Nâng cao công nghệ sản xuất và chuỗi cung ứng trong nước
PowerAmerica sắp kỷ niệm 10 năm thành lập với tư cách là viện Sản xuất của Hoa Kỳ xúc tác cho các chip bán dẫn có dải thông rộng (WBG) siêu hiệu quả và các hệ thống điện tử công suất. Bằng cách thúc đẩy sự đổi mới, hợp tác và thương mại hóa,PowerAmericađang củng cố chuỗi cung ứng trong nước và nâng cao khả năng phục hồi của lĩnh vực công nghệ quan trọng này.
Viện hợp tác với các đối tác nhà nước và tư nhân để phát triển các công nghệ WBG hàng đầu, bao gồm chất bán dẫn điện silicon cacbua (SiC) và gali nitrit (GaN). Những vật liệu này mang lại hiệu suất mạnh mẽ hơn và tiết kiệm năng lượng đáng kể so với các thiết kế dựa trên silicon truyền thống trong một loạt ứng dụng, chẳng hạn như xe điện, lưới điện và năng lượng tái tạo, hệ thống động cơ công nghiệp, điện tử tiêu dùng và trung tâm dữ liệu.
SiC phù hợp cho mục đích sử dụng năng lượng cao và điện áp cao, chẳng hạn như bộ sạc xe điện và bộ biến tần cho hệ thống năng lượng mặt trời gia đình. Một tính năng chính của SiC là khả năng chịu được nhiệt độ cao, khiến nó trở nên lý tưởng cho các môi trường đòi hỏi khắt khe.
Ngược lại, các thiết bị GaN vượt trội về tốc độ và độ nhỏ gọn. Có khả năng bật và tắt nhanh hơn các thiết bị dựa trên silicon, GaN cho phép truyền điện hiệu quả trong các thiết kế nhỏ hơn, nhẹ hơn, khiến nó đặc biệt phù hợp với các ứng dụng sạc di động và nhỏ gọn.
Công nghệ của WBG cũng đã chứng minh rằng chúng đáp ứng được nhu cầu của các ứng dụng điện áp cao thế hệ tiếp theo. Chúng bao gồm hiện đại hóa lưới điện, hệ thống điện cho các nhà máy sản xuất, trang trại quang điện và động cơ nhiều megawatt, mở đường cho một tương lai tiết kiệm năng lượng hơn.
Thành tựu trong ngành của PowerAmerica
Dưới đây là một số thành tựu quan trọng từ nỗ lực của PowerAmerica nhằm phát triển ngành bán dẫn WBG và lực lượng lao động của ngành.
Hệ sinh thái
Lộ trình công nghệ của PowerAmerica nhằm nâng cao việc áp dụng chất bán dẫn có dải rộng:Công nghệ của WBG có tiềm năng biến đổi các ngành công nghiệp bằng cách tiết kiệm đáng kể năng lượng và giảm lượng khí thải đồng thời tạo ra việc làm trong lĩnh vực sản xuất công nghệ cao. Lộ trình này đưa ra một chiến lược toàn diện nhằm giúp chất bán dẫn WBG có khả năng cạnh tranh về mặt chi phí với các thiết bị điện tử công suất dựa trên silicon truyền thống và đẩy nhanh việc áp dụng các thành phần dựa trên SiC và GaN tại các thị trường và ứng dụng mới nổi. Những điểm nổi bật chính của lộ trình bao gồm:
- Xác định các thị trường trọng điểm và lĩnh vực ứng dụng cho thiết bị điện tử công suất SiC và GaN
- Ước tính khung thời gian khi chúng khả thi về mặt thương mại
- Thiết lập các mục tiêu hiệu suất mà công nghệ GaN và SiC dự kiến sẽ đáp ứng theo thời gian
- Xác nhận các rào cản kỹ thuật để đạt được các mục tiêu đó
- Thống nhất về các hoạt động nghiên cứu cần thiết để vượt qua những rào cản đó.
Lộ trình này đóng vai trò là kế hoạch chi tiết để phát triển công nghệ bán dẫn WBG, đảm bảo khả năng tích hợp của công nghệ này vào các thiết bị điện tử công suất thế hệ tiếp theo và thúc đẩy một tương lai tiết kiệm năng lượng.
