Bloggegevens

Halvegeleiders zijn de onzichtbare ruggengraat van de moderne beschaving.Bijna elke kritieke technologie is afhankelijk van halfgeleiderinnovatie.De industrie gaat echter nu een nieuwe fase in die verder gaat dan alleen maar chips kleiner en sneller maken.

In plaats van uitsluitend te worden gedreven door transistor-scaling, zal het volgende decennium van de progressie van halfgeleiders worden gevormd door vier onderling verbonden pijlers:

1. Derde generatie halfgeleidermaterialen

2. Geavanceerde computerchips voor AI

3. Radiofrequentie (RF) -communicatiechips

4. High-Bandwidth Memory (HBM)

Samen zullen deze vier domeinen opnieuw definiëren hoe energie wordt beheerd, hoe intelligentie wordt berekend, hoe informatie wordt doorgegeven en hoe gegevens worden opgeslagen.

1Derde generatie halfgeleiders: de basis van het energietijdperk en AI

De overvloed, de lage kosten en het rijpe productie-ecosysteem van silicium hebben de opkomst van personal computers, mobiele apparaten,en het internetMaar naarmate de industrie zich richt op elektrificatie, hernieuwbare energie en high-performance computing, is silicium alleen niet meer voldoende.

Dit heeft geleid tot de opkomst van breedbandgap halfgeleiders, voornamelijk siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN), gezamenlijk bekend als halfgeleiders van de derde generatie.

Evolutie van halfgeleidermaterialen

• Eerste generatie Silicium (Si):

  • Volwassen technologie

  • Lage kosten en hoge betrouwbaarheid

  • Geschikt voor toepassingen met lage tot middelmatige spanning en frequentie

• Tweede generatie Gallium Arsenide (GaAs):

  • Superieure hoogfrequente prestaties

  • Veel gebruikt in draadloze communicatie, satellieten en opto-elektronica

• Derde generatie SiC en GaN:

  • Veel breder bandgap dan silicium

  • Een hogere onderbrekingsspanning

  • Betere thermische stabiliteit

  • Minder energieverlies

  • Ideaal voor elektrische voertuigen, hernieuwbare energie en elektronica met een hoog vermogen

Siliciumcarbide (SiC): de aanjager van de elektrische revolutie

SiC heeft een bandgap van ongeveer drie keer die van silicium en een afbraak elektrisch veld ongeveer tien keer hoger.

• Een hogere efficiëntie bij de omzetting van energie

• Kleine en lichtere aandrijfinstallaties

• Betere hittebestendigheid

• Minder energieverlies in hoogspanningssystemen

Als gevolg hiervan wordt SiC een belangrijk materiaal in:

• Inverters voor elektrische voertuigen

• Zonne-energie-omvormers

• Windenergiesystemen

• Infrastructuur voor snel opladen

• Slimme netwerken

Grote internationale bedrijven zijn nu aan het racen om uit te breiden8 inch SiC-wafer Hoewel de eerste leiders uit de VS, Japan en Europa kwamen, maken Chinese fabrikanten snel vooruitgang.Het maken van SiC tot een echt wereldwijde strategische industrie.

Galliumnitrium (GaN): High-Speed en High-Efficiency Power Electronics

GaN biedt zelfs een hogere elektronenmobiliteit dan SiC, waardoor het vooral aantrekkelijk is voor:

• Datacenters

• Vinnige opladers

• 5G-basisstations

• Systemen voor hernieuwbare energie

GaN wordt echter nog steeds geconfronteerd met uitdagingen op het gebied van thermisch beheer in vergelijking met SiC. Ondanks dit groeit de markt ervan extreem snel, met name in consumentenelektronica en hoogfrequente energieapparaten.

Over het algemeen zijn halfgeleiders van de derde generatie niet alleen incrementele verbeteringen, ze vertegenwoordigen een structurele verschuiving in de manier waarop energie in de wereldeconomie wordt beheerd.

2Geavanceerde computerchips: de motor van kunstmatige intelligentie

De snelle vooruitgang van deep learning is niet alleen mogelijk gemaakt door betere algoritmen, maar ook door krachtigere hardware.

Tegenwoordig zijn GPU's (Graphics Processing Units) het dominante platform geworden voor AI-opleiding vanwege hun parallelle verwerkingskracht.

In vergelijking met traditionele CPU's kunnen GPU's duizenden bewerkingen tegelijkertijd verwerken, waardoor ze ideaal zijn voor neurale netwerken en grootschalige gegevensverwerking.

Belangrijkste trends in geavanceerde computerchips zijn:

• Hoger vermogen per watt

• Groter geheugen op en buiten de chip

• Meer gespecialiseerde AI-versnellers

• Sterkere integratie tussen computing en geheugen

In de toekomst zullen we waarschijnlijk zien:

• Meer aangepaste AI-chips (ASIC's)

• Energiezuinige edge AI-processors

• Hybride architecturen die CPU-, GPU- en AI-versnellers combineren

Dit betekent dat halfgeleiderinnovatie steeds meer zal worden gedreven door de behoeften van AI in plaats van consumentenelektronica.

3RF-communicatie-chips: alles draadloos verbinden

Radiofrequentie (RF) is de ruggengraat van draadloze communicatie.

• 5G- en toekomstige 6G-netwerken

• Satellietcommunicatie

• Radarsystemen

• Internet van de dingen (IoT)

• Autonome voertuigen

RF-geïntegreerde schakelingen (RFIC's) integreren belangrijke componenten zoals versterkers, filters en modulatoren op één chip, waardoor de prestaties worden verbeterd terwijl de grootte en het stroomverbruik worden verminderd.

Toekomstige richtingen voor RF-chips omvatten:

• Hoger werkende frequenties (millimetergolf en hoger)

• Lagere stroomverbruik

• Betere integratie met digitale verwerking

• Combinatie van communicatie en sensing

Dit betekent dat RF-chips niet alleen gegevens zullen verzenden, maar ook geavanceerde waarnemingssystemen in slimme steden, robotica en autonoom rijden mogelijk maken.

4. High-Bandwidth Memory (HBM): Het doorbreken van de AI Data Bottleneck

Naarmate AI-modellen groter worden, wordt de snelheid van gegevensverkeer net zo belangrijk als de ruwe rekenkracht.

High-Bandwidth Memory (HBM) lost dit probleem op door meerdere DRAM-lagen verticaal op te stapelen, waardoor een veel sneller gegevenspad tussen geheugen en processoren ontstaat.

De voordelen van HBM zijn onder meer:

• Extrem hoge gegevensoverdrachtsnelheden

• Lagere stroomverbruik

• Verminderde latentie

• Compact ontwerp

Als gevolg hiervan is HBM de standaardgeheugentechnologie geworden voor high-end GPU's die worden gebruikt in datacenters en AI-supercomputers.

In de komende jaren zal de vraag naar HBM naar verwachting wereldwijd stijgen, samen met investeringen in AI.

Conclusie: Een nieuw halfgeleiderparadigma

De toekomst van de halfgeleiders zal niet bepaald worden door één doorbraak, maar door de convergentie van vier belangrijke domeinen:

• Materialen bepalen efficiëntie en duurzaamheid (derde generatie halfgeleiders)

• Chips bepalen intelligentie (AI-versnellers en GPU's)

• RF bepaalt de connectiviteit (wireless communicatie chips)

• Geheugen bepaalt de prestaties (HBM en geavanceerde opslag)

Landen en bedrijven die deze vier pijlers beheersen, zullen het volgende tijdperk van technologie vormen, van schone energie tot kunstmatige intelligentie, van slimme steden tot autonome systemen.