جزئیات وبلاگ

نیمه هادی ها ستون فقرات نامرئی تمدن مدرن هستند از گوشی های هوشمند و وسایل نقلیه الکتریکی تا محاسبات ابری و هوش مصنوعیتقریبا هر تکنولوژی حیاتی به نوآوری نیمه هادی بستگی داردبا این حال، این صنعت در حال ورود به یک مرحله جدید است که فراتر از ساخت تراشه های کوچکتر و سریعتر است.

به جای اینکه تنها توسط مقیاس گذاری ترانزیستورها هدایت شود، دهه آینده پیشرفت نیمه هادی توسط چهار ستون متقابل شکل خواهد گرفت:

1. مواد نیمه هادی نسل سوم

2. تراشه های پیشرفته محاسباتی برای هوش مصنوعی

3. تراشه های ارتباطی فرکانس رادیویی (RF)

4. حافظه پهنای باند بالا (HBM)

با هم، این چهار حوزه دوباره تعریف می کنند که چگونه انرژی مدیریت می شود، چگونه هوش محاسبه می شود، چگونه اطلاعات منتقل می شود و چگونه داده ها ذخیره می شوند.

1نیمه هادی های نسل سوم: پایه های عصر انرژی و هوش مصنوعی

برای دهه ها، سیلیکون (Si) بر صنعت نیمه هادی تسلط داشته است. فراوانی، هزینه پایین و اکوسیستم تولید بالغ آن باعث ظهور کامپیوترهای شخصی، دستگاه های تلفن همراه،و اينترنتبا این حال، به عنوان صنایع به سمت برق، انرژی های تجدید پذیر و محاسبات با عملکرد بالا تغییر می کنند، سیلیکون به تنهایی دیگر کافی نیست.

این امر منجر به ظهور نیمه هادی های باند گپ گسترده شده است، عمدتاً کربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیوم (GaN) ، که به طور جمعی به عنوان نیمه هادی های نسل سوم شناخته می شوند.

تکامل مواد نیمه هادی

• نسل اول سیلیکون (Si):

  • تکنولوژی بالغ

  • هزینه پایین و قابلیت اطمینان بالا

  • مناسب برای برنامه های ولتاژ پایین تا متوسط و فرکانس

• نسل دوم گالیوم آرسنید (GaAs):

  • عملکرد فرکانس بالا

  • به طور گسترده ای در ارتباطات بی سیم، ماهواره ها و اپتوالکترونیک استفاده می شود

• نسل سوم SiC و GaN:

  • فاصله بسیار گسترده تر از سیلیکون

  • ولتاژ وقفه بالاتر

  • ثبات حرارتی بهتر

  • از دست دادن انرژی کمتر

  • ایده آل برای وسایل نقلیه الکتریکی، انرژی های تجدید پذیر و وسایل الکترونیکی با قدرت بالا

کربید سیلیکون (SiC): قدرت انقلاب الکتریکی

SiC دارای فاصله ی باند حدود سه برابر سیلیکون و یک میدان الکتریکی تجزیه تقریباً ده برابر بیشتر است. این به آن چندین مزیت می دهد:

• بهره وری بالاتر در تبدیل قدرت

• دستگاه های کوچک تر و سبک تر

• مقاومت بهتر در برابر حرارت

• کاهش تلفات انرژی در سیستم های ولتاژ بالا

در نتیجه، SiC تبدیل به یک ماده کلیدی در:

• اینورترهای خودروهای الکتریکی

• اینورترهای انرژی خورشیدی

• سیستم های انرژی بادی

• زیرساخت های شارژ سریع

• شبکه های هوشمند

شرکت های بزرگ جهانی در حال حاضر در حال رقابت برای گسترش هستندوافرهاي سي سي 8 اينچي تولید، که برای کاهش هزینه ها و پذیرش گسترده بسیار مهم است. در حالی که رهبری اولیه از ایالات متحده، ژاپن و اروپا آمد، تولید کنندگان چینی به سرعت در حال پیشرفت هستند،ساخت SiC به یک صنعت استراتژیک واقعا جهانی.

نیترید گالیوم (GaN): الکترونیک قدرت با سرعت بالا و کارایی بالا

GaN حتی تحرک الکترونی بالاتر از SiC را ارائه می دهد، که آن را به ویژه برای:

• مراکز داده

• شارژرهای سریع

• ایستگاه های پایه 5G

• سیستم های انرژی تجدید پذیر

با این حال، GaN هنوز در مقایسه با SiC با چالش های مدیریت حرارتی روبرو است. با این حال، بازار آن به شدت سریع در حال رشد است، به ویژه در الکترونیک مصرفی و دستگاه های قدرت فرکانس بالا.

به طور کلی، نیمه هادی های نسل سوم تنها پیشرفت های تدریجی نیستند، بلکه نشان دهنده تغییر ساختاری در نحوه مدیریت انرژی در اقتصاد جهانی هستند.

