Для чего нужны полупроводники: Полупроводники — зачем нужны и почему важны?

Полупроводники — зачем нужны и почему важны?

#знания

Полупроводники — одна из самых недооцененных технологий. Объясняем, что это

#знания

Полупроводник — особый тип материала, который является основой для микрочипов. В статье разбираемся, как он устроен, и почему эта отрасль имеет решающее значение для всего мира.

Главной технологией 2021 года были далеко не метавселенные,

блокчейн

или танцующие

(псевдо)роботы

Илона Маска, недавно

писал

Wired. Ей оказалось то, что десятилетиями было скрыто от глаз, но продолжало двигать вперед целые индустрии — обычные кремниевые полупроводники. Те, что дали название

Кремниевой долине

, даже если сейчас она ассоциируется в основном с интернет-гигантами типа Amazon или Google, а не с производителями компьютеров вроде Intel.

Такой фокус на полупроводниках, которые существуют по меньшей мере полвека, связан с кризисом. Не успев оправиться после пандемии COVID-19 и карантинов, мир столкнулся с нехваткой этих полупроводников. Сыграли два фактора: во-первых, спрос на электронику при переходе на удаленку заметно вырос, во-вторых, на заводах по производству полупроводников работа временно останавливалась из-за аварий. Бум майнинга тоже размывал баланс спроса и предложения.

От кризиса пострадали буквально все отрасли. Хрестоматийный пример — автопром, ведь даже простые бензиновые машины содержат более 100 компонентов на основе этого материала, а продвинутые — свыше 1 000.

Дефицит полупроводников, как ожидается, сохранится до 2023–2024 года. Их производство сейчас в основном сосредоточено в Азии, в «большой четверке» стран: Китае, Японии, Южной Корее и на Тайване. Однако заводы начинают строить по всему миру, потому что правительство осознало важность локализации технологии, которая раньше казалась сама собой разумеющейся.

При этом в бытовом плане понимание того, что такое полупроводники, для некоторых остается загадкой. В этой статье объясняем значение слова «полупроводник» и саму технологию.

Полупроводник — это особый материал

Самый популярный пример такого материала — кремний, а также химические элементы германий, селен, теллур, мышьяк и другие. В определенных условиях они могут проводить больше электричества, чем изоляторы (например, стекло, резина), но меньше, чем чистые проводники (медь или алюминий). Свойства полупроводников, в том числе кремния, можно усилить путем легирования — добавления различных примесей в исходный материал.

Процесс их изготовления и подготовки для дальнейшей работы сложный, включает много этапов. Кристаллы сверхчистого монокристаллического кремния выращиваются по методу Чохральского из расплавленного поликристаллического кремния (который, в свою очередь, получают из мелкого белого песка или кварцевого песка, очищенного от 99,999999999% других элементов). Уже после этого кристалл режется на тонкие пластины.

Полупроводники обычно используются при создании электроники, если конкретнее — микросхем в ней. Поэтому иногда их называют просто чипами (хотя это обобщение и упрощение). Их основная задача, с учетом их свойств, — контролировать как, когда и куда будет двигаться поток электронов. Они могут усиливать сигнал, переключать его и преобразовывать.

Подробнее о том, как устроен полупроводник (если вы ощущаете себя ботаником)

Сначала вспомним определение электрического тока — это поток электронов, передающихся от одного атома вещества к другому. Структура, скажем, металлов такова, что в оболочках их атомов всегда есть пара свободных электронов, почти не связанных с ядром. Это значит, что они могут перемещаться внутри материала, делая его высоко проводимым для электричества. В изоляторах типа резины связь электронов с ядром атома очень прочная, поэтому ток они не проводят.

В полупроводниках свободных электронов тоже не очень много, но к ним можно «подсадить» с помощью легирования определенные атомы: трех- или пятивалентные:

• Так, если добавить к четырехвалентному кремнию пятивалентный мышьяк, атомы веществ вступят в ковалентную связь. Однако одному электрону атома мышьяка места не будет — он превратится в свободный электрон, который и будет переносить электрический ток (как в металлах). Итоговый материал называют полупроводником n-типа, а саму примесь в виде мышьяка — донорной.

• Если же добавить к кремнию трехвалентный бор или галлий, наоборот, у последних будет недоставать одного электрона, поэтому в результате реакции будет появляться положительно заряженный ион (в этом случае говорят, что образовалась «дырка»). Он и будет основным носителем заряда . Итоговый материал называют полупроводником p-типа, а примесь — акцепторной.

