সিলিকন সেমিকন্ডাক্টর চিপসের ভবিষ্যত সম্ভাবনার অন্বেষণ

প্রযুক্তিতে সেমিকন্ডাক্টরের ভূমিকা কী সংজ্ঞায়িত করে?

উপাদানগুলিকে তাদের বৈদ্যুতিক পরিবাহিতার উপর ভিত্তি করে শ্রেণীবদ্ধ করা যেতে পারে - কন্ডাক্টরগুলিতে সহজে প্রবাহিত হয় কিন্তু ইনসুলেটরে নয়। সেমিকন্ডাক্টরগুলির মধ্যে পড়ে: তারা নির্দিষ্ট পরিস্থিতিতে বিদ্যুৎ পরিচালনা করতে পারে, যা তাদের কম্পিউটিংয়ে অত্যন্ত দরকারী করে তোলে। মাইক্রোচিপগুলির ভিত্তি হিসাবে সেমিকন্ডাক্টরগুলিকে ব্যবহার করে, আমরা ডিভাইসগুলির মধ্যে বিদ্যুতের প্রবাহকে নিয়ন্ত্রণ করতে পারি, সমস্ত উল্লেখযোগ্য ফাংশনগুলিকে সক্ষম করে যা আমরা আজ নির্ভর করি৷

তাদের প্রতিষ্ঠার পর থেকে,সিলিকনচিপ এবং প্রযুক্তি শিল্পে আধিপত্য বিস্তার করেছে, যার ফলে "সিলিকন ভ্যালি" শব্দটি এসেছে। যাইহোক, এটি ভবিষ্যতের প্রযুক্তির জন্য সবচেয়ে উপযুক্ত উপাদান নাও হতে পারে। এটি বোঝার জন্য, আমাদের অবশ্যই চিপগুলি কীভাবে কাজ করে, বর্তমান প্রযুক্তিগত চ্যালেঞ্জগুলি এবং ভবিষ্যতে সিলিকনকে প্রতিস্থাপন করতে পারে এমন উপকরণগুলিকে পুনর্বিবেচনা করতে হবে।

কিভাবে মাইক্রোচিপ কম্পিউটার ভাষায় ইনপুট অনুবাদ করে?

মাইক্রোচিপগুলি ট্রানজিস্টর নামক ক্ষুদ্র সুইচ দিয়ে ভরা হয়, যা কীবোর্ড ইনপুট এবং সফ্টওয়্যার প্রোগ্রামগুলিকে কম্পিউটারের ভাষায় অনুবাদ করে—বাইনারী কোড। যখন একটি সুইচ খোলা থাকে, কারেন্ট প্রবাহিত হতে পারে, একটি '1' প্রতিনিধিত্ব করে; বন্ধ হয়ে গেলে, এটি '0' প্রতিনিধিত্ব করতে পারে না। আধুনিক কম্পিউটার যা কিছু করে তা শেষ পর্যন্ত এই সুইচগুলিতে ফুটে ওঠে।

কয়েক দশক ধরে, আমরা মাইক্রোচিপগুলিতে ট্রানজিস্টরের ঘনত্ব বাড়িয়ে কম্পিউটিং শক্তি উন্নত করেছি। যদিও প্রথম মাইক্রোচিপটিতে শুধুমাত্র একটি ট্রানজিস্টর ছিল, আজকে আমরা কোটি কোটি এই ক্ষুদ্র সুইচগুলিকে একটি আঙুলের নখের আকারের চিপে আবদ্ধ করতে পারি।

