Yhdysvaltain mikropiirin valmistuksen vahvistaminen – avain tekoälyjohtajuuteen

Viime viikkojen ajan otsikot ovat kertoneet uhkaavasta ja mahdollisesta vaikutuksesta, jonka Yhdysvaltain tuontitullit voivat aiheuttaa puolijohdevalmistajille. Totuudenmukaisesti, en usko, että näiden tullien käyttöönotto todella tapahtuu, koska se johtaisi merkittäviin toimitusketjun häiriöihin, joiden ikävät vaikutukset ovat edelleen liian tuoreessa muistissa COVID-19-pandemian ajoilta. Kuka voi unohtaa kymmeniä tuhansia valmiita autoja, jotka jäivät loppuun autonvalmistajien tonteille. Varmaankin kukaan ei halua toistaa sitä!

Sanottuna, uskon, että Yhdysvaltain yritysten ja koko Yhdysvaltain talouden on silti edelleen pyrittävä lisäämään kestävyyttään ja omavaraisuuttaan puolijohdevalmistuksessa, ja kannatan näitä ponnisteluita. Tässä tarkastelemme, miksi tämä omavaraisuus on niin tärkeää, erityisesti Yhdysvaltain kyvyssä ylläpitää johtajuuttaan (nykyisin kapeaa) tekoälyssä.

Tehtävä on, että tekoäly on ytimeltään mikropiirivalmistuksen kilpailu

Puolijohteet ovat olennaisia tekoälymallien koulutukseen käytettävien palvelimien toiminnan mahdollistamiseksi, koska näiden mallien koulutus vaatii erikoistunutta voimaa, jota vain puolijohteet (perinteisten prosessorien sijaan) voivat tarjota. Arvioidaan, että vuoden loppuun mennessä tekoälyyn liittyvät puolijohteet muodostavat 19 prosenttia koko maailmanlaajuisesta puolijohdemarkkinasta, mikä on merkittävä kasvu vuoden 2017 seitsemästä prosentista.

Puolijohdien lisääntyneen riippuvuuden tekoälystä tarkoittaa, että mitä vähemmän Yhdysvallat riippuu ulkomaisista toimijoista puolijohdehuollossa, sitä paremmin se on. Koska globaali tekoälykilpailu kiihtyy, kotimainen puolijohdevalmistus tarjoaa merkittäviä etuja, kuten vahvistetun taloudellisen ja kansallisen turvallisuuden, sekä teknologisen riippumattomuuden. Tällä hetkellä kongressissa käsitellään lakiehdotusta, joka on nimeltään “Puolijohdehuoltoketjujen turvallisuuden varmistamisesta vuonna 2025“, jolla on kaksipuolueiden tuki ja joka on tarkoitettu vähentämään riippuvuutta epävakaiden ulkomaisten toimitusketjujen varassa.

Miten me tehdään?

Vastauksena mahdollisiin Yhdysvaltain tuontitulleihin moni on ilmaissut huolensa siitä, että Yhdysvallat on nykyisessä tilassa huonosti varustettu käsitelläkseen puolijohdeiden kasvavaa kysyntää, jota ajavat eteenpäin generatiivinen tekoäly ja tekoälykeskuksien rakentaminen. Tekoälyn liiketoimintakäytöt, kuten koodaus ja ohjelmistokehitys, ovat erityisesti vaarassa. Mikä tahansa puolijohdeiden saatavuuden häiriö voisi aiheuttaa aaltoefektin sovellusalueilla, mukaan lukien tekoäly ja alihankkijamarkkinat kuten itseohjautuvat ajoneuvot, reunan laskenta ja robotiikka.

Yhdysvaltain kyky ajaa innovaatioita puolijohde- ja tekoälyriippuvissa teollisuusaloissa edellyttää materiaalien löytämisen kiihdyttämistä. “Vanha tapa” materiaalien löytämisessä ja omaksumisessa keskittyi yleensä ulkomaisiin valmistuslaitoksiin ja käsitti useita vaiheita, kuten valokuvauksen, etsauksen, kerroksellisen kasvatuksen ja puhdistussuojan. Tämä voi olla hidasta ja kallista prosessia, joka johtaa pitkiin suunnittelujaksoihin ja merkittäviin materiaalihävikkiin.

Jotta Yhdysvallat voisi paremmin tyydyttää puolijohdeiden kotimaista kysyntää, on hyödyntäävä uusia edistysaskeleita piirien suunnittelussa, joista yksi on suora paikallinen atomikerrosten käsittely. Tämä on digitaalinen, atomisesti tarkka valmistusprosessi, joka rakentaa laitteita suoraan atomeista, poistamalla tarpeen monille vaiheille perinteisessä valmistusprosessissa, samalla vähentäen monimutkaisuutta ja hävikkiä. Se tarjoaa ennenkokemattoman joustavuuden ja tarkkuuden mikrolaitteiden suunnittelussa ja prototyyppien kehittämisessä, mukaan lukien tekoälypuolijohteet.

