Dagens processormakare kämpar ständigt med balansen mellan prestanda och energieffektivitet i kisel-baserade processorer. Kisel är ett halvmetalliskt material med det kemiska tecknet Si, och har legat till grund för integrerade kretsar sedan dessa introducerades i slutet av 50-talet. Trots materialets lämpliga egenskaper för möjliggöra kommunikation i halvledare som transistorer har dagens högpresterande processorer börjat slå i taket för hur höga klockfrekvenser som kan nås med en allt krympande tillverkningsteknik.
Under gångna årtionden har ett flertal alternativ presenterats, där bland annat grafen presenterats som ett populärt alternativ. Ett annat alternativ som börjat bli mer aktuellt på senare tid är galliumnitrid (GaN), vilket som namnet antyder bygger på gallium (Ga) som använts för specialiserade processorer lika länge som kisel. Teknikpublikationen Engadget presenterar en pedagogisk genomgång av historiken, potentialen och utmaningarna runt galliumnitrid på Youtube-kanalen Upscaled.
Gallium användes i kretstillverkning redan med superdatorn Cray 3 på 80-talet.
Gallium används även i kylarlösningar som kylpastan Conductonaut.
Gallium togs i bruk redan under 80-talet i form av materialet galliumarsenid (GaAs), då bland annat Cray tillämpade det i processorn för superdatorn Cray 3. Här användes galliumarsenid för processorns logiska kretsar och kisel för systemets minneskretsar. Materialet har sedan dess också varit ett populärt val i radiokretsar för exempelvis telefoner och trådlösa anslutningar i bärbara datorer, och används både i 4G/LTE och 5G-sändare.
Galliumnitrid (GaN) är en senare utveckling där gallium istället binds till kväve, en kombination som skapar en hård gulaktig kristallstruktur. Materialet togs i bruk först i slutet av 90-talet då elektroingenjören Shuji Nakamura använde galliumnitrid för att skapa världens första blå LED-lampa. Tekniken låg till grund för den blå laserdioden som används för att läsa det optiska skivformatet Blu-Ray.
Shinji Nakamuras forskning ledde också fram till den första vita LED-lampan, som än idag ligger till grund för bildskärmar och LED-belysning av mer eller mindre alla spelfokuserade komponenter idag. På senare tid har galliumnitrid dock börjat visa tecken på potential för att användas som grund för högpresterande trådlös överföring och även i processorer. Precis som kisel handlar det om en halvledare, där materialets egenskaper blir ledande när energi tillförs.
Dessa egenskaper används med transistorer, där material som kisel och galliumnitrid används för att blockera överföringen av valenselektroner från olika sidor av en transistorgrind. När energi tillförs, vanligtvis genom en elektrisk laddning, blir materialet ledande, vilket låter valenselektronerna färdas genom grinden och därmed har en signal passerat. Genom att kombinera en mängd sådana transistorer skapas logiska grindar, vilket i stora mängder utgör en processor.
Det som särskiljer egenskaperna hos galliumnitrid från kisel är att det krävs en större mängd energi för att få valenselektronerna att hoppa över och göra materialet ledande. Mängden energi som krävs är cirka tre gånger större. Att en större mängd energi krävs har både fördelar och nackdelar. Den stora fördelen som gör galliumnitrid lockande som ersättare till kisel är att det större "gapet" i energitillförsel ger kretsar möjligheten att jobba i mycket högre hastigheter än vad kisel tillåter.
Dagens kiselbaserade processorer stöter på patrull när temperaturer stiger bortom vad kislet kan hantera, något som kan leda till att signaler i transistorer aktiveras felaktigt. Där en kiselprocessor börjar stöta på bekymmer runt 100 °C tål galliumnitrid temperaturer över 300 °C innan bekymmer uppstår. Materialet har också ett betydligt högre tröskelvärde för när transistorgrindarna inte längre kan blockera strömgenomförsel (eng. breakdown voltage), vilket leder till att de skickar felaktiga signaler.
Den praktiska innebörden för kretsdesign innebär att galliumnitrid tillåter mycket större energitillförsel ställt mot kisel, eller mindre kretsar med samma kapacitet som en större kiselkrets besitter. Ytterligare fördelar med galliumnitrid innefattar även att det har mindre motstånd som ledande material, vilket leder till lägre värmeutveckling och kapacitet för höga klockfrekvenser. GaN-transistorer växlar också mycket snabbare än hos kisel.
Om den teoretiska potentialen ska jämföras med dagens kiselbaserade processorer kan en processor byggd på galliumnitrid nå klockfrekvenser om 10–100 GHz, med avsevärt bättre energieffektivitet och lägre krav på kylning. De lovande egenskaperna hos galliumnitrid stannar dock inte vid processorkretsar.
Galliumnitrid har även potentialen att avsevärt förbättra konverteringen mellan ström från väggen till enheten. Dagens datorer och laddare för mobila enheter förlitar sig på konverterare som nätaggregat där kiselbaserade kretsar kontrollerar konverteringen av ström från väggen till enhetens behov. Billigare nätaggregat för datorer kan i regel slösa bort 15–20 procent energi i konverteringen.
Med galliumnitrid istället för kisel kan dessa laddare bli avsevärt mindre än i dagsläget, med obefintliga nivåer av energislöseri. Galliumnitrid kan i teorin vara så mycket mer effektivt att en bärbar dators laddare kan flytta in i väggkontakten, eller till och med flytta in i enheten på mindre mobila enheter. Den ökade energieffektiviteten och sänkta värmeutvecklingen har också stor potential för att göra världens datacenter mer energieffektiva och lättare att kyla.
Trots alla dessa fördelar har galliumnitrid inte konkurrerat ut kisel, och den huvudsakliga anledningen är att materialet är svårarbetat vid tillverkning. Ett annat bekymmer är att en galliumnitrid-transitor är på som standard och stängs av genom att tillföra energi, kontra en kiseltransistor som är avstängd i sitt standardtillstånd. Denna egenskap lämpar sig inte lika väl för design av logiska kretsar, varför framstegen varit begränsade.
Forskare har dock börjat nå framsteg i området. Dr Yuji Zhao vid Arizona State University i USA har lyckats skapa enkla kretsar helt baserade på galliumnitrid som överlever temperaturer som överstiger 500 °C, där målet med kretsarna är att de ska kunna användas i rymdfärder till himlakroppar som befinner sig nära solen och de extrema temperaturer som nås där.
Ett problem som fortsatt kommer vara ett hinder för anammandet av galliumnitrid i kretstillverkning på stor skala är att materialet är väldigt svårarbetat jämfört med kisel. GaN-kristaller är mycket svårare att tillverka och processen introducerar så många defekter att fullt fungerande kristaller är svåra att generera. Dagens bästa GaN-tillverkning genererar typiskt runt 100 000 defekter per kvadratcentimeter, medan högkvalitativa kisel-wafers typiskt innehåller färre än 100 defekter.
Av just denna anledning tillverkas dagens GaN-kretsar som ett tunt lager av galliumnitrid ovanpå ett lager kisel, vilket ger vissa men inte alla egenskaper som en renodlad krets på galliumnitrid skulle få. Nuvarande renodlade GaN-kretsar tillverkas också på mikrometernivå, tusentals gånger större än dagens kiselkretsar på nanometernivå, en utveckling som bygger på 100 år av forskning och finputsningar av tillverkningstekniker.
Trots lovande egenskaper ligger alltså en övergång till galliumnitrid fortfarande relativt långt fram på horisonten, och ett större skifte till andra lösningar inom halvledarteknik kan inträffa innan hindren runt galliumnitrid övervunnits.
