Замедление повышения производительности и рост затрат на кремний заставляют бизнес-лидеров присматриваться к другим материалам.
Путь от прорывного открытия к трансформационным отраслевым приложениям может быть долгим и окольным путем. Часто за первым всплеском возможностей следуют десятилетия разработок, усовершенствований и экспериментов. Даже тогда нет никаких гарантий. Лаборатории по всему миру завалены некогда многообещающими технологиями, которые так и не нашли коммерческого применения на рынке. Этот прецедент ставит руководителей в затруднительное положение при определении того, где и когда инвестировать в появляющиеся инновации. На каждую компанию, которая делает правильную ставку на появляющиеся цифровые технологии, приходятся десятки конкурентов, которые совершенно не замечают волну и должны играть в догонялки. Время покажет, является ли недавний вход Kodak в добычу биткойнов, например, изолированным шагом или частью пророческой долгосрочной стратегии.
Компании-производители полупроводников оказались в сложном положении. Регулярные инновации с кремнием позволили отрасли получать стабильную прибыль и постоянное, впечатляющее улучшение производительности на протяжении десятилетий. В последнее время компании испытывают все большие трудности с извлечением большей выгоды из кремния. Это замедление заставило компании определить, что и когда заменит кремний. Графен, например, был провозглашен чудотворным материалом, который может сравняться или превзойти характеристики кремния. Однако до коммерциализации материала может пройти до 25 лет, и потребуются значительные инвестиции как в НИОКР, так и в капитальные затраты, чтобы запустить его в производство. Учитывая, что в настоящее время на кремний выделяется так много средств, руководители должны определить подходящий момент, чтобы переключиться на следующий материал, даже если результат далеко не гарантирован.
Задача выходит далеко за рамки графена; Поскольку полупроводниковые компании стремятся определить и использовать следующую волну инноваций, руководители должны принять другой подход. Способность понять, как, казалось бы, разрозненные разработки могут создавать новые бизнес-модели и приложения, требует более широкой перспективы, сосредоточенной на соединении точек и изучении новых способов применения знаний и идей. Руководителям полупроводников следует использовать эту линзу для формирования долгосрочной стратегии по извлечению выгоды из существующих материалов и технологий при одновременном мониторинге зарождающихся инноваций. Такой образ мышления поможет компаниям справиться как с известными, так и с неизвестными проблемами в ближайшие годы.
Силикон: Впереди встречный ветер?
Кремний, основной материал, используемый в полупроводниковой промышленности, исторически шел в ногу с законом Мура, обеспечивая ранее невообразимый прогресс. Прорывные и трансформационные технологии — расширенная аналитика, дополненная реальность, автономные транспортные средства, цифровые технологии и Интернет вещей (IoT) — стали возможными благодаря единственному элементу, названному в честь самых богатых 50 квадратных миль в мире. Тем не менее, возникают серьезные вопросы о будущем кремния и его способности поддерживать инновации: об этом говорят три опережающих индикатора.
Замедление повышения производительности приводит к ценовому давлению
Компания Silicon предложила дизайнерам и инженерам основу для постоянного повышения емкости и производительности. Взгляд на данные 1970-х годов иллюстрирует эти экспоненциальные улучшения производительности. Однако в последние годы темпы значительно замедлились. Вычислительная мощность ПК стабилизировалась, а рост производительности процессоров смартфонов начал замедляться — короче говоря, кремний становится смертным (Иллюстрация 1). Эти тенденции означают, что компании, создавшие конкурентные преимущества за счет непрерывных инноваций, начинают терять свое лидерство по мере того, как другие компании их догоняют.
Улучшение производительности замедляется
Законодатели моды изо всех сил пытаются увеличить отрыв от конкурентов в улучшении производительности, поэтому их способность получать премиальные цены до того, как их догонит остальная часть рынка, ограничена. Наш анализ показывает, что как только на рынок выходят несколько конкурентов, цены падают на 10–15 процентов.
