Di Dan Green
In questo momento, l'industria dei semiconduttori si concentra giustamente sull'imminente inflessione della Legge di Moore, la famosa proiezione tecnologica che sta alla base del sorprendente progresso dell'era della microelettronica e del suo potenziale impatto sul progresso e il dominio continui della tecnologia del silicio. Ciò significa che vale la pena considerare un'altra prospettiva visionaria nella storia dei microsistemi. Mentre la nascente Advanced Research Projects Agency (ARPA) trascorreva il suo anniversario di un anno nel 1959, il Prof. Richard Feynman di Caltech tenne uno dei suoi colloqui più famosi e consequenziali, intitolato "C'è molto spazio in fondo".
Simile a Gordon Moore, Feynman ha anticipato molte delle opportunità di progresso tecnologico che si trovano nel regno dei sistemi in microscala. Tuttavia, Feynman ha adottato una visione molto più incisiva che ha messo in evidenza le possibilità esotiche che sarebbero emerse con la capacità di manipolare strutture su scala atomica. DARPA ha svolto un ruolo centrale nel dare vita a molte di queste strutture "esotiche", compresi i semiconduttori, con capacità che vanno oltre le prodezze dell'elaborazione binaria che l'elettronica al silicio sta realizzando da mezzo secolo.
Il discorso di Feynman ha ispirato un risorgente interesse negli anni '80 poiché le sue idee speculative di nanotecnologia e la capacità di adattare i materiali su scala atomica si stavano avvicinando in modo allettante alla realizzazione. A quel tempo, le emergenti tecniche di crescita dei cristalli consentivano la creazione di una classe di materiali noti come semiconduttori composti, in cui la composizione chimica o la lega esatte potevano essere variate a livello atomico su base strato per strato. In particolare, l'arseniuro di gallio (GaAs) e le sue leghe sono emerse come nuovi materiali meravigliosi che hanno permesso ai transistor di operare ben oltre i limiti di prestazione del silicio. DARPA ha identificato il potenziale per i nuovi transistor GaAs di muovere gli elettroni più velocemente e quindi operare a frequenze più elevate nello spettro elettromagnetico. Sebbene questa nuova tecnologia non sostituisca la tecnologia al silicio per una logica digitale altamente integrata, DARPA ha anticipato il suo valore per consentire alla prossima generazione di sistemi radar e di comunicazione. A tal fine, nel 1988 la DARPA ha assunto la direzione dell'Ufficio del Segretario alla Difesa (OSD) per eseguire il programma MIMIC (Microwave Integrated Wave Circuit) e microonde, che l'OSD aveva sollevato due anni prima.
Il programma MIMIC, che ha funzionato fino al 1995, ha avuto un profondo impatto sull'industria, poiché ha cercato di sviluppare modi e mezzi per integrare materiali e componenti ad alta frequenza in tecnologie di rilevanza militare, come radio e radar, e di stabilire una base industriale affidabile per fare queste cose. In effetti, il programma MIMIC è stato in grado di realizzare la tecnologia a transistor GaAs che ha portato a una nuova classe di componenti front-end RF (radiofrequenza). La parte frontale di un sistema RF è la tecnologia dell'amplificatore che invia e riceve segnali nello spettro elettromagnetico. La tecnologia MIMIC di DARPA, in particolare le tecniche di integrazione che ne sono derivate, ha consentito al Dipartimento della Difesa (DOD) di creare radio e sistemi radar che coinvolgono lo spettro a frequenze e larghezze di banda più elevate che mai.
L'uso della tecnologia GaAs nei sistemi DOD continua ancora oggi.
In particolare MIMIC di DARPA, la tecnologia delle tecniche di integrazione che ne è derivata, ha consentito al DOD di realizzare radio e sistemi radar che coinvolgono lo spettro a frequenze più elevate e larghezze di banda che mai.
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| Un soldato con 3-6 FA, 1BCT, 10th Mountain Division, naviga nel nuovo sistema Precision Fires – Smontato che consente ai soldati di visualizzare video full-motion in streaming dal vivo da veicoli aerei senza pilota attraverso un'app su smartphone approvati. L'onnipresente tecnologia cellulare utilizzata in tutto il mondo deve la sua esistenza in parte allo sviluppo del settore dei semiconduttori GaAs reso possibile dalla ricerca finanziata da DARPA. |
Oltre alle applicazioni di difesa, gli amplificatori GaAs ad alta frequenza hanno fornito un elemento chiave del puzzle al settore commerciale nel tentativo di stabilire la tecnologia dei telefoni cellulari recentemente sviluppata negli anni '90. I transistor GaAs hanno consentito ai telefoni portatili con batterie di piccole dimensioni di stabilire il collegamento di comunicazione critico con le torri. Fino ad oggi, ogni smartphone contiene un piccolo pezzo di GaAs per svolgere questa funzione critica e gli Stati Uniti godono di una quota dominante dei fornitori di questo settore dei semiconduttori multimiliardario a seguito dell'investimento di DARPA nel programma MIMIC.
