Spiegazione: GaN (nitruro di gallio) e il futuro della tecnologia che vede

Negli ultimi decenni, lo spazio tecnologico ha visto uno stimolo nell'adozione di soluzioni di ricarica rapida. Che si tratti di uno smartphone, un tablet o persino un laptop, i caricabatterie veloci stanno iniziando a diventare onnipresenti. Sebbene la totalità di queste offerte sia basata sul silicio, la tecnologia sottostante sta iniziando a evolversi in qualcosa di più potente, efficiente e compatto. Tutto ciò dipende fortemente dal GaN (nitruro di gallio), un materiale semiconduttore che ha visto la sua comparsa negli anni '90 e da allora è stato continuamente studiato e visto come un potenziale sostituto del silicio, per non parlare di un modo per ottenere sistemi più potenti ed efficienti con un ingombro ridotto. Per comprendere meglio cos'è il GaN e come potenzialmente riserva il futuro della tecnologia negli anni a venire, ecco una spiegazione.

L'era del silicio

Un rapido approfondimento sullo stato attuale della tecnologia: sin dall'inizio dei sistemi informatici complessi, la tecnologia di base sottostante, che costituisce un framework per questi sistemi, ha visto gradualmente cambiamenti e progressi che hanno portato la moderna potenza di calcolo al punto in cui è oggi — tenendosi suprema per le diverse esigenze.

Al momento, la maggior parte delle persone sarebbe consapevole che il principale elemento essenziale nei sistemi moderni, che si tratti di computer, smartphone o altri dispositivi elettronici moderni, è il silicio (Si). Un materiale semiconduttore che ha sostituito le soluzioni di precedente generazione come il tubo a vuoto grazie alle sue proprietà elettriche superiori. Mentre in generale, la maggior parte dei circuiti, schede madri e altri componenti elettronici presenti su vari dispositivi utilizzano il silicio al loro interno, il materiale un tempo popolare si sta ora avvicinando al suo punto di saturazione.

Per chi non lo sapesse, la legge di Moore, che suggerisce che il numero di transistor su un chipset raddoppia ogni due anni (mentre il costo è dimezzato) e descrive accuratamente la crescita dell'informatica moderna, si avvicina alla fine. Ciò significa essenzialmente che, al momento, gli informatici sembrano aver raggiunto i potenziali limiti del silicio (in particolare con i MOSFET a base di silicio), in cui non sembra plausibile portare progressi e miglioramenti significativi sul tavolo o corrispondere con i MOSFET di Moore legge. Tuttavia, la ricerca secolare per trovare un'alternativa al silicio, che non è solo alla pari ma in alcuni casi superiore, ha portato alla scoperta di nuovo materiale semiconduttore, GaN o nitruro di gallio.

Cos'è il GaN e quali vantaggi offre rispetto al silicio?

Il GaN o nitruro di gallio è un composto chimico che mostra le proprietà dei semiconduttori, i cui studi risalgono agli anni '90. Durante quel periodo, il composto iniziò il suo viaggio nei componenti elettronici con i LED e, in seguito, si fece strada nei lettori Blu-ray. Da allora, il GaN ha trovato il suo impiego nella produzione di transistor, diodi e pochi altri componenti. E quindi, da quello che sembra, il materiale sembra avvicinarsi sempre di più per sostituire il silicio su diverse verticali.

Uno dei fattori distintivi (e più importanti) che separano il GaN dal silicio è un gap di banda più ampio, che è direttamente proporzionale al modo in cui l'elettricità passa attraverso un materiale. Per dare un po' di contesto, il gap di banda offerto da GaN arriva a 3,4 eV, che, rispetto a 1,12 eV di Silicon, è notevolmente più ampio. Di conseguenza, GaN può essenzialmente riuscire a sopportare livelli di tensione più elevati rispetto al silicio e può trasferire energia a velocità più elevate. Quando si tratta di sicurezza, GaN riesce a ridurre il calore dissipato meglio del silicio, il che amplia ulteriormente la portata di soluzioni di ricarica che ora possono essere sia rapide che sicure. In poche parole, ciò che questi vantaggi implicano è che GaN può offrire velocità di elaborazione più elevate rispetto al silicio pur essendo efficiente dal punto di vista energetico, mantenendo un fattore di forma relativamente più piccolo e mantenendo i costi molto bassi.

