Per ridurre i consumi dei dispositivi, l’adozione di semiconduttori wide band gap (WBG) come SiC e GaN sta espandendosi in settori cruciali, tra cui la mobilità elettrica, l’energia rinnovabile e i data center AI. I benefici per la sostenibilità ambientale ed economica delle tecnologie.
Più cresce la dipendenza dai semiconduttori in ogni settore industriale, più l’efficienza energetica dei circuiti integrati diventa un requisito di progetto irrinunciabile, determinante in tutte le applicazioni della microelettronica. La diffusione del calcolo ad alte prestazioni (HPC), dell’apprendimento automatico (ML), dell’intelligenza artificiale (AI) e della AI generativa, (GenAI) produce svariati benefici per il mondo aziendale e gli utenti finali, ma richiede un’enorme capacità di elaborazione. Lo sviluppo di questa gigantesca potenza computazionale non può comunque andare a discapito dell’efficienza energetica, e delle ormai imprescindibili istanze di sostenibilità ambientale.
Semiconduttori ed emissioni di gas serra
Negli ultimi trent’anni, scrive in un documento l’Ufficio per l’efficienza energetica e le energie rinnovabili del Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti (DOE) [1], i miglioramenti dell’efficienza energetica nell’industria dei semiconduttori non hanno tenuto il passo con l’aumento della domanda globale di tecnologie informatiche e di intelligenza artificiale. Di conseguenza, le applicazioni dei semiconduttori sono oggi i consumatori di elettricità in più rapida crescita e potrebbero presto rappresentare la quota maggiore delle emissioni globali di gas serra associate all’uso dell’elettricità.
Secondo una previsione del 2021 della Semiconductor Research Corporation (SRC), ricorda il DOE, l’informatica arriverà a consumare il 20% dell’energia prodotta a livello mondiale entro il 2030. Più recentemente, l’Intergovernmental Panel on Climate Change ha stimato che le emissioni di gas serra associate ai semiconduttori quadruplicheranno nello stesso arco di tempo.
Con l’obiettivo finale di invertire queste tendenze aumentando l’efficienza energetica delle applicazioni dei semiconduttori di mille volte nei prossimi vent’anni anni, nel 2024 oltre 60 società firmatarie, tra cui Google, Intel, Microsoft, Micron, Synopsys, ARM, AMD, ed altre organizzazioni di punta nel settore governativo, accademico e delle industrie ad alta tecnologia, hanno siglato l’impegno Energy Efficiency Scaling for Two Decades (EES2). Guidata dall’Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office (AMMTO) del DOE, l’iniziativa EES2 ha stabilito diverse priorità per l’industria americana dei semiconduttori. Queste priorità includono la riduzione del consumo energetico dei semiconduttori a livello di materiale, dispositivo, circuito e architettura; la guida degli investimenti in nuove tecnologie finanziati dal CHIPS and Science Act, ed anche l’ampliamento e la diversificazione della futura forza lavoro, aumentando in maniera significativa il bacino di studenti STEM (science, technology, engineering, and mathematics) appassionati di tecnologia avanzata dei semiconduttori.
Per le imprese e gli operatori del settore, lo sviluppo di soluzioni basate su semiconduttori a ridotto consumo energetico diventa un’esigenza imperativa, non solo in termini di sostenibilità ambientale ma anche economica. Nella progettazione dei chip, l’efficienza energetica è un fattore estremamente critico da ponderare per gli ingegneri di sistema, nell’insieme delle classiche variabili, potenza, performance, area occupata (PPA - power, performance and area), che condizionano l’ottimizzazione di un progetto. Un chip più efficiente nell’utilizzo dell’energia può significare non solo minori emissioni di gas serra, ma anche maggior durata della batteria nei dispositivi portatili, e notevoli riduzioni dei costi operativi quando si ha a che fare con infrastrutture energivore come i data center.
Migliorare l’efficienza energetica puntando su materiali innovativi
Tra i principali approcci tecnologici indirizzati ad aumentare l’efficienza energetica dei semiconduttori vi sono le attività di sviluppo e implementazione di materiali e dispositivi intrinsecamente più efficienti. Tra questi vanno menzionati i semiconduttori e dispositivi di potenza wide band gap (WBG), basati su materiali come il carburo di silicio (SiC - silicon carbide) e il nitruro di gallio (GaN - gallium nitride), che vengono adottati in maniera crescente. Questi semiconduttori permettono agli ingegneri di superare le limitazioni del tradizionale silicio, fornendo efficienza, prestazioni e densità di potenza superiori. Sono inoltre in grado di operare a tensioni, frequenze e temperature più elevate rispetto ai chip di silicio convenzionali, utilizzati nell’elettronica di potenza, come MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor) e IGBT (insulated-gate bipolar transistor), e convertono l’energia con maggior efficienza, generando meno calore. Ancora, quando si tratta di gestire il calore generato e raffreddare un sistema elettronico, i dispositivi a semiconduttore che utilizzano carburo di silicio e nitruro di gallio consentono ai progettisti di passare, da tecniche di raffreddamento attivo, a sistemi di raffreddamento passivo, che dissipano il calore senza utilizzare sistemi meccanici o energia elettrica, in quanto la conducibilità termica dei materiali wide band gap risulta molto migliore.