প্রথম মাইক্রোচিপ জার্মেনিয়াম দিয়ে তৈরি হয়েছিল, কিন্তু প্রযুক্তি শিল্প দ্রুত তা বুঝতে পেরেছিলসিলিকনচিপ উত্পাদন জন্য একটি উচ্চতর উপাদান ছিল. সিলিকনের প্রাথমিক সুবিধাগুলির মধ্যে রয়েছে এর প্রাচুর্যতা, কম খরচ এবং উচ্চতর গলনাঙ্ক, যার মানে এটি উন্নত তাপমাত্রায় আরও ভাল কাজ করে। উপরন্তু, সিলিকন অন্যান্য উপকরণের সাথে "ডোপড" করা সহজ, যা প্রকৌশলীদের বিভিন্ন উপায়ে এর পরিবাহিতা সামঞ্জস্য করতে দেয়।

আধুনিক কম্পিউটিংয়ে সিলিকন কোন চ্যালেঞ্জের সম্মুখীন হয়?

ক্রমাগত ট্রানজিস্টরগুলিকে সঙ্কুচিত করে দ্রুততর, আরও শক্তিশালী কম্পিউটার তৈরি করার ক্লাসিক কৌশলসিলিকনচিপস নড়বড়ে হতে শুরু করেছে। পেনসিলভানিয়া বিশ্ববিদ্যালয়ের প্রকৌশল বিভাগের অধ্যাপক দীপ জারিওয়ালা 2022 সালের ওয়াল স্ট্রিট জার্নালের সাথে একটি সাক্ষাত্কারে বলেছিলেন, "যদিও সিলিকন এত ছোট মাত্রায় কাজ করতে পারে, একটি গণনার জন্য প্রয়োজনীয় শক্তি দক্ষতা বৃদ্ধি পাচ্ছে, এটি অত্যন্ত অস্থির করে তুলেছে৷ শক্তির দৃষ্টিকোণ থেকে, এটি আর অর্থবোধ করে না।"

পরিবেশের আরও ক্ষতি না করে আমাদের প্রযুক্তির উন্নতি চালিয়ে যেতে, আমাদের অবশ্যই এই টেকসই সমস্যার সমাধান করতে হবে। এই সাধনায়, কিছু গবেষক গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (GaN), গ্যালিয়াম এবং নাইট্রোজেন থেকে তৈরি একটি যৌগ সহ সিলিকন ছাড়া অন্য অর্ধপরিবাহী পদার্থ থেকে তৈরি চিপগুলি ঘনিষ্ঠভাবে পরীক্ষা করছেন।

কেন গ্যালিয়াম নাইট্রাইড একটি অর্ধপরিবাহী পদার্থ হিসাবে মনোযোগ আকর্ষণ করছে?

সেমিকন্ডাক্টরগুলির বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা পরিবর্তিত হয়, প্রাথমিকভাবে যা "ব্যান্ডগ্যাপ" নামে পরিচিত তার কারণে। নিউক্লিয়াসে প্রোটন এবং নিউট্রন ক্লাস্টার, যখন ইলেকট্রন তার চারপাশে প্রদক্ষিণ করে। বিদ্যুৎ সঞ্চালনের জন্য একটি উপাদানের জন্য, ইলেকট্রনগুলি অবশ্যই "ভ্যালেন্স ব্যান্ড" থেকে "পরিবাহী ব্যান্ড" এ লাফ দিতে সক্ষম হবে। এই পরিবর্তনের জন্য প্রয়োজনীয় ন্যূনতম শক্তি উপাদানটির ব্যান্ডগ্যাপকে সংজ্ঞায়িত করে।

কন্ডাক্টরগুলিতে, এই দুটি অঞ্চল ওভারল্যাপ হয়, যার ফলে কোনও ব্যান্ডগ্যাপ হয় না - ইলেকট্রনগুলি এই উপাদানগুলির মধ্য দিয়ে অবাধে যেতে পারে। ইনসুলেটরগুলিতে, ব্যান্ডগ্যাপটি খুব বড়, যা উল্লেখযোগ্য শক্তি প্রয়োগ করেও ইলেকট্রনগুলির পক্ষে অতিক্রম করা কঠিন করে তোলে। সেমিকন্ডাক্টর, সিলিকনের মত, একটি মধ্যম স্থল দখল করে;সিলিকন1.12 ইলেক্ট্রন ভোল্ট (eV) এর ব্যান্ডগ্যাপ রয়েছে, যেখানে গ্যালিয়াম নাইট্রাইড 3.4 eV এর ব্যান্ডগ্যাপ নিয়ে গর্ব করে, এটিকে "ওয়াইড ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর" (WBGS) হিসাবে শ্রেণীবদ্ধ করে।

