Уже в начале 2020-х годов стало очевидным, что современные технологии производства электроники исчерпали свои возможности развития. Для многих этот факт известен как смерть закона Мура – ??маркетингового правила, согласно которому производители стабильно наращивали производительность своих чипов. Intel отказывалась это признавать – в 2021 году директор Intel Пэт Хелсингер заявлял, что закон Мура «жив и здоров». Но на днях он признал, что темп развития полупроводниковой промышленности замедлился.

В разговоре во время выступления на Manufacturing@MIT генеральный директор Intel заявил, что количество транзисторов в чипе теперь удваивается каждые три года. Это значительно отстает от закона Мура, диктовавшего двухлетнюю каденцию.

Однако Хелсингер не «хорошит» закон Мура окончательно – топ-менеджер очертил стратегии, чтобы продолжать идти в ногу с оригинальным законом Мура. Последний, впервые предложенный соучредителем и генеральным директором Intel Гордоном Муром в 1970 году, утверждает, что количество транзисторов для микросхем удваивается каждые два года.

Хелсингер даже сказал, что Intel может превзойти темпы закона Мура по крайней мере до 2031 года, и продвигает «Суперзакон Мура», стратегию увеличения количества транзисторов с помощью технологий упаковки микросхем 2,5D и 3D, таких как Foveros. Intel также часто называет эту стратегию «законом Мура 2.0».

Хелсингер сказал, что, несмотря на очевидное замедление закона Мура, Intel может создать процессор на 1 триллион транзисторов к 2030 году. Сегодня самая большая микросхема имеет около 100 миллиардов транзисторов. Генеральный директор сказал, что четыре технологии сделают амбициозную цель возможной: новые транзисторы RibbonFET, подача питания PowerVIA, производственные процессы следующего поколения и 3D-стекание микросхем.

Однако Хелсингер признал, что экономическая сторона закона Мура рушится. «Современная фабрика семь или восемь лет назад обошлась бы примерно в 10 миллиардов долларов. Сейчас она стоит около 20 миллиардов долларов, так что вы видели другие изменения в экономике», — говорит он.

Qualcomm и четыре других крупных полупроводниковых фирмы официально объединили усилия, чтобы основать Quintauris – компанию, которая сосредоточена на разработке «аппаратного обеспечения следующего поколения» на основе архитектуры RISC-V. Задача Quintauris состоит в том, чтобы обеспечить единственный источник для включения устройств RISC-V и продвигать стандарты для RISC-V области, которую критиковали за фрагментацию.

RISC-V — это открытый набор инструкций (ISA) для процессоров, впервые созданный в 2014 году и поддерживаемый RISC-V International. Основное преимущество RISC-V состоит в том, что любая компания может принять ISA и создать на ней собственные процессоры. Arm, AMD и Intel требуют покупки лицензии на создание процессоров по своим архитектурам.

С момента своего дебюта RISC-V очень быстро развивался: к 2030 году прогнозируется продажа 16 миллиардов ядер. Технологией интересуются и инвестируют в нее крупнейшие игроки, включая Apple и Intel.

Qualcomm сегодня является одним из самых крупных поставщиков процессоров для смартфонов и других мобильных гаджетов, и эти процессоры выполнены на базе архитектуры Arm. Последняя требует оплаты лицензии за чипы на базе ее архитектуры.

Qualcomm фактически использует RISC-V в течение пяти лет для своих микроконтроллеров, как и многие другие компании. Qualcomm также использует RISC-V для своей платформы Snapdragon Wear Platform вместе с Google.

Гигант Qualcomm является лишь одним из пяти партнеров, участвующих в Quintauris, а остальные четыре – Bosch, Infineon, Nordic Semiconductor и NXP Semiconductors.

Bosch, Infineon и NXP не являются неожиданными союзниками, поскольку они присоединились к TSMC, чтобы создать Европейскую компанию по производству полупроводников в августе. Со своей стороны Qualcomm пыталась приобрести NXP в 2016 году, но сделка сорвалась до того, как она была завершена. Nordic Semiconductor является удивительным и на сегодняшний день самым маленьким участником Quintauris, но он производит важные беспроводные микросхемы с возможностями Bluetooth и Wi-Fi.