Эскалация капитальных затрат и затрат на НИОКР
Затраты полупроводниковых компаний продолжают расти по мере того, как они переходят на фабрики следующего поколения. По нашим оценкам, для повышения производительности компании должны увеличить капитальные затраты на целых 40% (с учетом требований к новому оборудованию) и расходы на НИОКР на 150% для достижения той же производительности (Рисунок 2). Основной причиной роста капитальных затрат является производственное оборудование, которое увеличилось примерно на 2 миллиарда долларов с тех пор, как отрасль перешла на использование нескольких шаблонов. Неудивительно, что производители интегрированных устройств быстро увеличили свои инвестиции в исследования и разработки передовых узловых технологий.
Увеличение требований к капиталу и инвестиций в НИОКР может препятствовать дальнейшим инновациям.
Ощущение физических ограничений кремния
Помимо коммерческих проблем, дальнейший рост кремния также является неопределенным, поскольку инновации догнали физические ограничения материала. Например, длина узла приближается к ширине проводящего канала, где производительность сильно снижается: кремниевые транзисторы перестают работать из-за квантовых эффектов малых размеров, таких как туннелирование, утечки и проблемы с нагревом. Ограничения в литографии, приборостроении и производстве наноразмерных структур также будут препятствовать прогрессу.
Эти три тенденции поднимают критический вопрос для полупроводниковых компаний: сколько им следует продолжать инвестировать в кремний, а не поддерживать разработку инновационных материалов, которые могут привести к резкому изменению производительности и поддержанию роста доходов?
Почему графен может изменить правила игры
Промышленность экспериментирует с несколькими экзотическими новыми материалами, включая силицен, германен и черный фосфор, но графен рекламируется как обладающий наибольшим потенциалом (Иллюстрация 3).
Новые материалы обладают наибольшим потенциалом для стимулирования технологий следующего поколения, которые могут помочь поддерживать инновации.
Открытие слоя графена толщиной в атом двумя исследователями из Манчестерского университета в Англии в 2004 году породило надежды на то, что он может стать превосходной заменой кремния (инфографика). Свойства графена вызывают у компаний из разных отраслей слюноотделение: по оценкам, его мобильность в 250 раз выше, чем у кремния, а его гибкость и другие свойства делают его идеальным для целого ряда приложений, от аккумуляторных технологий до оптоэлектроники, такой как сенсорные экраны. Недавние патенты, научные статьи и исследовательские публикации свидетельствуют о широком интересе к графену.
Графен в цифрах
Несмотря на это обещание, внедрение графена было труднодостижимым. Так что же его сдерживает? Мы выявили четыре ограничения, два технических и два производственных. С технической стороны разработка запрещенной зоны остается серьезным препятствием: без запрещенной зоны графеновые переключатели не могут отключиться. За последнее десятилетие исследователи сосредоточились на решении этой проблемы, но еще не взломали код. Кроме того, производство графена должно генерировать качественные кристаллы и быть совместимым с существующими устройствами, комплементарными металл-оксид-полупроводник (КМОП). Что касается промышленности, то в фабрики требуется большой объем капитала, но полупроводниковые компании имеют большую часть своих ресурсов, привязанных к текущим планам улучшения фабрик. Кроме того, для кремния существует интегрированная цепочка создания стоимости (включая переоснащение в середине производственного процесса), но для воссоздания такой цепочки для графена необходимы миллиардные инвестиции.
Учитывая эти неопределенности, мы прогнозируем, что внедрение графена и рост рынка будут происходить в три этапа: усилитель, замена кремния и революционная электроника (Иллюстрация 4).
Мы ожидаем, что внедрение графена и рост рынка будут происходить в три этапа.