WBGS উপাদানগুলি পরিবাহিতা বর্ণালীতে অন্তরকগুলির কাছাকাছি, দুটি ব্যান্ডের মধ্যে ইলেকট্রনগুলিকে সরানোর জন্য আরও শক্তির প্রয়োজন হয়, যা খুব কম-ভোল্টেজ অ্যাপ্লিকেশনের জন্য তাদের অনুপযুক্ত করে তোলে। যাইহোক, WBGS এর চেয়ে বেশি ভোল্টেজ, তাপমাত্রা এবং শক্তি ফ্রিকোয়েন্সিতে কাজ করতে পারেসিলিকন ভিত্তিকসেমিকন্ডাক্টর, যেগুলি ব্যবহার করে এমন ডিভাইসগুলিকে দ্রুত এবং আরও দক্ষতার সাথে চালানোর অনুমতি দেয়।

কেমব্রিজ গ্যাএন সেন্টারের ডিরেক্টর রাচেল অলিভার, ফ্রিথিঙ্ককে বলেন, “আপনি যদি ফোন চার্জারে হাত দেন তাহলে গরম লাগবে; এটি সিলিকন চিপ দ্বারা নষ্ট শক্তি। GaN চার্জারগুলি স্পর্শে অনেক শীতল বোধ করে - উল্লেখযোগ্যভাবে কম শক্তি অপচয় হয়।"

গ্যালিয়াম এবং এর যৌগগুলি কয়েক দশক ধরে প্রযুক্তি শিল্পে ব্যবহার করা হয়েছে, যার মধ্যে আলো-নির্গত ডায়োড, লেজার, সামরিক রাডার, স্যাটেলাইট এবং সৌর কোষ রয়েছে। তবে,গ্যালিয়াম নাইট্রাইডবর্তমানে গবেষকদের ফোকাস যারা প্রযুক্তিকে আরও শক্তিশালী এবং শক্তি-দক্ষ করার আশা করছেন।

গ্যালিয়াম নাইট্রাইড ভবিষ্যতের জন্য কী প্রভাব ফেলে?

অলিভার যেমন উল্লেখ করেছেন, GaN ফোন চার্জার ইতিমধ্যেই বাজারে রয়েছে, এবং গবেষকরা দ্রুত বৈদ্যুতিক গাড়ির চার্জার বিকাশের জন্য এই উপাদানটি ব্যবহার করার লক্ষ্য রেখেছেন, বৈদ্যুতিক যানবাহন সম্পর্কিত একটি উল্লেখযোগ্য ভোক্তা উদ্বেগকে মোকাবেলা করে। "বৈদ্যুতিক গাড়ির মতো ডিভাইসগুলি আরও দ্রুত চার্জ করতে পারে," অলিভার বলেছিলেন। "পোর্টেবল পাওয়ার এবং দ্রুত চার্জিং প্রয়োজন এমন যেকোনো কিছুর জন্য, গ্যালিয়াম নাইট্রাইডের উল্লেখযোগ্য সম্ভাবনা রয়েছে।"

গ্যালিয়াম নাইট্রাইডসামরিক বিমান এবং ড্রোনগুলির রাডার সিস্টেমগুলিকেও উন্নত করতে পারে, যাতে তারা আরও দূরত্ব থেকে লক্ষ্য এবং হুমকি সনাক্ত করতে পারে এবং ডেটা সেন্টার সার্ভারগুলির দক্ষতা উন্নত করতে পারে, যা এআই বিপ্লবকে সাশ্রয়ী এবং টেকসই করার জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