Un motivo alla base del calo dei costi di produzione ha a che fare con il fatto che i componenti GaN utilizzeranno le stesse procedure di produzione del silicio utilizzate nella produzione dei componenti esistenti a base di silicio per la loro produzione. Anche se, a questo punto, potresti notare che i dispositivi GaN, ad esempio gli adattatori di ricarica basati su GaN, hanno attualmente un prezzo leggermente superiore rispetto alle loro controparti in silicio. Questo perché il costo di produzione è sempre più alto quando devi produrre componenti o dispositivi in ​​piccole quantità, al contrario dei casi in cui la produzione avviene in grandi quantità, il che riduce significativamente il costo di produzione. Quindi, una volta che iniziamo a vedere un aumento nell'adozione del GaN in vari componenti elettronici e tecnologie correlate, il costo finale del prodotto finale sarebbe notevolmente inferiore a quello delle offerte di Silicon.

Tuttavia, ciò non vuol dire che il GaN possa sostituire prontamente del tutto il silicio. Dal momento che, alla fine, si riduce allo scenario del caso d'uso e ai requisiti di un sistema. Ad esempio, GaN potrebbe non essere la scelta ideale per sistemi che, ad esempio, hanno limiti di bassa temperatura o non richiedono trasferimenti di energia più rapidi. E quindi, il silicio sarà ancora rilevante in tali sistemi.

Dove viene (e può essere) utilizzato GaN?

La tecnologia GaN sarà presto testimone di un'adozione immensa nello spazio della tecnologia di ricarica. Poiché gli smartphone spingono soluzioni di ricarica più rapida sulle loro ultime offerte e i clienti sembrano apprezzarle, ci stiamo avvicinando a un punto in cui sempre più produttori stanno cercando di adottare GaN rispetto al silicio. Ciò significa ovviamente che i prossimi caricabatterie per laptop, tablet o persino smartphone offriranno più potenza (~ 65 W), caricheranno i dispositivi rapidamente e avranno dimensioni compatte, pur essendo sicuri da usare. Alcuni dei caricabatterie basati su GaN attualmente disponibili da produttori di accessori di terze parti includono quelli di marchi famosi come RAVPower, Aukey e Anker, solo per citarne alcuni.

Sebbene, al momento, l'adozione del GaN non sia rivoluzionaria, sembra certamente promettente nei prossimi anni. Per cominciare, puoi aspettarti che GaN si faccia lentamente strada nell'avanzamento e nel miglioramento della rete 5G, che alcuni esperti suggeriscono possa aiutare meglio con frequenze inferiori a 6GHz e mmWave. Per non parlare della necessità di aumentare l'efficienza energetica della rete, che la tecnologia GaN sembra offrire meglio delle sue controparti. Sebbene il caso d'uso di GaN per il 5G sia piuttosto vario, in questa discussione stiamo a malapena scalfindo la superficie. Tuttavia, vale la pena ricordare che il tipo di velocità di connessione e copertura prevista con le reti 5G richiede qualcosa di simile sulla falsariga di ciò che GaN promette.

Allo stesso modo, un altro dominio che il potenziale del GaN può aiutare con il miglioramento e l'avanzamento e, a sua volta, sostituire il silicio, sono i componenti elettronici come transistor e amplificatori. Per non parlare dei dispositivi optoelettronici, inclusi laser, LED e pochi altri dispositivi elettronici, che stanno vedendo molto potenziale nel GaN. In tempi recenti, i ricercatori hanno anche scoperto i potenziali vantaggi dell'utilizzo del GaN nelle auto a guida autonoma, che fanno molto affidamento su LiDAR (Light Detection and Ranging) per misurare le distanze tra diversi oggetti.

Cosa impedisce al GaN di farsi strada nel mainstream?

Mentre in misura maggiore, la tecnologia GaN sembra sicuramente promettente quando si tratta di offrire più energia e velocità più elevate a costi ridotti e dimensioni compatte, ci sono ancora molte incertezze e complessità, che devono essere affrontate, che le impediscono di sostituire Silicio su varie verticali. Il più grande dei quali è legato alla sua adozione nello sviluppo di MOSFET che competono testa a testa, se non meglio, di quelli basati sul silicio. Tuttavia, negli ultimi anni sono stati condotti studi per trovare un modo per portare GaN nella produzione di MOSFET e altri campi per il miglioramento del futuro della tecnologia. Quindi, non dovrebbe passare molto tempo prima che iniziamo a vedere il GaN farsi strada nei prodotti di consumo tradizionali.