Käyttämällä atomitason tarkkuutta ja valvonnan materiaalien käsittelyssä, teknologiat kuten suora paikallinen atomikerrosten käsittely voivat merkittävästi kiihdyttää suunnittelujaksoja ja prototyyppien kehittämistä, auttaen uusien materiaalien tai materiaalien yhdistelmien löytämisessä, jotka voivat tyydyttää tekoälyn jatkuvasti kasvavat laskentavaatimukset.

Lisäämällä kotimaista valmistusta ilman ympäristön ja ihmisterveyden heikentämistä

Lisäksi uudet menetelmät voivat myös vähentää merkittävästi puolijohdevalmistuksen ympäristövaikutuksia. Tähän asti tämä teollisuus on kohdannut vakavan dilemman johtuen sen suuresta ympäristöjalanjäljestä, joka on vaikuttanut merkittävästi kasvihuonekaasupäästöihin, vedenkulutukseen ja kemikaalijätteisiin, erityisesti myrkyllisiin “ikuisiin” kemikaaleihin, jotka tunnetaan PFAS:ina. Nämä kemikaalit saastuttavat vettä, eivät hajoa ja säilyvät ympäristössä (ja ihmisissä) vuosikymmenien ajan.

On siis luonnollista, että viimeaikaiset liittovaltion toimet, kuten Yhdysvalloissa piirien valmistamisen laki ja CHIPS-laki, ovat herättäneet merkittäviä ympäristöhuolia. Vähentämällä aikaa, joka tarvitaan piirien suunnitteluun, prototyyppien kehittämiseen ja valmistukseen – ja poistamalla tarpeen kemikaaleja sisältävien puhdistussuojien käytölle – uudet menetelmät voivat olla vastaus kysynnän tyydyttämiseen ja vastuulliseen skaalautumiseen käyttäen kotimaisia resursseja ilman ympäristön ja ihmisterveyden heikentämistä.

Käyttäen Yhdysvaltain kokoelmaresursseja

Lisäksi uusien valmistusmenetelmien käyttöönoton, Yhdysvaltain on päivitettävä kokonaisvaltaista lähestymistapaansa. Tämä tarkoittaa siirtymistä mallista, jossa tuotanto on voimakkaasti ulkoistettu muutamalle miljardille dollarille arvostetulle valmistuslaitokselle, hyödyntämään kansakunnan kattavaa ja rikasta arsenaalia johtavista yliopistoista, startup-yrityksistä ja teollisuuden tutkimus- ja kehityslaitoksista yhteistyöhön, nopeuttamaan löytämistä ja tukemaan koko “lab-to-fab”-prosessia (tutkimus, prototyyppien kehittäminen ja valmistus). Tämä voidaan saavuttaa säilyttäen kustannukset hallinnassa ja integroimalla mahdollistavat teknologiat suoraan näiden organisaatioiden infrastruktuureihin.

Katse eteenpäin

Tekoälyn ja puolijohdevalmistuksen välinen suhde on oikeasti symbioottinen. Kuten mainittiin aiemmin, puolijohteet ovat olennaisia tekoälymallien koulutukseen käytettävien palvelimien toiminnan mahdollistamiseksi; toisaalta, tekoäly kiihdyttää merkittävästi puolijohdemateriaalien löytämistä käyttämällä koneoppimista uusien materiaalien ominaisuuksien ennustamiseen ja suunnitteluprosessin nopeuttamiseen. Tämä lähestymistapa, jota kutsutaan käänteiseksi materiaalinsuunnitteluksi, mahdollistaa tutkijoiden suunnitella materiaaleja tiettyjen kohdennettujen ominaisuuksien, kuten parannetun johtavuuden, energiatehokkuuden ja kestävyyden, kanssa.

Puolijohdemateriaalien löytämisen kiihdyttäminen on yksi haasteellisimmista tehtävistä puolijohdevalmistuksessa, vaikka se on erityisen haastavaa tekoälypuolijohteille, joilla on tavoitteena jatkuvasti kasvava laskentateho, tehokkuus ja nopeus, samalla vähentäen piirien kokoa.

Vaikka tekoäly voidaan käyttää uusien, teoreettisten materiaalien ominaisuuksien ennustamiseen, nämä läpimurrot ovat perinteisesti edelleen olleet rajoittuneita fyysisen validoinnin hitaan tahdin vuoksi. Uudet menetelmät voidaan käyttää tukemaan korkean läpäisyn kokeellisuutta, auttaen sulkemaan aukon; mahdollistaen nopeamman, kohdennetumman materiaalikehityksen, ja lopulta avaamalla seuraavan sukupolven materiaalit. Yhdistämällä uusia menetelmiä, kuten suoran atomikerrosten käsittelyn, tekoälyn voimalla voidaan luoda “magiaa”, kiihdyttäen dramaattisesti läpimurtojen kehittymistä, joita ei aiemmin ole pidetty mahdollisina, kaikki keskitetysti Yhdysvaltain omien kansallisten rajojen sisällä.