যে দেওয়াগ্যালিয়াম নাইট্রাইডঅনেক দিক থেকে উৎকর্ষ এবং কিছু সময়ের জন্য কাছাকাছি হয়েছে, কেন মাইক্রোচিপ শিল্প সিলিকন চারপাশে নির্মাণ অবিরত? উত্তর, সর্বদা হিসাবে, খরচের মধ্যে রয়েছে: GaN চিপগুলি তৈরি করা আরও ব্যয়বহুল এবং জটিল। খরচ কমাতে এবং উৎপাদন স্কেল করতে সময় লাগবে, কিন্তু মার্কিন সরকার এই উদীয়মান শিল্পকে কিকস্টার্ট করার জন্য সক্রিয়ভাবে কাজ করছে।

2024 সালের ফেব্রুয়ারিতে, মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র অর্ধপরিবাহী উত্পাদনকারী সংস্থা গ্লোবালফাউন্ড্রিজকে চিপস এবং বিজ্ঞান আইনের অধীনে দেশীয় চিপ উত্পাদন সম্প্রসারণের জন্য $1.5 বিলিয়ন বরাদ্দ করেছিল।

 এই তহবিলের একটি অংশ ভার্মন্টে একটি উত্পাদন সুবিধা আপগ্রেড করতে ব্যবহার করা হবে, এটিকে ব্যাপকভাবে উত্পাদন করতে সক্ষম করেগ্যালিয়াম নাইট্রাইড(GaN) সেমিকন্ডাক্টর, এমন একটি ক্ষমতা যা বর্তমানে মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রে অনুধাবন করা হয়নি তহবিল ঘোষণা অনুসারে, এই সেমিকন্ডাক্টরগুলিকে বৈদ্যুতিক যানবাহন, ডেটা সেন্টার, স্মার্টফোন, পাওয়ার গ্রিড এবং অন্যান্য প্রযুক্তিতে ব্যবহার করা হবে। 

যাইহোক, এমনকি যদি মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র তার উত্পাদন খাত জুড়ে স্বাভাবিক ক্রিয়াকলাপ পুনরুদ্ধার করতে পরিচালিত করে তবে এর উত্পাদনGaNচিপগুলি গ্যালিয়ামের স্থিতিশীল সরবরাহের উপর নির্ভরশীল, যা বর্তমানে নিশ্চিত নয়। 

যদিও গ্যালিয়াম বিরল নয় - এটি পৃথিবীর ভূত্বকের মধ্যে তামার সাথে তুলনীয় স্তরে উপস্থিত থাকে - এটি তামার মতো বড়, খননযোগ্য আমানতে বিদ্যমান নেই। তা সত্ত্বেও, অ্যালুমিনিয়াম এবং জিঙ্কযুক্ত আকরিকগুলিতে গ্যালিয়ামের ট্রেস পরিমাণ পাওয়া যায়, যা এই উপাদানগুলির প্রক্রিয়াকরণের সময় এটি সংগ্রহের অনুমতি দেয়। 

2022 সালের হিসাবে, বিশ্বের গ্যালিয়ামের প্রায় 90% চীনে উত্পাদিত হয়েছিল। এদিকে, মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র 1980 সাল থেকে গ্যালিয়াম উত্পাদন করেনি, এর 53% গ্যালিয়াম চীন থেকে আমদানি করা হয়েছে এবং অবশিষ্ট অন্যান্য দেশ থেকে উৎসারিত হয়েছে। 

2023 সালের জুলাইয়ে, চীন ঘোষণা করেছিল যে এটি জাতীয় নিরাপত্তার কারণে গ্যালিয়াম এবং অন্য উপাদান, জার্মেনিয়াম রপ্তানি সীমাবদ্ধ করা শুরু করবে। 

