Bremse produktivitetsforbedringer og økende kostnader for silisium får bedriftsledere til å vurdere andre materialer.

Veien fra banebrytende oppdagelse til transformasjonsindustriapplikasjoner kan være langvarige, omstendelige. Ofte blir det første rush av muligheter fulgt av tiår med utvikling, foredling og eksperimentering. Selv da er det ingen garantier. Laboratorier over hele verden er strødd med en gang lovende teknologier som aldri fant kommersiell bruk på markedet. Denne presedensen setter ledere i en vanskelig posisjon når de skal bestemme hvor og når de skal investere i nye innovasjoner. For hvert selskap som satser riktig på nye digitale teknologier, er det dusinvis av konkurrenter som går glipp av bølgen fullstendig og må ta igjen. Tiden vil vise om Kodaks nylige inntreden i Bitcoin-gruvedrift, for eksempel, er et isolert trekk eller en del av en forutsett langsiktig strategi.

Halvlederselskaper befinner seg i en vanskelig posisjon. Regelmessig innovasjon med silisium tillot industrien å generere konsekvent fortjeneste og konsekvente, imponerende ytelsesforbedringer i flere tiår. Nylig opplever selskaper økte problemer med å vri mer verdi ut av silisium. Denne nedgangen har latt selskaper bestemme hva som skal erstatte silisium og når. Grafen, for eksempel, har blitt varslet som et mirakelmateriale med potensial til å like eller overgå silisiums ytelse. Imidlertid kan materialets kommersialisering være opptil 25 år unna, og vil kreve betydelige investeringer i både FoU og kapitalkostnader for å bringe det i produksjon. Med så mye utgifter som for tiden er allokert til silisium, må ledere bestemme det rette øyeblikket for å skifte gir mot neste materiale – selv når resultatet er langt fra garantert.

Utfordringen strekker seg langt utover grafen; som halvlederselskaper søker å identifisere og utnytte den neste bølgen av innovasjon, må ledere ta en annen tilnærming. Evnen til å forstå hvordan tilsynelatende uensartede utviklinger kan skape nye forretningsmodeller og applikasjoner krever et mer ekspansivt perspektiv fokusert på å koble sammen prikkene og utforske nye måter å anvende kunnskap og innsikt på. Semiconductor-ledere bør bruke denne linsen til å forme en langsiktig strategi for å trekke verdi ut av eksisterende materialer og teknologier mens de overvåker begynnende innovasjoner. Denne tankegangen vil bedre posisjonere bedrifter til å overleve både kjente og ukjente utfordringer i årene som kommer.

Silisium: Motvind fremover?

Silisium, det primære materialet som brukes i halvlederindustrien, har historisk holdt tritt med Moores lov ved å gi tidligere ufattelig fremgang. Disruptive og transformerende teknologier – avansert analyse, utvidet virkelighet, autonome kjøretøyer, digitalt og tingenes internett (IoT) – er blitt muliggjort av et enkelt element som er navnebroren for de rikeste 50 kvadratkilometerne i verden. Allikevel reises det alvorlige spørsmål om fremtiden til silisium og dets evne til å fortsette å støtte innovasjon: Tre ledende indikatorer forteller historien.

Langsomme ytelsesforbedringer fører til prispress

Silicon tilbød designere og ingeniører et lerret som ga opphav til vedvarende fremskritt i kapasitet og ytelse. En titt på data fra 1970-tallet illustrerer disse eksponentielle ytelsesforbedringene. De siste årene har imidlertid tempoet avtatt betraktelig. PC-prosessorkraften har jevnet seg ut og økningen i smarttelefonprosessorytelsen har begynt å avta – kort sagt, silisium blir dødelig (bilde 1). Disse trendene betyr at selskaper som bygget konkurransefortrinn på fortsatt innovasjon, har sett at ledelsen deres begynner å erodere etter hvert som andre selskaper tar igjen.

 

Trendsettere sliter med å utvide forspranget med ytelsesforbedringer i forhold til konkurrentene, så deres evne til å fange premiumpriser før resten av markedet tar igjen er hindret. Vår analyse indikerer at når flere konkurrenter kommer inn på markedet, faller prisene 10 til 15 prosent.

