Încetinirea îmbunătățirii productivității și creșterea costurilor pentru siliciu îi fac pe liderii de afaceri să evalueze alte materiale.

Calea de la descoperirea inovatoare aplicațiilor transformaționale ale industriei poate fi una lungă, întortocheată. Adesea, prima val de posibilitate este urmată de zeci de ani de dezvoltare, rafinament și experimentare. Chiar și atunci, nu există garanții. Laboratoarele din întreaga lume sunt pline de tehnologii odată promițătoare care nu au găsit niciodată utilizare comercială pe piață. Acest precedent îi pune pe directori într-o poziție dificilă atunci când determină unde și când să investească în inovațiile emergente. Pentru fiecare companie care pariază corect pe tehnologiile digitale emergente, există zeci de concurenți care ratează complet valul și trebuie să joace din urmă. Timpul va spune dacă recenta intrare a lui Kodak în minerit de Bitcoin, de exemplu, este o mișcare izolată sau parte a unei strategii prevestitoare pe termen lung.

Companiile de semiconductori se află într-o poziție dificilă. Inovația regulată cu siliciul a permis industriei să genereze profituri consistente și îmbunătățiri consistente și impresionante de performanță timp de decenii. Mai recent, companiile se confruntă cu dificultăți tot mai mari de a scoate mai multă valoare din siliciu. Această încetinire a lăsat companiile să stabilească ce va înlocui siliciul și când. Grafenul, de exemplu, a fost vestit ca un material miracol cu ​​potențialul de a egala sau depăși performanța siliciului. Cu toate acestea, comercializarea materialului ar putea dura până la 25 de ani și va necesita investiții substanțiale atât în ​​cercetare și dezvoltare, cât și în costuri de capital pentru a-l aduce în producție. Cu atât de multe cheltuieli alocate în prezent pentru siliciu, directorii trebuie să stabilească momentul potrivit pentru a schimba treptele către următorul material, chiar și atunci când rezultatul este departe de a fi garantat.

Provocarea se extinde cu mult dincolo de grafen; întrucât companiile de semiconductori încearcă să identifice și să valorifice următorul val de inovație, directorii trebuie să adopte o abordare diferită. Capacitatea de a înțelege modul în care evoluțiile aparent disparate pot crea noi modele de afaceri și aplicații necesită o perspectivă mai extinsă, concentrată pe conectarea punctelor și pe explorarea unor noi modalități de a aplica cunoștințele și perspectivele. Directorii de semiconductori ar trebui să folosească această lentilă pentru a modela o strategie pe termen lung pentru a extrage valoare din materialele și tehnologiile existente în timp ce monitorizează inovațiile în curs de dezvoltare. Această mentalitate va poziționa mai bine companiile pentru a supraviețui provocărilor cunoscute și necunoscute în următorii ani.

Siliciu: vânt înainte?

Siliciul, materialul primar folosit în industria semiconductoarelor, a ținut din istorie pasul cu legea lui Moore, oferind progrese până acum inimaginabile. Tehnologiile disruptive și de transformare – analize avansate, realitate augmentată, vehicule autonome, digital și Internetul lucrurilor (IoT) – au fost posibile printr-un element singular care poartă numele celor mai bogate 50 de mile pătrate din lume. Cu toate acestea, se ridică întrebări serioase despre viitorul siliciului și capacitatea acestuia de a continua să susțină inovația: trei indicatori conducători spun povestea.

Îmbunătățirile încetinite ale performanței conduc la presiuni asupra prețurilor

Silicon a oferit designerilor și inginerilor o pânză care a dat naștere unor progrese susținute în ceea ce privește capacitatea și performanța. O privire asupra datelor din anii 1970 ilustrează aceste îmbunătățiri exponențiale ale performanței. Cu toate acestea, în ultimii ani ritmul a încetinit considerabil. Puterea de procesare a computerului s-a echilibrat și creșterea performanței procesorului smartphone-ului a început să scadă – pe scurt, siliciul devine mortal (Figura 1). Aceste tendințe înseamnă că companiile care și-au construit avantaje competitive pe baza inovației continue și-au văzut avansul începe să se erodeze pe măsură ce alte companii ajung din urmă.

 

Trendsetterii se luptă să-și extindă avantajul de îmbunătățire a performanței față de concurenți, astfel încât capacitatea lor de a captura prețuri premium înainte ca restul pieței să ajungă din urmă este împiedicată. Analiza noastră indică odată ce mai mulți concurenți intră pe piață, prețurile scad cu 10 până la 15 la sută.