চীনের প্রবিধানগুলি মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রে গ্যালিয়াম রপ্তানি সম্পূর্ণ নিষিদ্ধ করে না, তবে তাদের সম্ভাব্য ক্রেতাদের অনুমতির জন্য আবেদন করতে হবে এবং চীনা সরকারের কাছ থেকে অনুমোদন নিতে হবে। 

মার্কিন প্রতিরক্ষা ঠিকাদাররা প্রত্যাখ্যানের মুখোমুখি হওয়ার প্রায় নিশ্চিত, বিশেষ করে যদি তারা চীনের "অনির্ভরযোগ্য সত্তা তালিকায়" তালিকাভুক্ত হয়। এখনও অবধি, এই বিধিনিষেধগুলির ফলে গ্যালিয়ামের দাম বেড়েছে এবং বেশিরভাগ চিপ নির্মাতাদের জন্য বর্ধিত অর্ডার ডেলিভারি সময় হয়েছে, সম্পূর্ণ ঘাটতির পরিবর্তে, যদিও চীন ভবিষ্যতে এই উপাদানটির উপর তার নিয়ন্ত্রণ কঠোর করতে বেছে নিতে পারে। 

মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র দীর্ঘকাল ধরে গুরুত্বপূর্ণ খনিজগুলির জন্য চীনের উপর তার অত্যধিক নির্ভরতার সাথে সম্পর্কিত ঝুঁকিগুলিকে স্বীকৃতি দিয়েছে — 2010 সালে জাপানের সাথে বিরোধের সময়, চীন অস্থায়ীভাবে বিরল মাটির ধাতু রপ্তানি নিষিদ্ধ করেছিল। 2023 সালে চীন তার বিধিনিষেধ ঘোষণা করার সময়, মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র ইতিমধ্যে তার সরবরাহ চেইন শক্তিশালী করার পদ্ধতিগুলি অন্বেষণ করছে। 

সম্ভাব্য বিকল্পগুলির মধ্যে রয়েছে অন্যান্য দেশ থেকে গ্যালিয়াম আমদানি করা, যেমন কানাডা (যদি তারা পর্যাপ্ত পরিমাণে উৎপাদন বাড়াতে পারে), এবং ইলেকট্রনিক বর্জ্য থেকে উপাদান পুনর্ব্যবহার করা - এই এলাকায় গবেষণাটি মার্কিন প্রতিরক্ষা বিভাগের অ্যাডভান্সড রিসার্চ প্রজেক্ট এজেন্সি দ্বারা অর্থায়ন করা হচ্ছে৷ 

গ্যালিয়ামের অভ্যন্তরীণ সরবরাহ স্থাপন করাও একটি বিকল্প। 

Nyrstar, নেদারল্যান্ডস ভিত্তিক একটি কোম্পানি, ইঙ্গিত দিয়েছে যে টেনেসিতে তার জিঙ্ক প্ল্যান্ট বর্তমান মার্কিন চাহিদার 80% মেটাতে যথেষ্ট গ্যালিয়াম বের করতে পারে, কিন্তু প্রক্রিয়াকরণ সুবিধাটি নির্মাণ করতে $190 মিলিয়ন পর্যন্ত খরচ হবে। কোম্পানিটি বর্তমানে সম্প্রসারণ তহবিলের জন্য মার্কিন সরকারের সাথে আলোচনা করছে।

সম্ভাব্য গ্যালিয়াম উত্সগুলির মধ্যে রাউন্ড টপ, টেক্সাসে একটি আমানত অন্তর্ভুক্ত রয়েছে। 2021 সালে, মার্কিন ভূতাত্ত্বিক জরিপ অনুমান করেছে যে এই আমানতে প্রায় 36,500 টন গ্যালিয়াম রয়েছে - তুলনা করে, চীন 2022 সালে 750 টন গ্যালিয়াম উত্পাদন করেছিল। 