Phát triển lực lượng lao động
Toàn diệnĐào tạo cho ngành và học viện:Khóa học ngắn hạn WBG kéo dài 2,5 ngày của PowerAmerica cung cấp chương trình đào tạo chuyên sâu về tất cả các khía cạnh của chip bán dẫn WBG và công nghệ điện tử công suất. Các giảng viên khóa học từ hơn chục trường đại học và công ty cung cấp sự kết hợp cân bằng giữa hiểu biết học thuật và kiến thức thực tế về ngành. Để đảm bảo tính phù hợp, nội dung khóa học được cập nhật thường xuyên để phản ánh những tiến bộ mới nhất trong công nghệ WBG. Mỗi năm, khóa học thu hút hơn 130 chuyên gia đang làm việc, giảng viên đại học và sinh viên sau đại học, điều này rất cần thiết cho những ai muốn đào sâu chuyên môn và đi đầu trong lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng này.
Câu chuyện thành công của dự án PowerAmerica
Thiết lập cơ chế sản xuất chất bán dẫn siêu hiệu quả của Hoa Kỳ
PowerAmerica đã hợp tác với X-FAB và các bên liên quan khác từ năm 2015–2020 để xây dựng Nằm ở Lubbock, Texas, xưởng đúc X-FAB hoạt động theo mô hình hợp tác, cung cấp khả năng chế tạo cho các công ty bán dẫn SiC không có cơ sở chế tạo nội bộ. Là xưởng đúc SiC có khối lượng lớn duy nhất ở Hoa Kỳ, X-FAB đã trở thành nguồn tài nguyên quan trọng cho hoạt động sản xuất SiC trong nước, giúp hạn chế sự di cư của hoạt động sản xuất chất bán dẫn SiC quan trọng ra nước ngoài. Đáng chú ý, tác động của X-FAB mở rộng trên toàn cầu, với nhiều công ty châu Âu và châu Á hiện đang chế tạo chip tại cơ sở này. Cùng với PowerAmerica, X-FAB đang tận dụng quy mô kinh tế silicon hiện có để giảm chi phí sản xuất thiết bị SiC, củng cố hơn nữa vị thế của Hoa Kỳ trong công nghệ này. Là bằng chứng cho sự thành công của mình với PowerAmerica, X-FAB gần đây đã được trao số tiền lên tới 50 triệu USD theo Đạo luật Khoa học và CHIPS để mở rộng năng lực sản xuất SiC, đảm bảo sự tăng trưởng và đổi mới liên tục trong lĩnh vực này.
Phương pháp tiếp cận toàn diện để tăng cường chuỗi cung ứng điện tử công suất
Bằng cách tăng cường số lượng thành viên một cách chiến lược để bao gồm tất cả các phân đoạn của chuỗi cung ứng chất bán dẫn WBG, từ thiết kế và chế tạo đến đóng gói và tích hợp sản phẩm, PowerAmerica đang thúc đẩy sự phát triển của chuỗi cung ứng nội địa mạnh mẽ cho chất bán dẫn WBG. Các tổ chức thành viên hợp tác để xác định và giải quyết các thách thức trước cạnh tranh, tận dụng hệ sinh thái của viện để đổi mới và sản xuất. Thành viên bao gồm sáu phòng thí nghiệm quốc gia, 21 trường đại học hàng đầu có chuyên môn về điện tử công suất WBG và các công ty lớn trong ngành như Lockheed Martin, GE Aerospace và Wolfspeed.
Hỏi đáp với Victor Veliadis, Giám đốc điều hành của PowerAmerica
Victor Veliadis là Giám đốc Điều hành và Giám đốc Công nghệ tại PowerAmerica kể từ khi gia nhập viện Sản xuất Hoa Kỳ vào năm 2016. Ông thảo luận về một số điểm nổi bật của PowerAmerica nhân dịp kỷ niệm 10 năm thành lập — và chia sẻ quan điểm của ông về 10 năm tới của viện.
Nhìn lại, điều gì nổi bật là thách thức khi xây dựng hệ sinh thái của bạn?
