I veicoli elettrici guidati da Tesla stanno spingendo l’industria dei chip a spostarsi oltre il silicio

Tokyo/Osaka-Per decenni, il silicio, che è abbondante e facile da lavorare, è stato il materiale preferito per l’industria dei semiconduttori, ma i veicoli elettrici stanno indebolendo il loro dominio nella ricerca dell’efficienza energetica.

Tesla è sempre stata un catalizzatore di questo cambiamento. La casa automobilistica americana è diventata il primo collega a utilizzare chip di carburo di silicio nelle auto prodotte in serie e li ha inclusi in parte del Modello 3. Questa mossa fornisce energia per materiali a risparmio energetico nella catena di fornitura dei veicoli elettrici e ha un impatto sull’industria dei chip.

Kazuhide Ino, chief strategy officer del produttore giapponese di chip ROHM, ha dichiarato: “Finora, i produttori di chip hanno lavorato insieme per stabilire il mercato del carburo di silicio, ma abbiamo raggiunto la fase di concorrenza tra loro”.

Il carburo di silicio, in breve SiC, contiene silicio e carbonio. Il suo legame chimico è più forte di quello del silicio ed è la terza sostanza più dura al mondo. L’elaborazione richiede una tecnologia avanzata, ma rispetto ai wafer di silicio standard, la stabilità e altre caratteristiche di questo materiale consentono ai produttori di chip di ridurre la perdita di energia di oltre la metà.

I chip di carburo di silicio possono anche dissipare bene il calore, consentendo l’uso di inverter più piccoli, un componente chiave dei veicoli elettrici che regola il flusso di potenza dei motori.

“Il coefficiente di resistenza dell’aria della Model 3 è basso quanto quello di un’auto sportiva”, ha affermato Masashi Yamamoto, professore alla Nagoya University in Giappone. “Ridimensionamento dell’inverter per renderlo un design aerodinamico.”

La mossa di Tesla ha scosso l’industria dei chip. A giugno, il produttore tedesco di chip Infineon Technologies ha introdotto un modulo SiC per gli inverter dei veicoli elettrici.

“Il tempo per l’espansione di SiC è ovviamente più vicino di quanto ci aspettassimo”, ha affermato un manager del dipartimento giapponese di Infineon.

Hyundai Motor utilizzerà chip SiC realizzati da Infineon nei suoi veicoli elettrici di prossima generazione. Si dice che rispetto al silicio, questi chip possano aumentare l’autonomia di crociera dell’auto di oltre il 5%.

La casa automobilistica francese Renault ha firmato a giugno un accordo con la svizzera STMicroelectronics per fornire chip SiC a partire dal 2026. L’accordo riguarda anche i chip in nitruro di gallio, un altro materiale alternativo per i wafer semiconduttori.

La società di ricerche di mercato francese Yole Developpement prevede che entro il 2026 il mercato dei chip di potenza in carburo di silicio aumenterà di sei volte nel 2020, raggiungendo i 4,48 miliardi di dollari.

Il divario di prezzo tra il silicio e il più costoso carburo di silicio si sta riducendo. Yamamoto ha affermato che la produzione di massa e altri fattori hanno ridotto la differenza di costo da circa dieci volte cinque anni fa a circa il doppio. Poiché alcuni fornitori dell’industria dei chip iniziano a produrre wafer di SiC più grandi, questo divario potrebbe essere ulteriormente ridotto.

ROHM è sempre stata leader in questo campo e nel 2010 ha prodotto in serie il primo transistor SiC al mondo. La controllata tedesca SiCrystal, acquisita nel 2009, produce wafer di SiC, dando a ROHM una capacità produttiva dall’inizio alla fine. L’obiettivo dell’azienda giapponese è raggiungere il 30% della quota di mercato globale dei chip SiC entro l’anno fiscale 2025. Ha recentemente aperto un ulteriore impianto di produzione in uno stabilimento nella prefettura di Fukuoka, in Giappone, come parte di un piano per aumentare la capacità di produzione di oltre cinque volte.