Из полупроводников «собираются» такие простые электронные компоненты как диод и транзистор. В первом случае речь идет о соединении полупроводников n- и p-типа, во втором — о соединении трех полупроводников (n-p-n или p-n-p). Из транзистора, диода и других компонентов обычно состоят более сложные микросхемы, то есть чипы (теперь логика чип = полупроводник должна быть более понятной).

Видео хорошо демонстрирует, насколько сложными бывают чипы:

Основные виды полупроводниковых чипов

Чипы памяти

Их задача — хранить и передавать данные другим частям компьютера. Есть два основных вида: оперативная (ОЗУ, RAM) — для временного хранения — и постоянная память (ПЗУ, ROM). У обоих есть вариации. Так, среди ROM выделяют: однократно программируемую (PROM), перепрограммируемую с помощью спецустройств (EPROM), электрически перепрограммируемую (EEPROM, к ней относится флеш-память) и другие. При этом основной спрос связан с четырьмя позициями: DRAM, Flash ROM, SRAM и MRAM.

Скоро могут появиться новые прорывные чипы. В начале 2022 года ученые из Ланкастерского университета в своей статье объявили, что почти готовы к массовому производству разработанной ими же UltraRAM. Она, по словам исследователей, будет сочетать энергонезависимость флэш-памяти со скоростью, энергоэффективностью и долговечностью DRAM (динамической оперативной памяти).

Основными лидерами в производстве чипов памяти сейчас являются Toshiba, Samsung и NEC из Японии и Южной Кореи, пишет Investopedia. Если же говорить о самой популярной DRAM, здесь к монополисту Samsung (который держит 43% рынка) добавляются конкуренты в лице корейской SK hynix и американской Micron Technology. За счет относительно низкой маржинальности бизнеса и высоких затрат (например, на строительство заводов) оставаться в нем под силу только гигантским корпорациям.

Для иллюстрации чипов памяти и их важности в современной технике предлагаем посмотреть рекламный ролик Samsung про DDR5:

Микропроцессоры

Центральный процессор (ЦПУ, CPU) — устройство, которое отвечает за выполнение операций, прописанных в машинном коде. Если проще — это то, что часто называют «сердцем» или «мозгом» компьютера, да и любой сложной техники. Может быть реализован в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких микросхем.

Первые процессоры появились более 50 лет назад, в 1968–1971 гг. За это время было создано несколько архитектур — принципов организации компонентов в процессорах. Сейчас в компьютерах используются в основном 32-х и 64-х разрядные чипы от Intel, AMD и IBM на архитектурах x86-64 и POWER, в мобильных устройствах применяется ARM. А вот в автомобилях и не очень требовательных чипах могут применяться 8-ми, 16-ти и 24-х разрядные микропроцессоры.

Обычно среди микропроцессоров отдельно выделяют графические процессоры (GPU), которые, например, отвечают за отображение графики на компьютерах. Они гораздо моложе, их массовая история началась где-то в 1999 году и позволила кратно увеличить производительность устройств, а также сделала возможным решение уникальных задач вроде майнинга криптовалюты.

Основными производителями графических процессоров часто называют NVIDIA и AMD. В контексте передовых решений это действительно так, но в общем случае это скорее заблуждение — более 60% рынка GPU до сих пор принадлежит компании Intel с их дискретной графикой Intel HD Graphics.

Подробное видео о создании центрального процессора от Intel:

Другие интегральные схемы

Обычно их используют для повторяющихся процедур в устройствах типа сканера штрих-кода или для автоматизации на производствах. Часто они заточены под одну конкретную задачу, в этом случае иногда говорят про ASIC — интегральные схемы специального назначения.

Например, есть ASIC для управления радиоканалом смартфона или чипы для майнинга биткоина — других функций у них, по сути, нет. К простым схемам также можно отнести программируемые вентильные матрицы (FPGA) — они настраиваются в соответствии со спецификациями производителя.

Отдельно можно выделить SoC — то есть «системы на кристалле». Все электронные компоненты SoC находятся на одном чипе и способны выполнять функции целого устройства (скажем, всего ПК), а в смартфонах — дополнительно содержать графический слой, камеру, слой обработки аудио- и видео и так далее. Хороший пример таких систем — серия Apple silicon, которая используется в технике Apple.

Спрос на потребительские товары с широким функционалом и низкой ценой растет. При этом рынок памяти и процессоров давно занят, на нем остались, можно сказать, монополисты. Поэтому сейчас сегмент «систем на кристалле» остался, возможно, единственным дружелюбным для новых компаний, считают некоторые эксперты.