Il successo della tecnologia GaAs ha dimostrato l'importanza della difesa e la fattibilità commerciale della tecnologia dei semiconduttori oltre il silicio e ha trasformato un materiale di ricerca un tempo esotico in una tecnologia di base. Tuttavia, anche quando GaAs stava maturando in un settore, i ricercatori sponsorizzati dall'Office of Naval Research (ONR) e altrove avevano già iniziato a identificare il prossimo salto nei materiali a semiconduttore. I materiali a semiconduttore a banda larga (WBGS) sono stati identificati come promettenti grazie alla loro capacità di muovere rapidamente gli elettroni come i GaA ma anche di gestire grandi campi elettrici.
Questa combinazione di alta capacità di corrente e alta tensione determina la capacità di fornire più potenza RF. Mentre diversi materiali candidati venivano sviluppati in tutto il mondo, DARPA considerava il nitruro di gallio (GaN) e le sue leghe il più promettente e stabilì il programma Wide Band Gap Semiconductor-RF (WBGS-RF) per far avanzare rapidamente la tecnologia.
Il programma WBGS-RF ha cercato di far maturare un materiale non provato con un evidente potenziale in una tecnologia di rilevanza industriale che potesse favorire la causa della difesa nazionale. Lanciato nei primi anni 2000, il programma è iniziato con materiale GaN che è stato consegnato su piccoli wafer a semiconduttore (diametro di 2 pollici) che avevano un gran numero di micropipi o buchi, simile a una fetta di formaggio svizzero. Da questo stato infausto, il programma WBGS-RF ha affrontato sistematicamente le sfide relative ai materiali prima di affrontare progressivamente e con successo le sfide relative alla progettazione di dispositivi e circuiti. In definitiva, la tecnologia GaN ha mantenuto la sua promessa e viene ora utilizzata nella prossima generazione di tecnologia radar, come il radar della difesa aerea e missilistica (AMDR) della Marina. E c'è ancora molto da fare: GaN è ora parte dei portafogli tecnologici di tutti i principali lettori di semiconduttori RF. Ancora una volta gli Stati Uniti hanno un ruolo dominante in questo mercato emergente.
Gli sforzi della DARPA hanno permesso ai semiconduttori composti di spostarsi dai margini della ricerca all'industria dei semiconduttori mainstream. Hanno anche guidato la tecnologia tradizionale del silicio per abbracciare varianti che includono leghe di silicio. In particolare, la miscelazione di silicio e germanio è una tecnologia che DARPA ha sostenuto negli anni 2000 con il programma Technology for Efficient, Agile Microsystems (TEAM). Il germanio (Ge) era la base materiale per il transistor Bell Labs originale creato nel 1947; tuttavia, questo materiale fu presto abbandonato a favore del silicio a causa dei problemi di affidabilità del germanio e dei vantaggi di lavorazione del silicio. L'intuizione che ha riportato Ge era che, sebbene non fosse utile da solo, una pila di materiali che includeva un mix di Ge con Si, o SiGe, permetteva che l'ingegneria a livello atomico di dispositivi con prestazioni RF migliorate fosse costruita accanto dispositivi logici al silicio convenzionali ad alta densità. Questa tecnologia non possedeva i vantaggi prestazionali completi degli altri semiconduttori composti, come GaAs e GaN, ma aveva la capacità di produrre chip che mescolavano funzioni analogiche e digitali. Questa caratteristica si è rivelata estremamente utile e la tecnologia SiGe è ora dominante per la fornitura di soluzioni commerciali a bassa potenza per applicazioni come amplificatori WiFi locali e ora potenzialmente per sistemi a matrice di fasi per radio di comunicazione 5G.
Il successo della tecnologia GaAs ha dimostrato l'importanza della difesa e la fattibilità commerciale della tecnologia dei semiconduttori oltre il silicio e ha trasformato un materiale di ricerca un tempo esotico in una tecnologia di base. Tuttavia, anche quando GaAs stava maturando in un settore, i ricercatori sponsorizzati dall'Office of Naval Research (ONR) e altrove avevano già iniziato a identificare il prossimo salto nei materiali a semiconduttore. I materiali a semiconduttore a banda larga (WBGS) sono stati identificati come promettenti grazie alla loro capacità di muovere rapidamente gli elettroni come i GaA ma anche di gestire grandi campi elettrici.
Questa combinazione di alta capacità di corrente e alta tensione determina la capacità di fornire più potenza RF. Mentre diversi materiali candidati venivano sviluppati in tutto il mondo, DARPA considerava il nitruro di gallio (GaN) e le sue leghe il più promettente e stabilì il programma Wide Band Gap Semiconductor-RF (WBGS-RF) per far avanzare rapidamente la tecnologia.
