Воздействие на окружающую среду использования пластика для изготовления микрочипов

Технологии все чаще рекламируются как решение бесчисленных экологических проблем, от улавливания углерода до переработки материалов. Но, как было широко задокументировано, кремниевые чипы, лежащие в основе этих передовых решений, имеют собственное, немаловажное влияние на выбросы углерода.

Итак, как мы можем гарантировать, что технологии не создают больше углерода, чем удаляют? И может ли пластиковая стружка быть частью решения?

Время перемен

Ни для кого не секрет, что производство полупроводников на основе кремния не отличается особой экологичностью. В дополнение к использованию вредных химикатов и газов, таких как перфторуглероды (ПФУ), в промышленности также требуется огромное количество воды и энергии, чтобы получить щепу на выходе.

Возьмем, к примеру, тайваньскую компанию TSMC: будучи одним из крупнейших в мире производителей полупроводников, она, естественно, имеет большое энергопотребление. В 2020 году компания объявила о переходе на возобновляемую энергию ветра, чтобы ограничить воздействие на окружающую среду. Но растущий спрос на энергию, вызванный коммерческим производством ее передовых трехнанометровых чипов, превысил любые выгоды, полученные от зеленой энергии; к 2022 году ожидается, что его использование превысит 7% от общего энергопотребления Тайваня, больше, чем в городе Тайбэй.

На самом деле, отрасль в целом оказывается в центре внимания из-за чрезмерного потребления ресурсов. Поскольку глобальное потепление влияет на круговорот воды на планете, а внезапные засухи, по прогнозам, станут более частыми, модель, согласно которой одна фабрика потребляет миллионы литров воды в день, явно нуждается в изменении.

Гибкая альтернатива кремнию

Гибкая полупроводниковая технология — гибкие интегральные схемы («чипы») на основе тонкопленочных транзисторов — потенциально может воплотить это изменение. Производство гибких чипов исключает многие ресурсоемкие этапы производства кремния; нет высокотемпературных стадий обработки и гораздо меньше химических стадий. В результате при этом используется значительно меньше электроэнергии и воды, чем при производстве кремния, и значительно сокращается количество потребляемых химикатов и газов.

Некоторые могут скептически относиться к экологическим преимуществам использования пластика. Хотя они действительно используют полимерную (читай: пластиковую) подложку, каждый чип имеет толщину всего микрон — тоньше человеческого волоса — и обычно весит менее 0,2 мг. Для сравнения: 2000 FlexIC содержат меньше пластика, чем одна соломинка для питья.

И по мере того, как пластмассы заменяются более устойчивыми альтернативами, возможность использования биоразлагаемых субстратов становится заманчивой. На самом деле, поскольку подложка не требуется для функциональности — она просто обеспечивает физическую поддержку во время производства и обращения с ней, — гибкие чипы будущего могут полностью исключить ее, сведя их воздействие к абсолютному минимуму.

Хотя до биоразлагаемых чипов еще далеко, их меньшее воздействие на окружающую среду означает, что по-прежнему имеет смысл использовать гибкие полупроводники везде, где это возможно, сохраняя кремний для тех задач, где он действительно необходим.

Потому что кремниевая технология не исчезнет в ближайшее время. Нам просто нужно быть экономными в том, как и где мы его развертываем.

Правильный инструмент для работы

Длительные сроки разработки и высокие затраты, связанные с проектированием кремниевых чипов, не говоря уже о проблемах с цепочками поставок в последние годы, привели к чрезмерно сложным спецификациям — созданию чипов, готовых ко всему, а не к конкретной задаче.

Считается, что если для производства чипов потребуются месяцы или даже годы, они должны быть пригодны для широкого спектра вариантов использования, независимо от неотложной потребности. Это эффективно приводит к использованию кувалды, чтобы расколоть орех. Потому что кремниевые чипы обеспечивают высокую производительность при высокой стоимости и сильном воздействии на окружающую среду.

Гибкие чипы обеспечивают «достаточно хорошую» производительность при небольшой стоимости и меньшем углеродном следе. Это, наряду с их гибким форм-фактором, означает, что их можно использовать там, где было бы нерентабельно или даже невозможно использовать обычную электронику. Это также делает их привлекательной альтернативой устаревшему кремнию.

По мере того, как мы переходим от Интернета вещей к Интернету всего, крошечные недорогие чипы, такие как эти, могут оказаться решающими для предоставления интеллектуальных данных и повышения эффективности при низких экологических издержках.

Гибкая революция

Интерес к недорогой гибкой электронике растет уже несколько лет, а растущая экосистема фокусируется на различных технических подходах. И многие из них смотрят дальше кремния.

Некоторые из них сосредоточены на органических полупроводниках, которые имеют потенциал для инновационных технологий производства, таких как печать, но часто имеют ограниченную производительность. С другой стороны, углеродсодержащие материалы, такие как углеродные нанотрубки и графен, демонстрируют превосходные характеристики, но еще недостаточно созрели для массового производства. Есть также варианты, такие как моя компания, которые используют оксиды металлов, которые обеспечивают достойную производительность и для которых технологии производства эффективны для изготовления с высоким выходом.

Говоря с потенциальными поставщиками, спросите о конкретных вариантах использования вашей компании и о том, как производственные возможности и сроки могут удовлетворить ваши конкретные потребности.

Гибкое будущее

Несмотря на то, что преимущества и рыночные возможности гибких чипов были продемонстрированы, все еще существуют препятствия для раскрытия их полного потенциала.

Во-первых, глобальные производственные мощности должны масштабироваться, чтобы поставлять огромные объемы, требуемые рынком. Хотя некоторые коммерческие фабрики по производству гибких чипов уже работают, а новые строятся, мощности по-прежнему отстают от кремниевых. В течение следующего десятилетия потребуются значительные капиталовложения для удовлетворения глобального спроса.

Во-вторых, чтобы в полной мере воспользоваться возможностями гибких чипов, нам нужна полная партнерская экосистема, как и в случае с кремнием. Некоторые элементы этого, такие как квалифицированные поставщики материалов и оборудования, уже существуют, но другие, такие как проектировщики, поставщики интеллектуальной собственности и партнеры по сборке, нуждаются в дальнейшем развитии.

Наконец, нам нужно найти оптимальное место для их применения, потому что гибкие чипы не заменят кремниевые чипы; они дополнят их. Но, используя гибкие полупроводники для бесчисленных задач, где «достаточной производительности» более чем достаточно, мы можем освободить кремний — с его более весомыми экологическими накладными расходами — для решения дорогостоящих задач и помочь технологиям стать частью решения. , не часть проблемы.