Creșterea costurilor de capital și de cercetare și dezvoltare

Costurile pentru companiile de semiconductori continuă să crească pe măsură ce se mută la fabricile de generație următoare. Pentru a obține câștiguri de performanță, estimăm că companiile trebuie să mărească cheltuielile de capital cu până la 40 la sută (având în vedere cerințele pentru echipamente noi) și cheltuielile pentru cercetare și dezvoltare cu 150 la sută pentru a obține același randament (Figura 2). Cauza principală a creșterii costurilor de capital este echipamentele de fabricație, care a crescut cu aproximativ 2 miliarde de dolari de când industria a făcut tranziția la multipatterning. Nu este surprinzător că producătorii de dispozitive integrate și-au sporit rapid investițiile în cercetare și dezvoltare pentru tehnologia nodurilor de vârf.

 
Creșterea cerințelor de capital și a investițiilor în cercetare și dezvoltare pot inhiba inovarea în continuare

Creșterea cerințelor de capital și a investițiilor în cercetare și dezvoltare pot inhiba inovarea în continuare

Simțirea limitărilor fizice ale siliciului

Separat de provocările comerciale, creșterea continuă a siliciului este, de asemenea, incertă, deoarece inovația a depășit limitările fizice ale materialului. De exemplu, lungimea nodului se apropie de lățimea canalului conducător unde performanța este sever inhibată: tranzistoarele de siliciu nu vor mai funcționa din cauza efectelor cuantice de dimensiuni mici, cum ar fi tunelurile, scurgerile și problemele de căldură. Limitările în litografie, instrumentare și fabricarea structurilor nanodimensionate vor împiedica, de asemenea, progresele.

Aceste trei tendințe ridică o întrebare critică pentru companiile de semiconductori: cât de mult ar trebui să investească în siliciu, mai degrabă decât să sprijine dezvoltarea de materiale inovatoare care ar putea produce o schimbare treptată a performanței și să susțină creșterea veniturilor?

De ce grafenul ar putea schimba jocul

Industria experimentează cu mai multe materiale noi exotice, inclusiv silicenul, germanena și fosforul negru, dar grafenul este prezentat ca având cel mai mare potențial (Figura 3).

 
Noile materiale au cel mai mare potențial de a stimula tehnologia de ultimă generație care ar putea ajuta la susținerea inovației

Noile materiale au cel mai mare potențial de a stimula tehnologia de ultimă generație care ar putea ajuta la susținerea inovației

Descoperirea unui strat gros de atom de grafen de către doi cercetători de la Universitatea din Manchester din Anglia în 2004, a stârnit așteptările că acesta ar putea deveni un înlocuitor superior pentru siliciu (infografic). Proprietățile grafenului fac salivare companii din diverse industrii: mobilitatea sa este estimată a fi de 250 de ori mai mare decât cea a siliciului, iar flexibilitatea și alte proprietăți îl fac ideal pentru o gamă largă de aplicații, de la tehnologia bateriilor până la optoelectronica, cum ar fi ecranele tactile. Brevetele recente, lucrările academice și publicațiile de cercetare mărturisesc interesul larg răspândit pentru grafen.

 
Grafen după numere

Grafen după numere

În ciuda acestei promisiuni, adoptarea grafenului a fost evazivă. Deci ce o reține? Am identificat patru limitări, două tehnice și două industriale. Din punct de vedere tehnic, ingineria band-gap rămâne un obstacol major: fără band-gap, comutatoarele cu grafen nu se pot opri. În ultimul deceniu, cercetătorii s-au concentrat pe abordarea acestei probleme, dar încă nu au descifrat codul. În plus, fabricarea grafenului trebuie să genereze cristale de calitate și să fie compatibilă cu dispozitivele semiconductoare de oxid de metal (CMOS) complementare existente. Din punct de vedere industrial, este necesară o cantitate mare de capital în fabrici, dar companiile de semiconductori au majoritatea resurselor legate de planurile actuale de îmbunătățire a fabricilor. Mai mult, există un lanț valoric integrat (inclusiv reutilarea de producție la mijloc) pentru siliciu, dar sunt necesare miliarde de investiții pentru a recrea unul pentru grafen.

Având în vedere aceste incertitudini, preconizăm că adoptarea grafenului și creșterea pieței vor avea loc în trei faze: amplificator, înlocuire a siliciului și electronice revoluționare (Exhiba 4).