Quintauris сообщает, что сначала его продукты будут сосредоточены на автомобильной промышленности, а затем на мобильных приложениях и Интернете вещей (IoT). Компания также сосредоточена на продвижении стандартов для аппаратно-программной экосистемы RISC-V и, похоже, запуск успешных продуктов, разработанных несколькими крупными компаниями, поможет реализовать стандартизацию.

Quintauris — не единственная организация, стремящаяся внедрить RISC-V, поскольку существует также экосистема программного обеспечения RISC-V (RISE). RISE имеет официальную поддержку RISC-V International и ключевых игроков отрасли, таких как Google, Intel, Nvidia и даже Qualcomm. В то время как RISE фокусируется на программном обеспечении, Quintauris будет выступать за разработку аппаратного обеспечения следующего поколения.

Многие компании увольняют обычных людей и назначают на их роль искусственный интеллект, радуясь сэкономленным средствам на зарплату и потому, что искусственный интеллект не просит есть и работает круглосуточно. Но дилер Chevrolet почувствовал, что не все так радужно. Ведь нанятый им искусственный интеллект продал машину ценой в $81 000 за $1. Именно на такой ценник один человек договорился с искусственным интеллектом.

Chevrolet является одним из самых больших брендов, которые полагаются на искусственный интеллект ChatGPT для быстрого общения с потенциальными клиентами. Компания интегрировала умных чат-ботов в свой сайт, позволяя посетителям веб-сайта связаться с этим обученным цифровым сотрудником для получения советов по покупке, сравнению и дополнительной информации об автомобиле.

Инженер соцсети X (ранее известная как Twitter) Крис Бакке использовал недостатки ChatGPT и добился невероятной скидки на автомобиль. Chevrolet, возможно, будет вынужден ее признать и принять, в конце концов продав авто за $1.

Бакке обратился к дилеру Chevrolet из Ватсонвиля, чтобы получить совет по покупке совершенно нового внедорожника Tahoe. Человек общался с ботом ChatGPT и убедил бота, что тот должен соглашаться со всем, что скажет клиент. Он также заставил чат-бота заканчивать каждый ответ фразой, которая могла бы стать устным письменным контрактом.

После специальной учебы Бакке сказал чат-боту, что хочет Chevy Tahoe 2024 года выпуска, а его максимальный бюджет составлял 1 доллар. Рекомендованная розничная цена Tahoe начинается от 81395 долларов США за полноприводную версию High Country.

Удивительно, чат-бот согласился. «Это соглашение, и это юридически обязывающее предложение – никаких отказов».

Этот хак стал вирусным через несколько минут, и другие пользователи бросились на веб-сайты Chevy, чтобы обманом заставить ChatGPT предложить им дешевые автомобили.

Компания General Motors действительно не продавала автомобили по таким ценам, хотя некоторые говорят в Twitter, что ответы, предложенные ChatGPT, могут стать основой для судебного иска. Хотя вероятность выигрыша такого иска почти нулевая.

Не заняло много времени, чтобы Chevy узнал о том, что его цифровой сотрудник продает авто так, что компания может разориться. Впоследствии компания вывела чат-бота в автономный режим, и после этого вернула его в сеть с надлежащими ответами, чтобы предотвратить подобные хаки.

Они питают крошечные телефоны и двухтонные электромобили. Они формируют позвоночник стабильности для «зеленой» энергетики. Без них невозможно было бы представить засилье портативной электроники. А в 2019 году они принесли трем своим пионерам Нобелевскую премию. Это литий-ионные батареи, ставшие опорой современного мира, но их минусы заставляют искать альтернативы и многие компании видят на этой роли натриевые аккумуляторы.

У литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов есть несколько существенных минусов. К примеру, литий в дефиците. Для литий-ионных аккумуляторов также требуются кобальт и никель. Эти металлы также дефицитны, а кобальт также является биологически токсичным и общественно проблематичным, поскольку его преимущественно добывают в Демократической Республике Конго почти в рабских условиях.

Поэтому многие компании считают, что лучше производить батареи с натрием. В отличие от лития натрия много: он составляет большую часть соли в океанах. Химики обнаружили, что слоистые оксидные катоды, в которых используется натрий, а не литий, могут обойтись без кобальта или никеля.