Чего ждать в производстве чипов глобально

Самые современные полупроводниковые компоненты выпускают три корпорации: TSMC на Тайване, Samsung в Южной Корее и Intel в США. Причем последние,

судя по всему

, отстают не только в плане объемов (доля США в мировом производстве микросхем упала с 37% в 1990-м до 12% в 2021 году, по

данным

SIA), но и в техническом плане.

При этом производство чипов имеет решающее значение не только в базовых отраслях, но и в направлениях, которые являются ключом к экономическому и стратегическому лидерству: искусственный интеллект, 5G, робототехника.

Поэтому в США ждет одобрения законопроект стоимостью $55 миллиардов для поддержки местной индустрии, а ЕС может выделить более €43 миллиардов, чтобы к 2030 году производить в Европе 20% всех микросхем в мире (сейчас показатель не больше 10%). Однако, по крайней мере в плане обещаний, лидирует Китай — они планируют потратить на развитие отрасли $150 миллиардов — и Южная Корея, которая готова инвестировать $451 миллиард за 10 лет.

О будущем России в этой сфере недавно писал Forbes. Такие отечественные полупроводники как «Байкал» и «Эльбрус» целиком зависели от компонентов тайваньской TSMC. Новых поставщиков пока не нашлось, а собственные технологии еще не готовы их заменить.

Многие компании (в основном IT-корпорации) пытаются создавать чипы самостоятельно, чтобы меньше зависеть от упомянутых выше монополистов. Большое внимание сейчас уделяется графическим процессорам, потому что они лучше подходят для задач искусственного интеллекта. Среди тех, кто ведет разработки — Apple, Amazon, Alphabet (Google), Microsoft и

даже Tesla

.

Однако все это может только снизить число инноваций, считает профессор Массачусетского технологического института Нил Томпсон, потому что делает технологию более разрозненной (знаменитый закон Мура об экспоненциальном росте мощности чипов каждые 24 месяца уже не работает). С другой стороны, не исключено, что ИИ, ради которых сейчас создают новые чипы, скоро будет проектировать их сам.

Подписывайтесь на Интерсвязь в социальных сетях!

19.05.2022

Как будет выглядеть человек через 10 000 лет?

12. 05.2022

9 напряженных сериалов по мотивам подкастов

05.05.2022

Узнай, кто звонил. Приложения против мошенников и спама

28.04.2022

Игры, в которых можно заработать: как они устроены?

21.04.2022

7 востребованных языков программирования

14.04.2022

Про квантовые компьютеры простыми словами

07.04.2022

ТОП-5 случаев мошенничества в интернете в 2022 году

31.03.2022

Правда или фейк? 12 мифов про гаджеты, в которые все верят

19.05.2022

Как будет выглядеть человек через 10 000 лет?

Люди будущего будут такими же высокими, как голландцы, а жить будут долго и счастливо, полагают ученые.

12.05.2022

9 напряженных сериалов по мотивам подкастов

Некоторые подкасты не обязательно слушать — можно смотреть.

05.05.2022

Узнай, кто звонил. Приложения против мошенников и спама

Изучаем все варианты защиты от спама с их плюсами и минусами

28.04.2022

Игры, в которых можно заработать: как они устроены?

Изучаем экономику P2E-игр на примере Axie Infinity, Splinterlands и Alien Worlds и считаем прибыль

21. 04.2022

7 востребованных языков программирования

От Python до Golang и R — помогаем новичкам разобраться, какой язык учить и для чего он обычно используется

14.04.2022

Про квантовые компьютеры простыми словами

Решаем задачу про волка, козу и капусту с помощью квантового компьютера и подбрасываем монетку

07.04.2022

ТОП-5 случаев мошенничества в интернете в 2022 году

Обещания высокой доходности, победа в конкурсах и различные виды социальной инженерии.

31.03.2022

Правда или фейк? 12 мифов про гаджеты, в которые все верят

Новый тест поможет разобраться, как все-таки правильно заряжать телефон и пользоваться браузером

Полупроводники — Будущее на vc.ru

242
просмотров

Под «полупроводниками» подразумевают критически важные компоненты миллионов электронных устройств, используемых в сферах образования, здравоохранения, транспорта, энергетики, связи, в научных исследованиях и многих других отраслях.

Современные персональные компьютеры, смартфоны, автомобили, серверы для центров обработки данных, игровые приставки — во всех этих устройствах полупроводниковые компоненты отвечают как за основные, так и за расширенные функции. Например, когда мы бронируем отель, ищем хороший ресторан, ведем потоковую трансляцию или читаем электронную почту на своем компьютере, построенные из полупроводниковых элементов центральный и графический процессоры компьютера осуществляют вычислительные функции, которые мгновенно преобразуют вопросы в ответы.