সাধারণত, গ্যালিয়াম ট্রেস পরিমাণে ঘটে এবং অত্যন্ত বিচ্ছুরিত হয়; যাইহোক, 2024 সালের মার্চ মাসে, আমেরিকান ক্রিটিক্যাল ম্যাটেরিয়ালস কর্পোরেশন মন্টানার কুটেনাই ন্যাশনাল ফরেস্টে উচ্চ-মানের গ্যালিয়ামের তুলনামূলকভাবে উচ্চ ঘনত্বের একটি আমানত আবিষ্কার করে। 

বর্তমানে, টেক্সাস এবং মন্টানা থেকে গ্যালিয়াম এখনও বের করা হয়নি, তবে আইডাহো ন্যাশনাল ল্যাবরেটরি এবং আমেরিকান ক্রিটিক্যাল ম্যাটেরিয়ালস কর্পোরেশনের গবেষকরা এই উপাদানটি পাওয়ার জন্য একটি পরিবেশ বান্ধব পদ্ধতি বিকাশ করতে সহযোগিতা করছেন। 

মাইক্রোচিপ প্রযুক্তি উন্নত করার জন্য মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের জন্য গ্যালিয়াম একমাত্র বিকল্প নয়—চীন কিছু সীমাবদ্ধ উপাদান ব্যবহার করে আরও উন্নত চিপ তৈরি করতে পারে, যা কিছু ক্ষেত্রে গ্যালিয়াম-ভিত্তিক চিপগুলিকে ছাড়িয়ে যেতে পারে। 

অক্টোবর 2024 সালে, চিপ প্রস্তুতকারক ওল্ফস্পিড মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রে সবচেয়ে বড় সিলিকন কার্বাইড (এসআইসি নামেও পরিচিত) চিপ উত্পাদন সুবিধা তৈরি করতে চিপস অ্যাক্টের মাধ্যমে $750 মিলিয়ন ডলার পর্যন্ত তহবিল সুরক্ষিত করেছিল।গ্যালিয়াম নাইট্রাইডকিন্তু কিছু নির্দিষ্ট অ্যাপ্লিকেশনের জন্য পছন্দনীয়, যেমন উচ্চ-শক্তি সৌর বিদ্যুৎ কেন্দ্র। 

অলিভার ফ্রিথিঙ্ককে বলেন, "গ্যালিয়াম নাইট্রাইড নির্দিষ্ট ভোল্টেজ রেঞ্জে খুব ভালো কাজ করে, যখনসিলিকন কার্বাইডঅন্যদের থেকে ভালো পারফর্ম করে। সুতরাং এটি নির্ভর করে আপনি যে ভোল্টেজ এবং শক্তির সাথে কাজ করছেন তার উপর।" 

মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র ওয়াইড-ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টরগুলির উপর ভিত্তি করে মাইক্রোচিপগুলিতে গবেষণার জন্য অর্থায়ন করছে, যেগুলির ব্যান্ডগ্যাপ 3.4 eV-এর বেশি। এই উপকরণগুলির মধ্যে রয়েছে হীরা, অ্যালুমিনিয়াম নাইট্রাইড এবং বোরন নাইট্রাইড; যদিও এগুলি ব্যয়বহুল এবং প্রক্রিয়াকরণের জন্য চ্যালেঞ্জিং, এই উপকরণগুলি থেকে তৈরি চিপগুলি একদিন কম পরিবেশগত খরচে অসাধারণ নতুন কার্যকারিতা প্রদান করতে পারে।

 "আপনি যদি উপকূলীয় গ্রিডে অফশোর বায়ু শক্তি প্রেরণে জড়িত থাকতে পারে এমন ভোল্টেজের ধরণের কথা বলছেন,গ্যালিয়াম নাইট্রাইডউপযুক্ত নাও হতে পারে, কারণ এটি সেই ভোল্টেজ পরিচালনা করতে পারে না, "অলিভার ব্যাখ্যা করেছিলেন। "অ্যালুমিনিয়াম নাইট্রাইডের মতো উপকরণ, যা প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ, করতে পারে।"