Il programma WBGS-RF ha cercato di far maturare un materiale non provato con un evidente potenziale in una tecnologia di rilevanza industriale che potesse favorire la causa della difesa nazionale. Lanciato nei primi anni 2000, il programma è iniziato con materiale GaN che è stato consegnato su piccoli wafer a semiconduttore (diametro di 2 pollici) che avevano un gran numero di micropipi o buchi, simile a una fetta di formaggio svizzero. Da questo stato infausto, il programma WBGS-RF ha affrontato sistematicamente le sfide relative ai materiali prima di affrontare progressivamente e con successo le sfide relative alla progettazione di dispositivi e circuiti. In definitiva, la tecnologia GaN ha mantenuto la sua promessa e viene ora utilizzata nella prossima generazione di tecnologia radar, come il radar della difesa aerea e missilistica (AMDR) della Marina. E c'è ancora molto da fare: GaN è ora parte dei portafogli tecnologici di tutti i principali lettori di semiconduttori RF. Ancora una volta gli Stati Uniti hanno un ruolo dominante in questo mercato emergente.
Gli sforzi della DARPA hanno permesso ai semiconduttori composti di spostarsi dai margini della ricerca all'industria dei semiconduttori mainstream. Hanno anche guidato la tecnologia tradizionale del silicio per abbracciare varianti che includono leghe di silicio. In particolare, la miscelazione di silicio e germanio è una tecnologia che DARPA ha sostenuto negli anni 2000 con il programma Technology for Efficient, Agile Microsystems (TEAM). Il germanio (Ge) era la base materiale per il transistor Bell Labs originale creato nel 1947; tuttavia, questo materiale fu presto abbandonato a favore del silicio a causa dei problemi di affidabilità del germanio e dei vantaggi di lavorazione del silicio. L'intuizione che ha riportato Ge era che, sebbene non fosse utile da solo, una pila di materiali che includeva un mix di Ge con Si, o SiGe, permetteva che l'ingegneria a livello atomico di dispositivi con prestazioni RF migliorate fosse costruita accanto dispositivi logici al silicio convenzionali ad alta densità. Questa tecnologia non possedeva i vantaggi prestazionali completi degli altri semiconduttori composti, come GaAs e GaN, ma aveva la capacità di produrre chip che mescolavano funzioni analogiche e digitali. Questa caratteristica si è rivelata estremamente utile e la tecnologia SiGe è ora dominante per la fornitura di soluzioni commerciali a bassa potenza per applicazioni come amplificatori WiFi locali e ora potenzialmente per sistemi a matrice di fasi per radio di comunicazione 5G.
A SINISTRA SOPRA: wafer di arsenuro di gallio monocristallino da 2 pollici incontaminato Le caratteristiche viola sono il riflesso di un guanto in nitrile.
A DESTRA SOPRA: il transistor GaN-on-diamond ad alta mobilità elettronica (HEMT) di DARPA ha dimostrato proprietà termiche migliorate che possono portare a migliori prestazioni per i sistemi RF.
A DESTRA: I ricercatori supportati da DARPA presso l'Università del Michigan hanno fatto progressi significativi con un'unità di misurazione del tempo e di inerzia (TIMU) che contiene tutto il necessario per facilitare la navigazione quando il GPS è temporaneamente non disponibile.
Il prototipo TIMU a chip singolo contiene un IMU a sei assi (tre giroscopi e tre accelerometri) e integra un master clock ad alta precisione in un singolo sistema in miniatura, più piccolo delle dimensioni di un centesimo. Questo chip IMU integra dispositivi innovativi (orologi, giroscopi e accelerometri), materiali e progetti del programma Micro-tecnologia DARPA per posizionamento, navigazione e temporizzazione (Micro-PNT).
A DESTRA SOPRA: il transistor GaN-on-diamond ad alta mobilità elettronica (HEMT) di DARPA ha dimostrato proprietà termiche migliorate che possono portare a migliori prestazioni per i sistemi RF.
A DESTRA: I ricercatori supportati da DARPA presso l'Università del Michigan hanno fatto progressi significativi con un'unità di misurazione del tempo e di inerzia (TIMU) che contiene tutto il necessario per facilitare la navigazione quando il GPS è temporaneamente non disponibile.
Il prototipo TIMU a chip singolo contiene un IMU a sei assi (tre giroscopi e tre accelerometri) e integra un master clock ad alta precisione in un singolo sistema in miniatura, più piccolo delle dimensioni di un centesimo. Questo chip IMU integra dispositivi innovativi (orologi, giroscopi e accelerometri), materiali e progetti del programma Micro-tecnologia DARPA per posizionamento, navigazione e temporizzazione (Micro-PNT).
Articolo tratto dalla brochure della DARPA del 2018 per il sessantennale dalla sua fondazione; documento in PDF che puoi scaricare qui sotto.
Defense advanced research projects agency 1958-2018
Megachirottera
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