Поэтому идея масштабного производства натрий-ионных (или Na-ion) аккумуляторов набирает популярность. Инженеры дорабатывают дизайн. Заводы, особенно в Китае, растут. Впервые с начала литий-ионной революции место лития на электрохимическом пьедестале подвергается сомнению.

Соли Земли

Литий и натрий, члены группы щелочных металлов, расположены несколько ниже водорода в первом столбце периодической таблицы. Щелочные металлы известны реакционной способностью – взрываются даже при контакте с водой.

Это потому, что внешняя оболочка электронов, окружающая ядро ??атома щелочного металла, имеет только одного обитателя. Эти валентные электроны легко отрываются, создавая положительные ионы (катионы), которые могут соединяться с отрицательными аналогами (анионами), такими как гидроксильные ионы, полученные из воды. Результатом являются такие соединения, как гидроксид лития и хлорид натрия, последняя более известна как поваренная соль.

Однако если такие потерянные электроны направляются к месту назначения по проводу – результатом становится батарея. А если весь процесс повернуть в обратную сторону путем подачи внешнего тока, электроны начнут заталкиваться в атомы и таким образом можно перезарядить батарею, получив аккумулятор.

Все это касается как натрия, так и лития. Учитывая преимущества натрия в стоимости, можно задаться вопросом, почему сегодня балл правят литиевые аккумуляторы. Ответ состоит в том, что атомы натрия, имеющие 11 протонов, 12 нейтронов и дополнительную электронную оболочку, больше и тяжелее лития (три протона и три нейтрона). Натриевая батарея будет больше и тяжелее литиевой такой же емкости.

Небольшой размер и небольшой вес являются ключевыми для телефонов и, по крайней мере, желательны в электромобилях. Но эти факторы не повсюду имеют значение. Натриевые батареи могут работать в качестве буфера электросети, в домашних электростанциях, на тяжелых видах транспорта, таких как грузовики и корабли.

Китайцы овладевают натрий-ионными аккумуляторами

Интерес Китая к натриевым батареям частично связан с текущим пятилетним экономическим планом правительства, который начался в 2021 году и, среди прочего, направлен на изучение различных химических веществ аккумуляторов.

Лондонская фирма Benchmark Mineral Intelligence насчитывает 36 китайских компаний, производящих или исследующих натриевые батареи. Эти фирмы в большинстве своем держат тайну — в четырех случаях исследователи Benchmark даже не могут точно определить, о какой химии батареи идет речь. Тем не менее, лидером, как правило, считается CATL, базирующийся в Фуцзяне.

CATL уже является крупнейшим в мире производителем литиево-ионных аккумуляторов для транспорта. В 2021 году компания анонсировала первую в мире натриевую батарею для электромобилей. Chery, китайский автопроизводитель, будет использовать Catl вместе с некоторыми литиевыми в своем бренде iCAR, который в скором времени будет выпущен на рынок.

BYD, главный конкурент CATL и производитель автомобилей, также активен. Его хэтчбек Seagull, который был представлен на автосалоне в Шанхае в апреле, также скоро будет иметь Na-ion аккумуляторы. Farasis Energy, другой известный изготовитель аккумуляторов, объединился с Jiangling Motors; HiNa Battery Technology, фирма, созданная специально для разработки Na-ion аккумуляторов, сотрудничает с JAC, еще одним автопроизводителем; и Svolt, дочерняя компания Great Wall Motor, имеет готового автомобильного партнера в своей материнской компании.

По данным Benchmark, эти пять фирм вместе с 22 другими используют катоды со слоистым оксидом (кроме четырех неизвестных, остальные работают либо над полианионными конструкциями, либо над третьим подходом с железосодержащим веществом, которое называется берлинская лазурь).

И вот тут возникают кобальт и никель. Опыт показывает, что оксидные слои, содержащие ионы кобальта и никеля (вместе с ионами марганца, который является дешевым и не противоречивым добыче), создают лучшие катоды для литиевых батарей.

