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Halbleiter sind das unsichtbare Rückgrat der modernen Zivilisation.Fast jede kritische Technologie hängt von Halbleiterinnovationen ab.Die Industrie tritt jedoch in eine neue Phase ein, die über die einfache Herstellung kleiner und schnellerer Chips hinausgeht.

Anstatt allein durch Transistorskalierung getrieben zu werden, wird das nächste Jahrzehnt des Halbleiterfortschritts durch vier miteinander verbundene Säulen geprägt:

1. Halbleitermaterialien der dritten Generation

2. Erweiterte Computerchips für KI

3. Funkfrequenz-Kommunikationschips

4. Hochbandbreiten-Speicher (HBM)

Zusammen werden diese vier Bereiche neu definieren, wie Energie verwaltet wird, wie Intelligenz berechnet wird, wie Informationen übertragen werden und wie Daten gespeichert werden.

1Halbleiter der dritten Generation: Die Grundlage des Zeitalters der Energie und der KI

Seit Jahrzehnten beherrscht Silizium (Si) die Halbleiterindustrie.und das InternetDa sich die Industrie jedoch in Richtung Elektrifizierung, erneuerbare Energien und Hochleistungsrechner bewegt, reicht Silizium allein nicht mehr aus.

Dies hat zur Entstehung von Breitband-Halbleitern geführt, vor allem Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), die gemeinsam als Halbleiter der dritten Generation bekannt sind.

Entwicklung der Halbleitermaterialien

• Erste Generation Silizium (Si):

  • Reife Technologie

  • Niedrige Kosten und hohe Zuverlässigkeit

  • geeignet für Anwendungen mit niedriger bis mittlerer Spannung und Frequenz

• Zweite Generation Galliumarsenid (GaAs):

  • Überlegene Hochfrequenzleistung

  • Weit verbreitet in drahtloser Kommunikation, Satelliten und Optoelektronik

• Dritte Generation SiC und GaN:

  • Viel breitere Bandbreite als Silizium

  • Höhere Abbruchspannung

  • Verbesserte thermische Stabilität

  • geringerer Energieverlust

  • Ideal für Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energien und Hochleistungs-Elektronik

Siliziumkarbid (SiC): Kraft für die elektrische Revolution

SiC hat eine Bandlücke, die etwa dreimal so groß ist wie die des Siliziums, und ein etwa zehnmal höheres elektrisches Abbaufeld.

• Höhere Effizienz bei der Leistungsumwandlung

• Kleinere und leichtere Stromversorgungsgeräte

• Verbesserte Hitzebeständigkeit

• Niedrigere Energieverluste in Hochspannungssystemen

Als Ergebnis wird SiC zu einem Schlüsselmaterial in:

• Umrichter für Elektrofahrzeuge

• Inverter für Sonnenenergie

• Windenergiesysteme

• Infrastruktur für schnelles Laden

• Intelligente Netze

Große globale Unternehmen versuchen, sich zu vergrößern8 Zoll SiC-Wafer Während die frühe Führung aus den USA, Japan und Europa kam, machen die chinesischen Hersteller rasant Fortschritte.SiC zu einer wirklich globalen strategischen Industrie zu machen.

Galliumnitrid (GaN): Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungs-Stromelektronik

GaN bietet eine noch höhere Elektronenmobilität als SiC, was es besonders attraktiv für:

• Datenzentren

• Schnellladegeräte

• 5G-Basisstationen

• Systeme für erneuerbare Energien

Allerdings steht GaN im Vergleich zu SiC immer noch vor Herausforderungen im thermischen Management. Trotzdem wächst sein Markt extrem schnell, insbesondere in der Unterhaltungselektronik und in Hochfrequenz-Stromgeräten.

Insgesamt sind Halbleiter der dritten Generation nicht nur schrittweise Verbesserungen, sondern stellen eine strukturelle Veränderung dar, wie Energie in der gesamten Weltwirtschaft verwaltet wird.

2Weiterentwickelte Computerchips: Die Maschine der Künstlichen Intelligenz

Künstliche Intelligenz ist grundsätzlich ein Rechenproblem. Der schnelle Fortschritt des Deep Learning wurde nicht nur durch bessere Algorithmen, sondern auch durch leistungsstärkere Hardware ermöglicht.