В ближайшем будущем мы ожидаем, что графен будет использоваться в качестве усилителя кремния, а защитные слои графена будут использоваться для повышения надежности и производительности межсоединений. В настоящее время на медных межсоединениях используются 14-нанометровые металлические барьеры из нитрида тантала для предотвращения диффузии в кремний. При зазорах менее десяти нанометров диффузия становится основной причиной отказа устройства: один дефект на миллиардную часть приводит к частоте отказов около 30 процентов. Графеновые барьеры имеют ряд преимуществ по сравнению с другими альтернативами, такими как рутений и кобальт, в том числе лучшую защиту при размере всего в одну восьмую и скорости соединения примерно на 30 процентов выше.
Основные причины непринятия графена двояки. Требования к процессу переноса графена и нанесения покрытия должны быть полностью разработаны и интегрированы в этапы изготовления. Кроме того, стоимость графена должна значительно снизиться, чтобы обеспечить коммерческое массовое производство. Мы прогнозируем, что для решения этих проблем потребуется не менее пяти-десяти лет, чтобы графен стал жизнеспособной альтернативой кремнию.
В течение следующих 10–25 лет графен может заменить кремний в качестве основного материала в полупроводниках, если в ходе исследований будут найдены методы преодоления ограничений его запрещенной зоны. Даже в этом случае графен будет использоваться в приложениях, где его технические достоинства (такие как высокая скорость, требования к малым потерям, небольшой размер и гибкость) лучше подходят для электронных приложений, чем альтернативные материалы (Иллюстрация 5). Наш анализ подсчитал, что общий адресный рынок графена в области обработки данных, беспроводной связи и бытовой электроники составляет 190 миллиардов долларов.
Общий обслуживаемый рынок электроники на основе графена оценивается примерно в 190 миллиардов долларов на основе спроса на высокопроизводительные приложения.
Ожидается, что внедрение будет следовать S-образной тенденции, аналогичной другим технологиям, с временными рамками для внедрения, которые наиболее точно имитируют внедрение пластин. В целом, оптимистичные сценарии показывают, что потенциальная рыночная стоимость графеновых полупроводников к 70 году составит около 2030 миллиардов долларов.
Как должны действовать ведущие игроки полупроводниковой отрасли?
История показала, что для коммерциализации некоторых технологий требуется много времени, но они могут быстро преобразовать отрасли, как только они появятся на рынке. По нашему опыту, компании, имеющие опыт создания широкой сети для открытия новых преобразующих технологий, как правило, лучше подготовлены к тому, чтобы противостоять отраслевым потрясениям.
Обещание графена уравновешивается обсуждаемыми серьезными техническими и коммерческими проблемами, которые могут помешать его использованию в качестве замены кремния. Поэтому, оценивая истинный потенциал графена, руководители полупроводников должны использовать структурированный инновационный подход для оценки своих возможностей. Рентген инноваций состоит из десяти вопросов по трем категориям: инновационная стратегия, технологический прорыв и инновационная практика (рис. 6). Ответ на эти вопросы может помочь бизнес-лидерам лучше понять возможности своей организации при внедрении инноваций и поддержать изучение различных сценариев с внедрением графена или без него. Результатом является стратегия, которая готовит организации к радикальным изменениям в отрасли, обусловленным развитием технологий.
Рентген инноваций состоит из десяти вопросов, которые помогут ускорить ваш структурированный подход.
После долгой и продуктивной работы с кремнием руководители начинают задумываться о том, что может заменить его и обеспечить аналогичную S-образную кривую инноваций. Характеристики графена будоражат воображение, но на сегодняшний день его физические ограничения не позволяют назвать его прямым наследником кремния. Недавняя история технологических инноваций предполагает, что ландшафт может быстро измениться, поэтому руководителям следует рассматривать графен как серьезного соперника. Независимо от конечного результата, полупроводниковые предприятия могут выдержать технологический прорыв и выйти вперед, приняв образ мышления, ориентированный на структурированные инновации. Мир многих неизвестных требует этого.
Источник: Графен: следующая S-образная кривая для полупроводников? | МакКинзи