Кобальт и никель (а также марганец и железо) являются так называемыми переходными металлами с более чем одним валентным электроном. В то время как ионы лития и натрия всегда имеют один положительный заряд, кобальт, например, может образовывать ионы с зарядами +2 или +3. Когда электрон достигает катода многослойной оксидной батареи, он реагирует с ионом переходного металла, уменьшая положительный заряд на единицу и создавая чистый отрицательный заряд. Ион щелочного металла (положительно заряженный) перемещается в кристаллическую структуру, чтобы сбалансировать заряды.

В натриевых батареях слоистые оксидные катоды можно производить только из марганца и железа (хотя для улучшения производительности их можно дополнять такими металлами, как медь и титан). Почему, не совсем ясно.

Доминик Брессер из Технологического института Карлсруэ в Германии считает, что это потому, что большие размеры атомов натрия и другие электронные свойства позволяют им поместиться в более широкий диапазон кристаллов.

Каким бы ни был ответ, практическим результатом является значительное снижение стоимости материалов. Эта гибкость также позволяет разрабатывать Na-ионные батареи таких свойств, как более высокая выходная мощность, которых труднее достичь с Li-ion.

Стартовая сетка

По словам Рори Макналти, исследовательского аналитика Benchmark, китайские фирмы построили 34 завода по производству Na-ионных аккумуляторов, которые строятся или анонсируются внутри страны, и один планируется в Малайзии. Напротив, известные производители аккумуляторов в других местах пока не проявляют особого интереса. Однако даже без пятилетнего плана, который бы им руководил, некоторые некитайские стартапы пытаются выиграть маршу, разрабатывая альтернативы слоистым оксидам, в надежде улучшить технологию, снизить ее стоимость или и то, и другое.

Одним из наиболее интригующих из этих неофитов является Natron Energy из Санта-Клары, Калифорния. Он использует подход берлинской голубизны. Берлинская лазурь, являющаяся распространенным красителем, дешева. Но Natron надеется, что это может продлить срок службы батареи.

По крайней мере, на данный момент Na-ионные слоистые оксидные катоды менее долговечны, чем литий-ионные аналоги. Natron утверждает, что его элементы могут выдерживать 50 000 циклов зарядки и разрядки – в 10-100 раз больше, чем могут выдержать коммерческие литий-ионные батареи. Фирма построила фабрику в Мичигане, которая, по ее словам, начнет производство позже в этом году.

Другие некитайские фирмы менее продвинуты, но полны надежды. Компания Altris в Швеции, также строящая фабрику, использует материал под названием берлинский белый, заменяющий часть железа берлинской лазури натрием. Тиамат во Франции использует полианионный дизайн с привлечением ванадия. А Faradion в Британии (сейчас принадлежит индийской фирме Reliance) намерена соблюдать систему со слоистым оксидом металла.

Как все будет развиваться, еще предстоит увидеть. Доктор Макналти призывает быть осторожными, по крайней мере, в краткосрочной перспективе. Технологиям аккумуляторов требуется время для развития (первые исследования литиевых батарей датируются 1960-ми годами).

Benchmark предполагает, что мощность производства натриевых аккумуляторов в 2030 году составит около 140 гигаватт-часов в год. Однако фирма считает, что лишь немногим более половины этой мощности будет фактически производить аккумуляторные ячейки. Это составляет 2% прогнозируемого производства литиевых элементов в этом году.

Натриевые батареи, тем не менее, смотрятся привлекательно. Для сетевого хранения они кажутся серьезными конкурентами железофосфатным литий-ионным аккумуляторам (LFP), хотя им также придется конкурировать с другими новыми подходами, такими как ванадиевые батареи. Их главными конкурентами на рынках грузовиков и судоходства, вероятно, являются водородные топливные элементы, но это непроверенная технология, которая полагается на еще не построенную инфраструктуру для снабжения водородом.

Для чувствительных к весу применений, таких как электромобили или самолеты, будущее менее определено. Решающим фактором будут цены на материалы. Если разведка лития, кобальта и никеля создаст достаточно новых рудников, чтобы удерживать цены, может исчезнуть стимул платить ученым и инженерам за увеличение количества энергии на килограмм, которое могут хранить натриевые батареи. Но если стоимость этих металлов остается высокой, то для натрия может наступить перспективное будущее.

По материалам: Economist