«Алмазный век»: почему Tesla переходит на чипы без кремния

Инвертор Tesla Model 3, содержащий чипы из карбида кремния.

Изобилие легко обрабатываемого кремния десятилетиями было основным материалом в полупроводниковой промышленности, но электромобили помогают сократить его роль в стремлении к энергоэффективности.

Компания Tesla стала катализатором этих перемен. Американский автопроизводитель стал первым среди своих конкурентов, кто использовал чипы карбида кремния в серийных автомобилях, внедрив их в некоторые модели Model 3. Этот шаг придал энергосберегающему материалу импульс в цепи поставок электромобилей, что повлекло за собой развитие индустрии чипов.

«До сих пор чипмейкеры работали вместе, чтобы создать рынок карбида кремния, но мы достигли стадии конкуренции друг с другом», — сказал Казухиде Ино, главный стратег японского чипмейкера Rohm.

Карбид кремния, сокращенно SiC, содержит кремний и углерод. Благодаря химическим связям, более прочным, чем в кремнии, он является третьим по твердости веществом в мире. Его обработка требует передовых технологий, но надежность и другие свойства материала позволяют производителям микросхем сократить потери энергии более чем наполовину по сравнению со стандартными кремниевыми пластинами.

Чипы SiC также хорошо рассеивают тепло, что позволяет использовать более компактные инверторы — важнейший компонент EV, регулирующий подачу энергии на двигатель.

«У Model 3 коэффициент сопротивления воздуха такой же низкий, как у спортивного автомобиля», — говорит Масайоши Ямамото, профессор Университета Нагоя в Японии. «Уменьшение размеров инверторов позволило создать обтекаемую конструкцию».

Действия Tesla всколыхнули индустрию чипов. В июне немецкий чипмейкер Infineon Technologies представил SiC-модуль для инверторов электромобилей.

«Сроки появления SiC явно оказались ближе, чем мы ожидали», — сказал Такеми Коузу, менеджер японского подразделения Infineon.

Hyundai Motor будет использовать SiC-чипы производства Infineon в своих EV следующего поколения. Считается, что эти чипы позволяют увеличить запас хода автомобиля более чем на 5% по сравнению с кремниевыми.

Французский автопроизводитель Renault в июне подписал соглашение со швейцарской компанией STMicroelectronics о поставках SiC-чипов с 2026 года. Соглашение также распространяется на чипы, изготовленные из нитрида галлия, другого альтернативного материала для полупроводниковых пластин.

По прогнозам французской компании Yole Developpement, занимающейся исследованиями рынка, рынок полупроводниковых микросхем SiC вырастет в шесть раз к 2026 году по сравнению с 2020 годом и достигнет 4,48 миллиарда долларов.

Разрыв в цене между кремнием и более дорогостоящим SiC сокращается. Массовое производство и другие факторы сократили разницу в стоимости примерно вдвое, тогда как еще пять лет назад она была примерно десятикратной, сказал Ямамото. Поскольку некоторые поставщики микросхем начинают производить более крупные микросхемы SiC, этот разрыв может сократиться еще больше.

Компания Rohm является лидером в этой области, выпустив первый в мире SiC-транзистор в 2010 году. Немецкое подразделение SiCrystal, приобретенное в 2009 году, производит кремниевые микросхемы, что дает компании Rohm возможность начать и закончить производство. Японская компания стремится достичь 30% доли мирового рынка SiC-чипов к 2025 финансовому году. Недавно она открыла дополнительное производство на заводе в японской префектуре Фукуока, что является частью планов по увеличению мощностей более чем в пять раз.

Компания Rohm заявила, что в ряде предстоящих моделей электромобилей будут использоваться ее SiC-чипы. Компания также заключила соглашение с китайским производителем электромобилей Geely о технологии для чипов следующего поколения.



Кремний не был первым материалом для микросхем. После революционного изобретения транзистора в Лабораториях Белла в США в 1947 году использовались кристаллы германия. Кремний заменил этот элемент в 1960-х годах по мере развития полупроводниковой промышленности. Два крупнейших в мире поставщика кремниевых пластин — Shin-Etsu Chemical и Sumco — базируются в Японии.

У SiC также есть конкуренты в качестве альтернативы кремнию. Нитрид галлия (GaN) способен сократить потери энергии примерно на одну десятую по сравнению с кремниевыми чипами. Использование этого материала в полупроводниках было разработано в Японии для создания синих светоизлучающих диодов. Хотя GaN-чипы используются в некоторых областях, например, в зарядных устройствах, этот материал еще не полностью раскрыл свой потенциал, поскольку в основном он используется в сочетании с другими материалами, в том числе с кремнием.

Поиск альтернатив кремнию является результатом все более очевидных пределов повышения производительности микросхем. Разработка более компактной и мощной электроники требует создания все более мелких схем. Поскольку этот масштаб сейчас составляет 5 нанометров, прогноз, согласно которому плотность транзисторов будет удваиваться примерно каждые два года — известный как закон Мура — проверяется как никогда ранее.

Энергосбережение также стимулирует инновации в материалах для чипов. Рост числа электромобилей, центров обработки данных и других элементов цифровой экономики создаст огромный неудовлетворенный спрос на электроэнергию без мер по повышению энергоэффективности.

Американская компания Lab 91, являющаяся подразделением Техасского университета в Остине, разрабатывает технологию наложения графена — листов углерода толщиной в один атом — на пластины микросхем. Первые испытания прошли успешно, и компания ведет переговоры с производителями микросхем об оценке технологии для массового производства. Графен обладает потенциалом для улучшения производительности чипов в широком спектре приложений, от электромобилей до светодиодов и датчиков изображения, используемых в камерах смартфонов.



Алмаз, который некоторые называют идеальным полупроводником, является поистине революционной, но дорогостоящей альтернативой кремнию. Токийский производитель Adamant Namiki Precision Jewel разработал технологию производства энергетических чипов с использованием алмаза. Самое твердое в мире вещество теоретически способно сократить потери энергии до 1/50000 по сравнению с кремнием. Но сделать такие чипы экономически эффективными будет очень важно. Алмазные основания печатных плат сегодня стоят в тысячи раз дороже кремниевых пластин.

Поскольку полупроводники жизненно важны для национальной безопасности и экономической конкурентоспособности, правительства Китая, США и Европы стремятся поддержать исследования и разработки новых материалов для микросхем. Поддержка НИОКР и инвестиций в этой области была частью стратегии развития полупроводников, опубликованной Министерством экономики, торговли и промышленности Японии в июне. Так же как кремний стоял в одном ряду со сталью в качестве одного из материалов, создавших 20 век, следующий великий полупроводниковый материал, похоже, станет стимулом для международной конкуренции в ближайшие десятилетия.

---

• Первая в России серийная система управления двухтопливным двигателем с функциональным разделением контроллеров
• В современном автомобиле строк кода больше чем…
• Бесплатные онлайн-курсы по Automotive, Aerospace, робототехнике и инженерии (50+)
• McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive