Uusi energiatehokas mikroelektroniikka on digiyhteiskunnan kulmakivi, mutta sen kehittämisessä on huomioitava teknisen suorituskyvyn ja ympäristökestävyyden tasapaino jo tutkimus- ja kehitystyön alkaessa. Tässä blogissa aihetta esittelevät VTT:n tutkijat, jotka kehittävät digiyhteiskuntaa tukevia seuraavan sukupolven teknologioita.
Lue tiivistelmä
- Puolijohdeteknologian kehitys keskittyy energiatehokkuuden parantamiseen ja koon pienentämiseen, mikä on kriittistä jatkuvasti kasvavan datamäärän käsittelyn kannalta.
- Kestävän mikroelektroniikan tuotanto vaatii tasapainon taloudellisten, ympäristöllisten ja yhteiskunnallisten hyötyjen välillä, ja tutkimus kannattaa aloittaa kestävyysnäkökulmista.
- Uudet puolijohdemateriaalit, kuten WBG, mahdollistavat tehokkaammat ja pienemmät elektroniset laitteet, mikä edistää kestäviä liikenneratkaisuja ja uusiutuvan energian käyttöä.
Tiivistelmä on tekoälyn tekemä ja ihmisen tarkistama.
Puolijohdeteollisuudella on valoisa tulevaisuudennäkymä. BCC Research arvioi maailmanlaajuisten puolijohdemarkkinoiden kasvavan 737,2 miljardista dollarista (2025) 1 600 miljardiin vuoteen 2030 mennessä, mikä edellyttäisi 16,1 %:n vuotuista kasvuvauhtia vuosien 2025–2030 aikana. Kasvun taustatekijöitä ovat erityisesti tietojenkäsittelyyn, tekoälyyn ja tietoliikenteeseen tarvittavan laskentatehon kasvava kysyntä. Lisäksi kuluttajaelektroniikan, teollisuuden laitteiden sekä ajoneuvojen jatkuva digitalisaatio vauhdittaa markkinoiden kasvua.
Puolijohdeteknologia kehittyy jatkuvasti erityisesti energiatehokkuuden parantamisen ja koon pienentämisen saralla. Kehittyvä digitaalinen yhteiskunta on riippuvainen katkeamattomasta tietoliikenneyhteydestä ja tiedonsiirrosta, kasvavasta laskentakapasiteetista sekä anturoinnista. Energiatehokkuus onkin ensiarvoista tiedonsiirtomäärien kasvaessa.
Puolijohteiden kestävän valmistamisen haasteet ja kompromissit
Edessä on kuitenkin vakavia haasteita. Puolijohdeteknologia perustuu tiettyihin raaka-aineisiin, jotka on valittu niiden ainutlaatuisten ja laitteen suorituskykyä edistävien ominaisuuksien vuoksi. Monet näistä ovat niin kutsuttuja kriittisiä raaka-aineita, jotka ovat harvinaisia tai jopa myrkyllisiä. Integroitujen piirien tuotanto on monimutkaista ja kallista, ja se edellyttää usein huippuluokan tuotantolaitteistoa. Puolijohteiden valmistamiseen tarvitaan runsaasti resursseja, kuten energiaa, vettä, kemikaaleja ja kriittisiä raaka-aineita, ja valmistuksessa syntyy ilmastonmuutosta vauhdittavia kasvihuonekaasuja ja vesistöjä rehevöittäviä päästöjä. Tuotannossa käytetään myös erittäin myrkyllisiä kemikaaleja.
Puolijohteiden kestävä tuotanto edellyttää taloudellisten hyötyjen sekä ympäristöllisten ja yhteiskunnallisten hyötyjen tasapainottamista. Tuotteen ympäristövaikutukset määritellään pitkälti tutkimus- ja kehitystyön alkuvaiheessa, minkä vuoksi kestävyys on huomioitava kehitystyön alusta alkaen.
Ympäristökestävyyttä voidaan tarkastella mikroelektroniikan T&K-työn alkuvaiheessa esimerkiksi viidellä eri tasolla: elinkaarinäkökulma, sovellus, johon kehitys tähtää, suunnitteluratkaisut, raaka-aineet, ja valmistusnäkökulmat (Konstari, P., & Valkokari, K. (2025) Integration of multi-disciplinary environmental sustainability aspects into early-phase microelectronics research and development. Discover Sustainability, 6(1), 1089) . Seuraavan sukupolven mikroelektroniikkaa kehitettäessä tutkijoiden on huolellisesti valittava käytettävät raaka-aineet, tuotteen rakenne sekä valmistus- ja testausmenetelmät. Päätökset vaikuttavat osaltaan energiankulutukseen, tekniseen suorituskykyyn, raaka-aineiden kulutukseen ja ympäristöjalanjälkeen. Digiyhteiskunnan kehityksen edistämiseksi näitä tekijöitä on arvioitava huolellisesti ympäristöhaittojen vähentämiseksi teknisistä suorituskykyvaatimuksista tinkimättä.
Tarkastellaan kolmen eri teknologian ympäristökestävyyttä
Viestintätekniikka
6G-siirtymä tukee kehittyneitä palveluja, kuten autonomisia ajoneuvoja, älykaupunkeja ja terveydenhuollon etäratkaisuja, jotka edellyttävät entistä suurempaa tiedonsiirtokapasiteettia pienemmällä energiankulutuksella. Ruuhkautuneet radiotaajuuskanavat edellyttävät integroituja radiotaajuussuodattimia (RF BAW-suodattimia) signaalien laadun ja eheyden takaamiseksi. Näiden suodattimien on toimittava entistä tehokkaammin entistä suuremmilla taajuuksilla. Verkkoinfrastruktuuriin tarvitaan pienempiä, massatuotettuja ja suuren tehonsäätelykapasiteetin suodattimia, jotka mahdollistavat tiedonsiirron laajemman kaistanleveyden entistä energiatehokkaammin.
RF-vahvistimet ovat ratkaisun toinen oleellinen osa, ja niiden energiatehokkuutta voidaan parantaa leveän energia-aukon puolijohteilla (WBG) ja muilla uusilla materiaaleilla. WBG-kiekkojen korvaaminen WBG-on-silicon-tekniikalla (monoliittisesti integroitu leveän energia-aukon puolijohde piikiekolla) vähentää kuhunkin laitteeseen tarvittavien kriittisten raaka-aineiden määrää. WBG:n käyttö laitteissa vähentää kookkaiden passiivisten osien, kuten lämpönielujen ja suodattimien, tarvetta ja pienentää epäsuorasti elektroniikan raaka-ainejalanjälkeä.
Tekniikan kehittyessä ympäristökuormitusta voidaan pienentää edelleen optimoimalla malleja ja raaka-aineita, esimerkiksi korvaamalla skandiumin kaltaisia kriittisiä raaka-aineita suorituskykyä heikentämättä.
Uudet tiedonkäsittelymenetelmät
Tekoälyn, muistissa tapahtuvan ja neuromorfisen laskennan sekä muiden tietojenkäsittelyn paradigmojen muuttuessa innovatiiviset arkkitehtuurit edistävät sirujen energiatehokkuuden jatkuvaa parantamista. Nämä keinot minimoivat tiedonsiirron muistin ja suoritinyksiköiden välillä. Kun ratkaisuun lisätään uusia elektroniikkakomponentteja, joiden vastus on ohjelmoitavissa, voivat virrankulutus ja ympäristövaikutukset pienentyä useilla kertaluokilla. Nämä uudet laitteet voidaan toteuttaa sulautettuina ratkaisuina, joissa CMOSin kanssa epäyhteensopivia raaka-aineita hyödyntävät piirit prosessoidaan suoraan CMOS-kiekkojen päälle. Tällaisen CMOS-piirin päälle integroitavat piirit monimutkaistavat valmistusta ja edellyttävät kriittisiä raaka-aineita, mutta vain nanometrien paksuisten materiaalikerrosten ansiosta niiden kulutus on hyvin vähäistä ja ne parantavat lopputuotteen energiatehokkuutta. Hyötyjen maksimoimiseksi T&K-työssä tulee pyrkiä vähentämään kriittisten raaka-aineiden käyttöä ja pienentämään piirien kokoa suorituskyvystä tinkimättä sekä parantamaan valmistusmenetelmiä ja saantoa.
Tehoelektroniikan ja kestävän liikenteen kompromissit
Sähköautojen ja sähkömoottorien käytön laajentuminen teollisuudessa edistävät tehoelektroniikan kehitystä. Tämä koskee erityisesti galliumnitridin (GaN), piikarbidin (SiC) ja muiden leveän energia-aukon puolijohteiden (WBG) hyödyntämistä. Tällaiset raaka-aineet mahdollistavat entistä tehokkaamman sähkötehon ja lämmön hallinnan, mikä vuorostaan edistää pienikokoisempia ja luotettavampia tehomuuntimia. WBG-laitteet parantavat sähköautojen akunkestoa ja toimintasädettä pienentämällä tehohäviöitä. Niiden integrointi tukee myös kestäviä liikenneratkaisuja sekä teollisuuden automatisointia. Kehitystyö keskittyy kustannustehokkaaseen tuotantoon, kriittisten raaka-aineiden optimoituun käyttöön sekä kierrätettävyyden ja elinkaaritehokuuden kaltaisiin ympäristöstrategioihin. Pakkaamisen, lämmönhallinnan ja hallinta-algoritmien systeemitason innovaatiot mahdollistavat älykkäät sähköverkot sekä uusiutuvan energiantuotannon integraatiot. WBG-laitteiden elinkaarta näissä uusissa käyttökohteissa ei vielä täysin tunneta, mutta uusissa tutkimuksissa näille uusille tekniikoille kehitetään kestävyysmittareita.
Tuotannon ja suorituskyvyn vaatimusten tasapaino
Kehittyvät tekniikat mahdollistavat digiyhteiskunnan kehityksen. Puolijohteiden suorituskykyvaatimusten ja niiden valmistuksen ympäristövaikutusten välillä on kuitenkin löydettävä oikea tasapaino. Uusien tekniikoiden kehityksessä keskitytään ensisijaisesti suorituskykyyn, ja tekniikan vakiintuessa huomio siirtyy entistä enemmän suunnitteluratkaisuihin, järjestelmiin ja raaka-aineisiin. On kuitenkin tärkeää, että ympäristökestävyyden näkökulmat tunnistetaan, niitä arvioidaan ja vaihtoehtoisia tekniikoita pohditaan T&K-työn varhaisissa vaiheissa. Tuotannon optimoinnin lisäksi raaka-aineisiin, suunnitteluratkaisuihin, elinkaarinäkökulmaan ja itse käyttösovellukseen liittyviä näkökohtia voidaan käsitellä ja pohtia jo T&K-työn alussa.
Kirjoittajat
- Piia Konstari, Johtaja, mikrovalmistuspalvelut
- Pekka Pursula, tutkimusjohtaja, mikroelektroniikka ja kvanttiteknologia
- Karl-Magnus Persson, erikoistutkija, neuromorfisen teknologian asiantuntija
- Sami Suihkonen, erikoistutkija, leveän energia-aukon puolijohteiden asiantuntija
- Tuomas Pensala, tiimipäällikkö, johtava tutkija, radiotaajussuodattimien asiantuntija