С экономической точки зрения полупроводники и полупроводниковое оборудование — это индустрия в составе сектора информационных технологий. При всём при этом, индустрия достаточно цикличная.

Рассмотрим рисунок 1, на котором отражена динамика выпуска полупроводников в США с 1988 года по 2020. Невооружённым глазом видны сильные изменения в выпуске, чередование волн спада и роста.

Рисунок 1

Более характерно цикличность продемонстрирована на втором графике, где отражена процентная динамика по отношению к прошлому году. Только в последние годы производство относительно стабильное, хотя раньше динамика могла достигать от +50% до -20% год к году.

Рисунок 2

При всём при этом, присутствует явная сезонность. В первом квартале происходит регулярное снижение объёмов производства, а в третьем квартале производство всегда сильно растёт, что и заметно на таблицах ниже.

Рисунок 3

Вся описанная выше динамика имеет вполне логичные причины. Полупроводники сами по себе не имеют большой ценности, так как они приобретаются в роли комплектующих для потребительской электроники, промышленного оборудования, автомобильной промышленности и так далее. В связи с этим, спрос на полупроводники возникает в наиболее важные периоды продаж смежных отраслей, которыми, зачастую, являются третий и четвёртый квартал, так как в эти периоды проходят многие национальные праздники, каникулы и распродажи. В первом же квартале спрос утихает и производство снижается

Важная особенность — с течением развития технологий капиталоёмкость снижается, что видно на графике, отражающем долю капитальных затрат в отрасли полупроводников. Получается, что стоимость внедрения новых полупроводниковых технологий ниже, чем многими годами раннее, а это может быть вызвано как ростом количества специалистов, так и большей фондоотдачей используемого в производстве оборудования.

Рисунок 4

Однако же на основании данных IC Insights, в 2021 году капитальные затраты компаний выросли на треть. Правда, остаётся открытым вопрос, смогут ли капитальные затраты, впоследствии влекущие за собой рост производства, удовлетворить высокий растущий спрос на полупроводники со стороны производителей электромобилей, облачных систем, создателей метавселенных, майнеров, 5G и других.

Что было в 2020

Распространение COVID-19 в 2020 году оказало негативное влияние на многие сектора мировой экономики, однако рынок полупроводников показал хорошие результаты. Спрос со стороны промышленности был неравномерным в течение года из-за глобальных ограничений, перехода людей на удаленную работу, сдвигов в потребительском поведении.

По данным исследования от International Data Corporation (IDC), мировой доход от полупроводников вырос до 464 миллиардов долларов в 2020 году, увеличившись на 10,8% по сравнению с 2019 годом. Рынок полупроводников в вычислительных системах, таких как ПК и серверы, опередил общий рынок полупроводников, увеличившись на 17,3% в годовом исчислении до 160 миллиардов долларов в 2020 году. Рост производства полупроводников для мобильных телефонов был устойчивым.

«Поставки мобильных телефонов упали более чем на десять процентов в 2020 году, но доходы от полупроводников для мобильных телефонов выросли на 9,1 % благодаря переходу на более дорогие полупроводники 5G, большему объему памяти в телефонах, датчикам и РЧ-поддержке большего количества диапазонов спектра», — сказал Фил Солис, директор по исследованиям Connectivity and Smartphone Semiconductors.

Сегмент рынка потребительских полупроводников восстановился в 2020 году. Высокие продажи игровых консолей, планшетов, беспроводных наушников и наушников, умных часов и устройств потокового мультимедиа способствовали росту сегмента на 7,7% в годовом исчислении до 60 миллиардов долларов. «Apple, AMD и Intel продемонстрировали исключительный рост по мере того, как потребители обновляли свое цифровое пространство дома, — сказал Руди Торрихос, менеджер по исследованиям Consumer Semiconductors.

Однако пандемия COVID-19 повлекла за собой глобальный дефицит полупроводников из-за повышенного спроса и отсутствия быстрой возможности повысить мощность производства, в том числе из-за дефицита квалифицированных трудовых ресурсов. Особенно сильно это отразилось на автопроме, вынудив мировых автогигантов сильно сократить производство. По данным IDC и Gartner, это затронуло и производителей других видов техники, например ПК.

Одним из признаков серьезных проблем нехватки микросхем в мире стала задержка производства Apple. Компании пришлось отложить выпуск некоторых моделей MacBook и iPad на целых полгода.

Чего ожидаем в 2022?