Eskalerende kapital- og FoU-kostnader

Kostnadene for halvlederselskaper fortsetter å stige når de går over til neste generasjons fabrikker. For å oppnå ytelsesgevinster anslår vi at bedrifter må øke kapitalutgiftene med så mye som 40 prosent (gitt krav til nytt utstyr) og FoU-utgifter med 150 prosent for å oppnå samme gjennomstrømning (bilde 2). Den primære årsaken til eskalerende kapitalkostnader er produksjonsutstyr, som har økt med rundt 2 milliarder dollar siden industrien gikk over til multimønster. Ikke overraskende har integrerte enhetsprodusenter raskt økt sine FoU-investeringer for ledende nodeteknologi.

 
Eskalerende kapitalkrav og FoU-investeringer kan hemme ytterligere innovasjon

Eskalerende kapitalkrav og FoU-investeringer kan hemme ytterligere innovasjon

Føler fysiske begrensninger av silisium

Atskilt fra de kommersielle utfordringene er silisiums fortsatte vekst også usikker fordi innovasjon har innhentet materialets fysiske begrensninger. Nodelengden nærmer seg for eksempel den ledende kanalbredden der ytelsen er sterkt hemmet: silisiumtransistorer vil slutte å fungere på grunn av kvanteeffekter av små dimensjoner som tunnelering, lekkasjer og varmeproblemer. Begrensninger i litografi, instrumentering og fremstilling av strukturer i nanostørrelse vil også hindre fremskritt.

Disse tre trendene reiser et kritisk spørsmål for halvlederbedrifter: hvor mye bør de fortsette å investere i silisium i stedet for å støtte utviklingen av innovative materialer som kan gi en trinnvis endring i ytelse og opprettholde inntektsvekst?

Hvorfor grafen kan være en game changer

Industrien eksperimenterer med flere eksotiske nye materialer, inkludert silisen, germanen og svart fosfor, men grafen sies å ha det største potensialet (bilde 3).

 
Nye materialer har det høyeste potensialet for å stimulere neste generasjons teknologi som kan bidra til å opprettholde innovasjon

Nye materialer har det høyeste potensialet for å stimulere neste generasjons teknologi som kan bidra til å opprettholde innovasjon

Oppdagelsen av et atomtykt lag med grafen av to forskere ved University of Manchester i England i 2004, vekket forventningene om at det kunne bli en overlegen erstatning for silisium (infografisk). Graphenes egenskaper har selskaper på tvers av bransjer som spytter: mobiliteten er estimert til å være 250 ganger større enn silisium, og fleksibiliteten og andre egenskaper gjør den ideell for en rekke bruksområder, fra batteriteknologi til optoelektronikk som berøringsskjermer. Nyere patenter, akademiske artikler og forskningspublikasjoner vitner om den utbredte interessen for grafen.

 
Grafen etter tallene

Grafen etter tallene

Til tross for dette løftet, har adopsjon av grafen vært unnvikende. Så hva er det som holder det tilbake? Vi har identifisert fire begrensninger, to tekniske og to industrielle. På den tekniske siden er båndgap-teknikk fortsatt et stort hinder: uten båndgap kan ikke grafenbrytere slås av. I løpet av det siste tiåret har forskere fokusert på å adressere dette problemet, men har ennå ikke knekket koden. I tillegg må fabrikasjon av grafen generere kvalitetskrystaller og være kompatibel med eksisterende komplementære metalloksyd-halvleder-enheter (CMOS). På industrisiden kreves det en stor mengde kapital i fabrikker, men halvlederselskaper har mesteparten av ressursene knyttet til gjeldende forbedringsplaner for fabrikker. Videre eksisterer en integrert verdikjede (inkludert produksjon midtstrøms omverktøy) for silisium, men milliarder i investeringer er nødvendig for å gjenskape en for grafen.

Gitt disse usikkerhetene forutsier vi at grafenadopsjon og markedsvekst kommer i tre faser – enhancer, silisiumerstatning og revolusjonerende elektronikk (bilde 4).