 
Ne așteptăm ca adoptarea grafenului și creșterea pieței să vină în trei faze

Ne așteptăm ca adoptarea grafenului și creșterea pieței să vină în trei faze

Pe termen scurt, ne așteptăm ca grafenul să fie utilizat ca amplificator pentru siliciu, cu straturi protectoare de grafen folosite pentru a îmbunătăți fiabilitatea și performanța interconexiunilor. În prezent, barierele metalice de nitrură de tantal de 14 nanometri sunt utilizate pe interconexiunile din cupru pentru a preveni difuzia în siliciu. La intervale de mai puțin de zece nanometri, difuzia devine o cauză majoră a defecțiunii dispozitivului - un defect per parte de miliard are ca rezultat o rată de eșec de aproximativ 30 la sută. Barierele din grafen oferă mai multe avantaje față de alte alternative, cum ar fi ruteniul și cobaltul, inclusiv abilități de protecție mai bune la doar o optime din dimensiune și cu viteze de interconectare cu aproximativ 30 la sută mai rapide.

Motivele principale ale lipsei de adoptare a grafenului sunt două. Cerințele pentru transferul grafenului și procesul de acoperire trebuie să fie complet dezvoltate și integrate în etapele de fabricație. În plus, costul grafenului trebuie să scadă semnificativ pentru a permite producția comercială în masă. Previzăm că va dura cel puțin cinci până la zece ani pentru a rezolva aceste probleme pentru ca grafenul să devină o alternativă viabilă a siliciului.

În următorii 10 până la 25 de ani, grafenul ar putea înlocui siliciul ca material primar în semiconductori, presupunând că cercetările descoperă metode pentru a-și depăși limitările band-gap. Chiar și atunci, grafenul va fi utilizat în aplicații în care meritele sale tehnice (cum ar fi viteză mare, cerințe cu pierderi reduse, scară mică și flexibilitate) sunt mai potrivite pentru aplicații electronice decât materialele alternative (Figura 5). Analiza noastră calculează piața totală adresabilă pentru grafen la 190 de miliarde de dolari în procesarea datelor, comunicații fără fir și electronice de larg consum.

Piața totală de funcționare pentru electronicele pe bază de grafen este calculată a fi de aproximativ 190 miliarde USD, pe baza cererii de aplicații de înaltă performanță

Piața totală de funcționare pentru electronicele pe bază de grafen este calculată a fi de aproximativ 190 miliarde USD, pe baza cererii de aplicații de înaltă performanță

Adoptarea este de așteptat să urmeze o tendință de curbă în S similară cu alte tehnologii, intervalul de timp pentru implementare imitând cel mai îndeaproape adoptarea plachetelor. În general, scenariile optimiste arată că potențialul de valoare de piață al semiconductorilor din grafen va fi de aproximativ 70 de miliarde de dolari până în 2030.

Cum ar trebui să procedeze principalii jucători de semiconductori?

Istoria a arătat că unele tehnologii necesită mult timp pentru a se comercializa, dar pot transforma rapid industriile odată ce ajung pe piață. Din experiența noastră, companiile cu experiență în a lansa o rețea largă pentru a descoperi următoarea tehnologie de transformare tind să fie mai pregătite pentru a face față perturbărilor din industrie.

Promisiunea grafenului este contrabalansată de provocările tehnice și comerciale severe discutate, care ar putea împiedica utilizarea sa ca înlocuitor de siliciu. Prin urmare, atunci când evaluează adevăratul potențial al grafenului, directorii de semiconductori ar trebui să utilizeze o abordare structurată a inovației pentru a-și evalua opțiunile. Radiografia de inovare constă din zece întrebări din trei categorii: strategie de inovare, întrerupere a tehnologiei și practici de inovare (Figura 6). Abordarea acestor întrebări poate ajuta liderii de afaceri să aibă o mai bună înțelegere a capacităților organizației lor atunci când urmăresc inovare și să sprijine explorarea diferitelor scenarii cu sau fără adoptarea grafenului. Rezultatul este o strategie care pregătește organizațiile pentru schimbări dramatice, bazate pe tehnologie, în industrie.

Inovația cu raze X constă în zece întrebări pentru turboalimentarea abordării dumneavoastră structurate

Inovația cu raze X constă în zece întrebări pentru turboalimentarea abordării dumneavoastră structurate


După o perioadă lungă și productivă cu siliciu, directorii încep să se gândească la ce ar putea să-l înlocuiască și să ofere o curbă S similară a inovației. Caracteristicile grafenului au stârnit imaginația, dar până în prezent limitările sale fizice l-au împiedicat să fie numit moștenitorul aparent al siliciului. Istoria recentă a inovațiilor tehnologice sugerează că peisajul s-ar putea schimba rapid – astfel, directorii ar trebui să considere grafenul ca pe un concurent serios. Indiferent de rezultatul eventual, întreprinderile cu semiconductori se pot poziționa pentru a face față perturbărilor tehnologice și pot ieși înainte, adoptând o mentalitate concentrată pe inovarea structurată. O lume cu multe necunoscute o cere.

Sursa: Grafen: Următoarea curbă S pentru semiconductori? | McKinsey

Traduceți "