在太空造芯片，图啥？

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去年12月，英国初创公司Space Forge在其ForgeStar-1卫星上启动了轨道熔炉，产生了一股超高温等离子体流，这有望在未来实现近乎理想的在轨半导体晶体制造。这项里程碑式的成就被誉为轨道制造领域的突破，也是首次在自由飞行的商业卫星和非载人有效载荷上实现这一目标。

Space Forge成立于2018年，是众多秉持“太空制造材料能够助力打造超高效下一代电子产品、超高速光网络以及推动药物研发突破”理念的公司之一。Space Forge的飞行熔炉专门用于制造晶种，这些晶种随后将在地球上用于生产镓、氮化铝或碳化硅衬底，以制造高性能功率器件。

此前，人们曾在太空制造过半导体。上世纪70年代，宇航员在天空实验室空间站上生长了锑化铟和锗晶体，类似的实验也在国际空间站上进行。根据2024年发表在《自然》杂志上的一项荟萃分析研究，1973年至2016年间，约有160个半导体晶体在各种航天器的微重力环境下生长出来。该研究发现，其中86%的太空生长晶体比在地球上生长的同类晶体尺寸更大、更均匀，性能也更优异。

Space Forge 的联合创始人兼首席执行官Joshua Western在一次采访中表示：“在5G基站等大型基础设施设施中，节能潜力巨大，或许可以节省高达 50% 的能源。”

德克萨斯农工大学半导体研究所所长E. Steve Putna表示，“太空生长的晶体已经展现出显著更高的电子迁移率”，与地球生长的晶体相比，这可能意味着开关效率提高 20-40%（Putna 与 Space Forge 没有关联）。

为什么太空制造能制造出更好的晶体

目前地球上大多数半导体都是用高纯度材料（例如硅、砷化镓或氮化镓）制造的，这些材料是通过将气化的前驱体化学物质逐层沉积在称为反应器的容器内的衬底上而制成的。制造过程受到非常严格的控制，但最终得到的半导体晶体仍然含有少量杂质和缺陷，这些杂质和缺陷会在运行过程中产生热量并略微降低性能。

韦斯特恩表示，太空中极高的真空度可以去除这些杂质，从而提高晶体的质量。“例如，如果您担心氮会干扰晶体生长过程，那么在地球上（真空室中），氮的浓度可能约为10的-11次方（10的-11次方，或1×10⁻⁹ %）。“而在500公里以上的太空中，氮的自然浓度为10的-22次方。”

此外，他表示，微重力环境能让晶体生长过程“更好地启动” ，创造均匀的晶体形成条件。“在地球上，你可能会遇到这样的问题：一些晶体可能只在反应堆内部生长，而其他部分则没有，因为冷热交替的过程会受到重力的影响，”韦斯特恩说。“微重力有效地阻止了对流的发生，因此可以获得持续均匀的沉积区域。”

韦斯特恩表示，正是这些优势使得采用太空生长晶体制造的电子元件性能和效率显著提升。“半导体的热性能直接取决于其晶格结构的质量和纯度，”他说道，“如果能够改变这些因素，就能制造出运行温度更低、所需冷却量更少的半导体，从而大幅降低能耗。或者，也可以牺牲部分能耗来换取更高的输出功率。”

普特纳表示，半导体结构缺陷减少带来的内阻降低和发热量减少，对于冷却成本一直是制约人工智能数据中心广泛部署的主要瓶颈的“人工智能数据中心而言，可能具有颠覆性意义”。他还补充道，在电力电子领域，更完美的晶体可以让更小的芯片在不发生故障的情况下承受更高的电压。

性能提升能否抵消高昂的成本？

然而，将物品送入太空并返回地球成本高昂。目前，SpaceX的猎鹰 9 号火箭将有效载荷送入近地轨道，每公斤成本约为1500 美元。国际空间站上制造的材料可以通过 SpaceX 的货运龙飞船返回地球，但这项服务的需求量很大，而运力有限。

韦斯特恩表示，Space Forge公司在太空中制造的晶种将在地球上的晶圆厂进一步培育，并将这些超凡脱俗的特性传承下去。他说，地球上的制造商将利用一公斤太空培育的半导体材料，培育出数吨高性能材料。“随着时间的推移和几代的生长，性能肯定会有所下降，”他承认，“但经过多次生长，质量才会下降到目前的水平。”

普特纳坚称，“如果太空生长的基质能将价值 1 万美元的高端人工智能处理器的产量从 50% 提高到 90%，或者让量子计算机在接近室温而不是接近绝对零度的温度下运行，那么发射成本就只占所创造总价值的一小部分。”

并非所有人都认同这一观点。电子公司Ozark Integrated Circuits的首席执行官Matt Francis表示，过去几年硅衬底的价格大幅下跌，使得基础设施运营商不太可能购买成本高昂的太空生长晶体。他还指出，地面制造技术也在不断进步。Ozark 专注于为航空航天和其他应用领域提供坚固耐用的集成电路。

弗朗西斯说：“我记得早期晶圆的价格是每片2万美元，但现在在电力等大宗市场，晶圆价格已经降到了几百美元。” 他还说：“晶圆曾经是珍贵的商品，或许送上太空是合理的。虽然太空成本在下降，但下降速度不及晶圆生产成本。”弗朗西斯指出，在某些情况下，使用多个传统器件或许能够以更低的总体成本获得比太空生长器件性能更优的产品。

Space Forge尚未对其返回技术进行测试。尽管ForgeStar-1卫星将在今年晚些时候的脱轨机动过程中部署一种新型隔热罩，但据Western称，该航天器的设计目的仅在于对轨道熔炉进行全面测试，并证明其能够“反复创造和维持超导晶体生长所需的化学工艺环境”。

这颗卫星最终会在返回地球的过程中损毁，这意味着太空锻造公司只能通过预计明年某个时候发射的后续任务，将第一批太空培育的晶体带回地球。而带回的材料量最多也只有几公斤。

其他公司也押注于太空晶体的潜力。总部位于科罗拉多州的Voyager Technologies公司最近获得了一项在轨道上生长新型光纤材料晶体的专利，该公司声称，这项技术可以显著提高数据传输速度。总部位于伦敦的ACME Space公司计划在今年晚些时候测试其气球发射的轨道工厂Hyperion ，该公司也着眼于半导体、制药和光纤市场。总部位于加利福尼亚州的Varda Industries公司去年筹集了令人瞩目的3.29亿美元资金，用于在太空生产药品。自2023年以来，该公司已进行了多次轨道飞行以测试其返回技术，并计划在今年进行更多测试。一些分析师估计，到2034年，在轨制造市场规模可能达到281.9亿美元。

在这种热情之中，印第安纳波利斯巴特勒大学生物化学教授、2024年《自然》杂志荟萃分析的作者之一安妮·威尔逊提出了谨慎的观点。她说：“我认为微重力环境并不适合大宗材料的生产。然而，对于特定应用领域的利基材料而言，这项投资或许值得。”

（来源：编译自IEEE）

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