Rohm ha affermato che molti dei prossimi modelli di auto elettriche utilizzeranno i suoi chip SiC. Ha inoltre raggiunto un accordo con il produttore cinese di auto elettriche Geely sulla tecnologia dei chip di prossima generazione.

Il silicio non è il primo materiale del chip. Dopo che i Bell Labs hanno aperto la strada all’invenzione dei transistor nel 1947, sono stati utilizzati i cristalli di germanio. Negli anni ’60, con l’ascesa dell’industria dei semiconduttori, il silicio ha sostituito questo elemento. I due maggiori fornitori di wafer di silicio al mondo, Shin-Etsu Chemical e Sumco, hanno entrambi sede in Giappone.

SiC ha anche concorrenti come alternativa al silicio. Il nitruro di gallio (GaN) ha il potenziale per ridurre la perdita di energia a circa un decimo di quella dei chip di silicio. L’uso di questo materiale nei semiconduttori è stato sviluppato in Giappone per produrre diodi a emissione di luce blu. Sebbene i chip GaN siano utilizzati in alcune aree come le apparecchiature di ricarica, il materiale non ha ancora pienamente realizzato il suo potenziale perché viene utilizzato principalmente in combinazione con altri materiali, incluso il silicio.

La ricerca di alternative al silicio riflette i limiti sempre più evidenti dei miglioramenti delle prestazioni dei chip. Lo sviluppo di dispositivi elettronici più piccoli e più potenti richiede l’incisione di schemi circuitali più fini. Ora che la scala è di 5 nanometri (1 nanometro equivale a un miliardesimo di metro), la previsione che la densità dei transistor raddoppierà approssimativamente ogni due anni, nota come legge di Moore, viene testata come mai prima d’ora.

Il risparmio energetico ha anche promosso l’innovazione dei materiali in truciolo. L’espansione di veicoli elettrici, data center e altri componenti dell’economia digitale genererà enormi richieste di energia insoddisfatte senza la necessità di adottare misure per migliorare l’efficienza energetica.

La start-up americana Lab 91, spin-off dell’Università del Texas ad Austin, sta sviluppando una tecnologia per rivestire il grafene (un foglio di carbonio dello spessore di un solo atomo) su chip wafer. Le prime prove hanno avuto successo e l’azienda sta negoziando con i produttori di chip per valutare la tecnologia di produzione di massa. Il grafene ha il potenziale per migliorare le prestazioni dei chip in un’ampia gamma di applicazioni, dai veicoli elettrici ai LED ai sensori di immagine utilizzati nelle fotocamere degli smartphone.

I diamanti, chiamati da alcuni semiconduttori definitivi, sono un’alternativa potenzialmente rivoluzionaria ma costosa al silicio. Adamant Namiki Precision Jewel, un produttore con sede a Tokyo, ha sviluppato una tecnologia per produrre chip energetici dai diamanti. La materia più dura al mondo ha la capacità teorica di ridurre la perdita di energia a un cinquanta millesimi di silicio. Ma rendere questi chip convenienti sarà la chiave. Il costo dei substrati di diamante è migliaia di volte quello dei wafer di silicio.

Poiché i semiconduttori sono fondamentali per la sicurezza nazionale e la competitività economica, i governi di Cina, Stati Uniti ed Europa stanno cercando di sostenere la ricerca e lo sviluppo di nuovi materiali per chip. Il sostegno alla R&S e agli investimenti in questo settore fa parte della strategia per i semiconduttori annunciata dal Ministero dell’Economia, del Commercio e dell’Industria a giugno. Poiché silicio e acciaio sono giustapposti come uno dei materiali che hanno costruito il XX secolo, il prossimo grande materiale semiconduttore sembra destinato a diventare una forza trainante per la competizione internazionale nei prossimi decenni.

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