Heute sind GPUs (Graphics Processing Units) aufgrund ihrer parallelen Verarbeitungskapazität zur dominierenden Plattform für die Ausbildung von KI geworden.

Im Vergleich zu herkömmlichen CPUs können GPUs Tausende von Operationen gleichzeitig verarbeiten, was sie ideal für neuronale Netzwerke und groß angelegte Datenverarbeitung macht.

Zu den wichtigsten Trends bei fortschrittlichen Rechenchips gehören:

• Höhere Leistung pro Watt

• Größerer Speicher auf und außerhalb des Chips

• Spezialisierte KI-Beschleuniger

• Eine engere Integration von Rechentechnik und Speicher

In Zukunft werden wir wahrscheinlich sehen:

• Mehr benutzerdefinierte KI-Chips (ASIC)

• Energieeffiziente Edge-KI-Prozessoren

• Hybride Architekturen, die CPU, GPU und KI-Beschleuniger kombinieren

Dies bedeutet, dass die Innovation von Halbleitern zunehmend eher von den Bedürfnissen von KI als von Konsumelektronik getrieben wird.

3. RF-Kommunikationschips: Alles drahtlos verbinden

Die Funkfrequenztechnologie (RF) ist das Rückgrat der drahtlosen Kommunikation und ermöglicht:

• 5G- und zukünftige 6G-Netzwerke

• Satellitenkommunikation

• Radarsysteme

• Das Internet der Dinge (IoT)

• Autonome Fahrzeuge

HF-Integrierte Schaltungen (RFICs) integrieren wichtige Komponenten wie Verstärker, Filter und Modulatoren auf einem einzigen Chip, wodurch die Leistung verbessert und gleichzeitig Größe und Stromverbrauch reduziert werden.

Zu den zukünftigen Richtungen für HF-Chips gehören:

• Höhere Betriebsfrequenzen (Millimeterwellen und darüber hinaus)

• geringerer Stromverbrauch

• Stärkere Integration mit der digitalen Verarbeitung

• Kombination von Kommunikation und Sensorik

Dies bedeutet, dass HF-Chips nicht nur Daten übertragen, sondern auch fortschrittliche Wahrnehmungssysteme in intelligenten Städten, Robotik und autonomem Fahren ermöglichen.

4High-Bandwidth-Speicher (HBM): Durchbrechen des KI-Daten-Flaschenhalses

Da KI-Modelle größer werden, wird die Geschwindigkeit der Datenbewegung genauso wichtig wie die reine Rechenleistung. Traditionelle Speichertechnologien reichen für modernste KI-Systeme nicht mehr aus.

High-Bandwidth Memory (HBM) löst dieses Problem, indem mehrere DRAM-Schichten vertikal gestapelt werden, wodurch ein viel schnellerer Datenweg zwischen Speicher und Prozessoren geschaffen wird.

Zu den Vorteilen von HBM gehören:

• Extrem hohe Datenübertragungsraten

• geringerer Stromverbrauch

• Verringerte Latenzzeit

• Kompaktes Design

Infolgedessen ist HBM zur Standardspeichertechnologie für High-End-GPUs in Rechenzentren und KI-Supercomputern geworden.

In den kommenden Jahren wird die Nachfrage nach HBM voraussichtlich parallel zu KI-Investitionen weltweit steigen.

Schlussfolgerung: Ein neues Semiconductor-Paradigma

Die Zukunft der Halbleiter wird nicht durch einen einzigen Durchbruch bestimmt, sondern durch die Konvergenz von vier Schlüsselbereichen:

• Materialien bestimmen Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit (Halbleitungen der dritten Generation)

• Chips bestimmen die Intelligenz (KI-Beschleuniger und GPUs)

• HF bestimmt die Konnektivität (Wireless-Kommunikationschips)

• Speicher bestimmt Leistung (HBM und Advanced Storage)

Länder und Unternehmen, die diese vier Säulen beherrschen, werden die nächste Ära der Technologie gestalten: von sauberer Energie bis zu künstlicher Intelligenz, von intelligenten Städten bis zu autonomen Systemen.