2تراشه های پیشرفته محاسباتی: موتور هوش مصنوعی

هوش مصنوعی اساساً یک مشکل محاسباتی است. پیشرفت سریع یادگیری عمیق نه تنها با الگوریتم های بهتر بلکه با سخت افزار قدرتمندتر امکان پذیر شده است.

امروزه، GPU ها به دلیل توانایی پردازش موازی خود به پلت فرم غالب آموزش هوش مصنوعی تبدیل شده اند.

در مقایسه با CPU های سنتی، GPU ها می توانند هزاران عملیات را به طور همزمان پردازش کنند، که آنها را برای شبکه های عصبی و پردازش داده در مقیاس بزرگ ایده آل می کند.

روند اصلی در تراشه های پیشرفته محاسباتی عبارتند از:

• عملکرد بالاتر در وات

• حافظه بزرگتر در تراشه و خارج از تراشه

• شتاب دهنده های هوش مصنوعی تخصصی تر

• ادغام نزدیک تر بین محاسبات و حافظه

در آینده، احتمالاً خواهیم دید:

• تراشه های هوش مصنوعی سفارشی بیشتر (ASIC)

• پردازنده های هوش مصنوعی کم مصرف

• معماری های ترکیبی ترکیبی از شتاب دهنده های CPU، GPU و AI

این بدان معنی است که نوآوری نیمه هادی به طور فزاینده ای توسط نیازهای هوش مصنوعی به جای الکترونیک مصرفی هدایت می شود.

3تراشه های ارتباطات RF: اتصال همه چیز به صورت بی سیم

تکنولوژی فرکانس رادیویی (RF) ستون فقرات ارتباطات بی سیم است.

• شبکه های 5G و آینده 6G

• ارتباطات ماهواره ای

• سیستم های رادار

• اینترنت اشیاء (IoT)

• وسایل نقلیه مستقل

مدارهای یکپارچه RF (RFICs) اجزای کلیدی مانند تقویت کننده ها، فیلترها و ماژولاتورها را در یک تراشه واحد ادغام می کنند، عملکرد را بهبود می بخشند در حالی که اندازه و مصرف برق را کاهش می دهند.

مسیرهای آینده برای تراشه های RF عبارتند از:

• فرکانس های عملیاتی بالاتر (موج میلی متری و فراتر از آن)

• مصرف برق کمتر

• ادغام بیشتر با پردازش دیجیتال

• ترکیب ارتباطات و حس

این به این معنی است که تراشه های RF نه تنها داده ها را انتقال می دهند بلکه سیستم های ادراک پیشرفته را در شهرهای هوشمند، رباتیک و رانندگی خودکار فعال می کنند.

4حافظه پهنای باند بالا (HBM): شکستن تنگنای داده های هوش مصنوعی

همانطور که مدل های هوش مصنوعی بزرگتر می شوند، سرعت حرکت داده ها به همان اندازه قدرت محاسباتی خام مهم می شود. فن آوری های حافظه سنتی دیگر برای سیستم های پیشرفته هوش مصنوعی کافی نیستند.

حافظه پهنای باند بالا (HBM) این مشکل را با قرار دادن چندین لایه DRAM به صورت عمودی حل می کند و یک مسیر داده بسیار سریع تر بین حافظه و پردازنده ایجاد می کند.

مزایای HBM شامل:

• نرخ انتقال داده های بسیار بالا

• مصرف برق کمتر

• تاخیر کاهش یافته

• طراحی جمع و جور

در نتیجه، HBM تبدیل به تکنولوژی حافظه استاندارد برای GPU های پیشرفته مورد استفاده در مراکز داده و ابر رایانه های هوش مصنوعی شده است.

در سال های آینده، انتظار می رود تقاضا برای HBM در کنار سرمایه گذاری AI در سراسر جهان افزایش یابد.

نتیجه گیری: یک الگوی نیمه هادی جدید

آینده نیمه هادی ها با یک پیشرفت مشخص نخواهد شد، بلکه با هم گره شدن چهار حوزه کلیدی مشخص خواهد شد:

• مواد، کارایی و دوام را تعیین می کنند (نیم رسانای نسل سوم)

• تراشه ها هوش را تعیین می کنند (تعجیل دهنده های هوش مصنوعی و GPU ها)

• RF اتصال را تعیین می کند (چیپ های ارتباطات بی سیم)

• حافظه عملکرد را تعیین می کند (HBM و ذخیره سازی پیشرفته)

کشورها و شرکت هایی که این چهار ستون را به خوبی مدیریت می کنند، عصر بعدی تکنولوژی را شکل می دهند، از انرژی پاک تا هوش مصنوعی، از شهرهای هوشمند تا سیستم های مستقل.