 
Vi forventer at grafenadopsjon og markedsvekst kommer i tre faser

Vi forventer at grafenadopsjon og markedsvekst kommer i tre faser

På kort sikt forventer vi at grafen vil bli brukt som en forsterker for silisium, med beskyttende lag av grafen som brukes for å forbedre påliteligheten og ytelsen til sammenkoblinger. For tiden brukes 14-nanometer tantal-nitrid metallbarrierer på kobberforbindelser for å forhindre diffusjon inn i silisiumet. Ved avstander på mindre enn ti nanometer blir diffusjon en hovedårsak til enhetsfeil – én defekt per delmilliard resulterer i en feilprosent på rundt 30 prosent. Grafenbarrierer gir flere fordeler i forhold til andre alternativer som rutenium og kobolt, inkludert bedre beskyttelsesevner på bare en åttendedel av størrelsen og med sammenkoblingshastigheter rundt 30 prosent raskere.

De primære årsakene til grafens manglende adopsjon er todelt. Kravene til grafens overførings- og belegningsprosess må være fullt utviklet og integrert i fabrikasjonstrinn. I tillegg må prisen på grafen reduseres betydelig for å muliggjøre kommersiell masseproduksjon. Vi spår at det vil ta minst fem til ti år å løse disse problemene for at grafen skal bli et levedyktig silisiumalternativ.

I løpet av de neste 10 til 25 årene kan grafen erstatte silisium som det primære materialet i halvledere, forutsatt at forskning oppdager metoder for å overvinne båndgap-begrensningene. Selv da vil grafen bli brukt i applikasjoner der dens tekniske fordeler (som høy hastighet, krav til lavtap, liten skala og fleksibilitet) er bedre egnet for elektroniske applikasjoner enn alternative materialer (eksempel 5). Analysen vår beregner det totale adresserbare markedet for grafen til 190 milliarder dollar innenfor databehandling, trådløs kommunikasjon og forbrukerelektronikk.

Totalt brukbart marked for grafenbasert elektronikk er beregnet til å være ~$190B basert på etterspørsel etter høyytelsesapplikasjoner

Totalt brukbart marked for grafenbasert elektronikk er beregnet til å være ~$190B basert på etterspørsel etter høyytelsesapplikasjoner

Adopsjon forventes å følge en S-kurve-trend som ligner på andre teknologier, med tidsrammen for implementering som nærmest etterligner waferadopsjon. Samlet sett viser optimistiske scenarier at markedsverdipotensialet for grafenhalvledere vil være rundt 70 milliarder dollar innen 2030.

Hvordan bør ledende halvlederspillere gå frem?

Historien har avslørt at noen teknologier tar lang tid å kommersialisere, men kan raskt transformere industrier når de kommer på markedet. Vår erfaring er at selskaper som har en erfaring med å kaste et bredt nett for å oppdage den neste transformative teknologien, har en tendens til å være mer forberedt på å motstå industriforstyrrelser.

Graphenes løfte motvirkes av de alvorlige tekniske og kommersielle utfordringene som er diskutert, som kan hindre bruken av det som erstatning for silisium. Derfor, når de evaluerer grafens sanne potensial, bør halvlederledere bruke en strukturert innovasjonstilnærming for å evaluere alternativene sine. Innovasjonsrøntgen består av ti spørsmål fordelt på tre kategorier – innovasjonsstrategi, teknologiforstyrrelser og innovasjonspraksis (bilde 6). Å svare på disse spørsmålene kan hjelpe bedriftsledere til å få en bedre følelse av organisasjonens evner når de driver med innovasjon og støtte utforskningen av forskjellige scenarier med eller uten grafenadopsjon. Resultatet er en strategi som forbereder organisasjoner på dramatiske, teknologidrevne bransjeendringer.

Innovasjonsrøntgen består av ti spørsmål for å turbolade din strukturerte tilnærming

Innovasjonsrøntgen består av ti spørsmål for å turbolade din strukturerte tilnærming


Etter en lang og produktiv kjøring med silisium, begynner ledere å tenke på hva som kan erstatte det og gi en lignende S-kurve av innovasjon. Graphenes egenskaper har pirret fantasien, men til dags dato har dens fysiske begrensninger hindret den i å bli kåret til silisiums arving. Den nyere historien til teknologisk innovasjon antyder at landskapet kan endre seg raskt - derfor bør ledere vurdere grafen som en seriøs utfordrer. Uavhengig av det endelige resultatet, kan halvlederbedrifter posisjonere seg for å motstå teknologiske forstyrrelser, og komme foran, ved å omfavne et tankesett fokusert på strukturert innovasjon. En verden med mange ukjente krever det.

kilde: Grafen: Den neste S-kurven for halvledere? | McKinsey

Oversette "