На фоне расширения планов по капитальным затратам и расходам на НИОКР у крупнейших технологических компаний, будет сохранён высокий спрос на жёсткие диски, чипы памяти и новые чипы для решений искусственного интеллекта, а также радио чипы, которые будут нужны телекоммуникационным компаниям.

При этом растёт и предложение на фоне роста капитальных затрат и новых программ расширения у полупроводниковых компаний, в частности, Texas Instruments, NXP, Microchip and Analog Devices.

Это в перспективе может выровнять баланс спроса и предложения и частично снизить давление дефицита полупроводников на смежные сектора экономики.

На наш взгляд, компании полупроводниковой отрасли могут остаться в лучшем положении, чем представители других индустрий в 2022 году, поскольку остающийся высокий спрос на продукты индустрии, рост производственных мощностей, а также новые тренды из сферы 5G, искусственного интеллекта, метавселенных, биг дата могут сдержать решение проблемы дефицита полупроводников в ближайшей перспективе, однако, поможет многим полупроводниковым компаниям повысить собственные финансовые результаты в текущем году.

В следующих статьях мы будем рассматривать полупроводники по отраслям. Понравилась данная статья? Подписывайтесь на нашу страничку, чтобы не пропустить выход новых.

Список использованных источников:

1. Доклад Semiconductors Industry Association. State of the U.S. Semiconductor Industry (дата обращения: 17.01.2022).

2. FRED. Federal Reserve Economic Data (дата обращения: 17.01.2022).

3. Susquehanna financial group on Bloomberg.

Максим Солдатенков

Аналитик фондового рынка A.Invest

Что такое полупроводник и для чего он используется?

К

• Эндрю Золя

Что такое полупроводник?

Полупроводник — это вещество, обладающее особыми электрическими свойствами, которые позволяют ему служить основой для компьютеров и других электронных устройств. Обычно это твердый химический элемент или соединение, которое проводит электричество при определенных условиях, но не проводит электричество при других. Это делает его идеальной средой для управления электрическим током и повседневными электроприборами.

Вещество, которое может проводить электричество, называется проводником, а вещество, которое не может проводить электричество, называется изолятором. Полупроводники обладают свойствами, которые находятся между проводником и изолятором. Диод, интегральная схема (ИС) и транзистор сделаны из полупроводников.

Проводимость может варьироваться в зависимости от тока или напряжения, подаваемого на управляющий электрод, или от интенсивности облучения инфракрасным (ИК), видимым светом, ультрафиолетовым или рентгеновским излучением. Конкретные свойства полупроводника зависят от добавленных в него примесей, известных как примеси.

Как работают полупроводники?

Большинство полупроводников состоят из кристаллов, состоящих из нескольких материалов. Чтобы лучше понять, как работают полупроводники, пользователи должны понимать атомы и то, как электроны организуются внутри атома. Электроны располагаются в слоях, называемых оболочками внутри атома. Самая внешняя оболочка атома известна как валентная оболочка.

Электроны этой валентной оболочки образуют связи с соседними атомами. Такие связи называются ковалентными. Большинство проводников имеют только один электрон на валентной оболочке. Полупроводники, с другой стороны, обычно имеют четыре электрона в своей валентной оболочке.

Однако, если соседние атомы имеют одинаковую валентность, электроны могут связываться с валентными электронами других атомов. Всякий раз, когда это происходит, атомы организуются в кристаллические структуры. Мы делаем большинство полупроводников с такими кристаллами, в основном с кремниевыми кристаллами.

Интегральные схемы, такие как микросхемы, состоят из полупроводниковых материалов.

В чем разница между полупроводниками N-типа и P-типа?

Полупроводник N-типа проводит ток в основном в виде отрицательно заряженных электронов, подобно проводимости тока в проводе. Полупроводник P-типа переносит ток преимущественно в виде дефицита электронов, называемого дырками. Дырка имеет положительный электрический заряд, равный и противоположный заряду электрона. В полупроводниковом материале поток дырок происходит в направлении, противоположном потоку электронов.

Элементарные полупроводники включают сурьму, мышьяк, бор, углерод, германий, селен, кремний, серу и теллур. Кремний – наиболее известный из них, составляющий основу большинства интегральных схем.

Обычные полупроводниковые соединения включают арсенид галлия, антимонид индия и оксиды большинства металлов. Мы также широко используем арсенид галлия (GaAs) в малошумящих устройствах с высоким коэффициентом усиления и слабого сигнала.

Полупроводниковое устройство может выполнять функцию оригинальной вакуумной лампы, но с объемом в сотни раз больше. Подобно микропроцессорному чипу, одна ИС может выполнять работу набора вакуумных ламп, которые заполнили бы большое здание и потребовали бы собственной электростанции.