ισχύος υπερυψηλής τάσης για χρήση στα τρένα και τα πλοία του μέλλοντος, μαζί με το δίκτυο και σε ηλεκτρονικά ισχύος ανθεκτικά στην ακτινοβολία για το διάστημα, με χρηματοδότηση από τη στρατηγική ημιαγωγών της κυβέρνησης του Ηνωμένου Βασιλείου.
Καθώς η κυβέρνηση του Ηνωμένου Βασιλείου επιδιώκει να προωθήσει την ανάπτυξη μέσω της καθαρής ενέργειας και της προηγμένης μεταποίησης, η πρόσφατη στήριξή της στον τομέα αυτό μέσω της στρατηγικής ημιαγωγών του Ηνωμένου Βασιλείου ήταν σημαντική. Η επικείμενη βιομηχανική στρατηγική αποτελεί σαφή ευκαιρία για την αξιοποίηση αυτής της δυναμικής.
Η πρόκληση μπροστά μας είναι να διασφαλίσουμε ότι η επόμενη γενιά τεχνολογιών σύνθετων μικροτσίπ - που αναπτύχθηκαν σε πανεπιστήμια και εργαστήρια του Ηνωμένου Βασιλείου - μπορεί να αναπτυχθεί και να επεκταθεί εδώ στο Ηνωμένο Βασίλειο και όχι στο εξωτερικό.
* O Peter Gammon είναι Καθηγητής Ηλεκτρονικών Συσκευών Ισχύος, Πανεπιστήμιο του Warwick. Το άρθρο τους αναδημοσιεύεται αυτούσιο στο Liberal, μέσω άδειας Creative Commons από τον ιστότοπο TheConversation.