Data center più efficienti con SiC e GaN
I semiconduttori SiC e GaN sono utilizzati in maniera crescente anche nei moderni data center e nelle grandi infrastrutture di cloud computing che, come anticipato, hanno l’assoluta priorità di massimizzare l’efficienza energetica nell’utilizzo delle enormi quantità di energia richiesta per supportare le applicazioni di intelligenza artificiale. Adottare semiconduttori a basso consumo energetico, architetture chip ottimizzate e sistemi di raffreddamento avanzati diventa fondamentale per ridurre il consumo energetico di server, dispositivi di storage, componenti di rete: in particolare, i semiconduttori SiC e GaN trovano impiego crescente negli alimentatori per data center.
Ad esempio, tra i fornitori di tecnologia, Infineon, ha l’obiettivo di rispondere all’inedita domanda di potenza computazionale nei data center, generata dalla rapida diffusione della AI, ed ha affrontato la sfida di fornire più potenza ed efficienza a livello di rack, mantenendo il medesimo ingombro occupato dalle infrastrutture esistenti: per centrare l’obiettivo, la società ha sviluppato una gamma di soluzioni PSU (power supply unit) ibride, che combinano tecnologia basata su silicio (Si), carburo di silicio e nitruro di gallio. In questo modo, spiega Infineon, diventa possibile ottenere non solo maggiore potenza nel data center, ma anche una maggiore densità di potenza ed efficienza per singola unità.
Semiconduttori SiC e GaN nella mobilità elettrica
Sempre in termini di applicazioni, i semiconduttori e dispositivi SiC e GaN stanno trovando spazio di mercato anche nel comparto della mobilità elettrica, che include veicoli elettrici, infrastrutture e stazioni di ricarica elettrica. In questo ambito, il nitruro di gallio tende ad essere più competitivo del carburo di silicio nelle applicazioni con tensioni fino a 650 V: livelli di tensioni fino a 650 V si utilizzano generalmente in molti caricabatterie di bordo (onboard charger - OBC) dei veicoli elettrici. Fornendo frequenze di commutazione più elevate rispetto ai dispositivi SiC, i dispositivi GaN consentono ai progettisti di utilizzare componenti passivi, come induttori o condensatori, di dimensioni inferiori, che di conseguenza permettono di realizzare stazioni di ricarica più compatte e leggere, e ciò costituisce un vantaggio soprattutto per i caricabatterie onboard.
Il carburo di silicio è invece un’opzione che risulta più conveniente quando si tratta di gestire tensioni più elevate, oltre i 650 V, come avviene nelle stazioni e infrastrutture di ricarica rapida e ultrarapida a corrente continua ed alta potenza per veicoli elettrici, che possono funzionare anche a 1200 V. In queste applicazioni, il carburo di silicio fornisce anche una miglior conducibilità termica rispetto al nitruro di gallio, che significa capacità di dissipare il calore in maniera più efficiente, e si rivela una proprietà particolarmente importante ed essenziale in stazioni di ricarica ad alta potenza, dove la generazione di calore è significativa. In aggiunta, i dispositivi SiC possiedono una robustezza e un’affidabilità operativa a temperature elevate che, ancora una volta, giocano un ruolo cruciale, quando si tratta di progettare stazioni di ricarica che poi potranno rimanere esposte a lungo a condizioni ambientali difficili e alte temperature.
Tecnologia SiC e GaN per l’energia rinnovabile
La mobilità elettrica rappresenta la direzione, il futuro verso cui l’industria automotive sta muovendosi, ma come si è visto non è l’unico comparto di mercato in cui i dispositivi SiC e GaN espandono la loro diffusione. Un altro trend significativo, indica un rapporto pubblicato dalla società di ricerca e consulenza Global Market Insights (GMI), è identificabile con la crescita dei semiconduttori di potenza SiC e GaN nell’area delle applicazioni di energia rinnovabile, come gli inverter solari e le turbine eoliche.
Questi semiconduttori, chiarisce GMI, consentono una maggiore efficienza e affidabilità nei sistemi di conversione dell’energia, riducendo le perdite e migliorando le prestazioni complessive del sistema. In ragione della spinta globale verso soluzioni energetiche sostenibili, cresce dunque la domanda di elettronica di potenza avanzata, in grado di gestire in modo efficiente frequenze e tensioni più elevate.
Tale tendenza, aggiunge la società di ricerca, sottolinea il ruolo delle tecnologie SiC e GaN nel sostenere la transizione verso fonti energetiche più “verdi” e nel migliorare l’efficienza delle infrastrutture per le energie rinnovabili in tutto il mondo. A titolo di esempio, GMI ricorda gli annunci, nell’aprile 2023, da parte di aziende come Siemens Energy e Vestas, riguardanti l’implementazione di semiconduttori di potenza SiC e GaN nei loro sistemi di energia solare ed eolica. Questi progetti hanno l’obiettivo di migliorare l’efficienza della conversione di potenza, e di aumentare l'affidabilità delle infrastrutture che generano energia rinnovabile.
Per effetto di questi vari trend, stima GMI, il mercato globale dei semiconduttori di potenza SiC e GaN passerà, da un valore di 2,24 miliardi di dollari del 2023, a 18 miliardi di dollari entro il 2032, espandendosi con un tasso annuo di crescita composto (CAGR) pari al 25% nel periodo preso in esame dallo studio (2024 - 2032).
Tecniche di ottimizzazione del consumo energetico
Al di là dell’utilizzo di materiali innovativi come SiC e GaN, le strategie progettuali per ottenere un basso consumo energetico includono svariate tecniche, orientate sostanzialmente a evitare inutili consumi di energia quando il chip non deve fornire determinati livelli di prestazioni, o quando alcune sue parti si trovano in stato di “idle”, e quindi non stanno attivamente eseguendo nessun task o funzione. Tra queste tecniche, i metodi adottati per ottimizzare il consumo energetico nei sistemi VLSI (very large scale integration) includono sistemi come DVFS (dynamic voltage and frequency scaling), in grado di regolare dinamicamente la tensione operativa e la frequenza dei circuiti del chip in funzione delle performance richieste dai carichi di lavoro (workload).
Anche altre tecniche, tra loro complementari, come il clock gating e il power gating, aiutano a ridurre, rispettivamente, la dissipazione di potenza dinamica e statica nei circuiti integrati. Il clock gating, disabilitando il segnale di clock nelle parti del circuito non attivamente utilizzate, abbassa il consumo di potenza dinamica, mentre il power gating arriva a interrompere completamente l’alimentazione ai blocchi circuitali inattivi, riducendo in tal modo la dissipazione di potenza statica.
Architetture chip innovative, i chip neuromorfici
Sul versante delle architetture chip avanzate per aumentare l’efficienza energetica, soprattutto nel quadro di crescente diffusione delle applicazioni dell’intelligenza artificiale, un paradigma emergente è il neuromorphic computing. I chip neuromorfici, nell’esecuzione di specifici workload AI, hanno il potenziale di superare le tecnologie tradizionali (CPU, GPU), sia a livello di efficienza energetica sia di prestazioni, perché la loro architettura è progettata specificamente secondo principi ispirati al funzionamento del cervello umano, notoriamente dotato di elevata efficienza energetica nell’elaborazione di informazioni complesse.
I chip neuromorfici possono adottare modelli di calcolo come la modellazione sparsa (sparsity), in cui solo i neuroni artificiali attivi consumano energia, oppure il calcolo event-driven, dove le informazioni vengono elaborate solo al verificarsi di un evento, come ad esempio un picco di attività in un neurone artificiale. In questo modo è possibile ridurre il consumo energetico rispetto ai sistemi convenzionali. L’efficienza energetica dei chip neuromorfici è inoltre strettamente connessa all’utilizzo di reti neurali spiking (SNN - spiking neural network), che imitano la comunicazione event-driven nelle sinapsi dei neuroni biologici, consumando energia solo quando un neurone artificiale genera uno spike (evento). Le SNN promettono di superare l’efficienza energetica delle convenzionali ANN (artificial neural network), ossia le reti neurali artificiali.
Note
1 – https://www.energy.gov/eere/articles/department-energy-announces-new-signatories-semiconductor-efficiency-pledge#:~:text=As
Dida
- (Imm. apertura) Sviluppare chip più “verdi” diventa oggi un’esigenza imperativa, in termini di sostenibilità ambientale ed economica (Fonte: Adobe stock – codice 1307003684)
- Il mercato dei semiconduttori di potenza SiC e GaN (fonte: Global Market Insights - https://www.gminsights.com/industry-analysis/sic-and-gan-power-semiconductor-market )
- Il chip neuromorfico NeuRRAM (fonte: UC San Diego Jacobs School of Engineering https://jacobsschool.ucsd.edu/news/release/3499?id=3499 )