Điều đầu tiên tôi nghĩ đến khi bắt đầu là phải có một đề xuất giá trị mạnh mẽ cho các thành viên — chúng tôi cung cấp cho họ những gì? Chúng tôi giữ phí thành viên ở mức đủ thấp để các nhà quản lý khu vực tư nhân có thể viết séc mà không cần phải xin phép các Phó chủ tịch và lãnh đạo, đồng thời các trường đại học cũng có thể dễ dàng tham gia. Mục tiêu của chúng tôi là xác định các dự án nghiên cứu tiền cạnh tranh sẽ hấp dẫn đối với ngành và giúp ích cho mọi người. Ngành sản xuất của Hoa Kỳ đã đạt đến mức phải gia công nhiều công việc ở nước ngoài đến mức an ninh quốc gia gặp rủi ro. Mục tiêu của chúng tôi khi đó và cho đến ngày nay vẫn là xây dựng khả năng phục hồi chuỗi cung ứng và tăng trưởng kinh tế của Hoa Kỳ.
Một số thành công cơ bản của bạn là gì?
Chúng tôi đang giúp Hoa Kỳ dẫn đầu toàn cầu về sản xuất SiC. Trở lại năm 2016, trước Đạo luật Khoa học và CHIPS, chúng tôi đã hợp tác với X-FAB để thành lập xưởng đúc SiC mở đầu tiên trên thế giới. Chúng tôi đã ngăn chặn việc sản xuất chip WBG ra nước ngoài và chúng tôi cũng tạo ra một nơi mà các công ty nước ngoài có thể đến tại đâylàm chip. Xưởng đúc X-FAB đã cung cấp cho nhiều công ty nhỏ thiếu cơ sở chế tạo SiC của riêng họ khả năng tiếp cận năng lực sản xuất và R&D chung. Nó cho phép các công ty giới thiệu công nghệ của họ. Một số công ty đã chứng minh rằng chip của họ được sản xuất với năng suất cao và cuối cùng đã được mua lại.
Chúng tôi muốn làm điều gì đó tương tự với hoạt động sản xuất chất bán dẫn GaN, giúp tạo ra bộ sạc nhỏ hơn và nhanh hơn cho điện thoại và máy tính xách tay. GaN hiện phần lớn được sản xuất ở nước ngoài và chúng tôi muốn đi đầu trong việc đưa phần lớn công suất đó trở lại Hoa Kỳ.
Chúng tôi cũng đã giúp đẩy nhanh việc áp dụng WBG vào hệ thống điện tử công suất tại các công ty lớn như John Deere. Và chúng tôi đang thấy các nhà cung cấp dịch vụ đám mây lớn áp dụng tại các trung tâm dữ liệu, đây là một cơ hội lớn.
Đâu là chìa khóa để tăng cường áp dụng công nghệ WBG?
Việc thể hiện độ tin cậy sẽ luôn là số 1. Điện tử công suất là một ngành rất bảo thủ và không sẵn sàng chuyển hướng khỏi những thứ đang hoạt động tốt. Một trong những thách thức trong việc áp dụng là “hiệu quả” không phải lúc nào cũng đủ để bán được hàng. Có rủi ro liên quan đến việc áp dụng một công nghệ mới. Độ tin cậy và độ chắc chắn là những rào cản lớn. Công nghệ mới này có hoạt động suốt đời hệ thống không? Chúng ta phải tiếp tục chứng minh khả năng và lợi ích của WBG. Việc chỉ ra cách cải tiến đáng tin cậy với ROI rõ ràng là chìa khóa để áp dụng. Chúng tôi cũng cần một chuỗi cung ứng mạnh mẽ hơn để đảm bảo tuổi thọ.
Bạn tiếp cận việc phát triển lực lượng lao động cho một công nghệ phức tạp như vậy bằng cách nào?
Chìa khóa cho nỗ lực phát triển lực lượng lao động của chúng tôi là đào tạo sinh viên đại học ở trình độ cao để triển khai nhanh hơn vào lực lượng lao động. Kiến thức sẽ nhỏ giọt nếu bạn có thể đào tạo những người có thể đào tạo người khác.
Một trong những mối lo ngại về việc thương mại hóa công nghệ mới là các nhà sản xuất sẽ không có lực lượng lao động. Họ cần những người được đào tạo để áp dụng công nghệ mới. Đó là một trong những lý do chúng tôi hợp tác với các trường đại học - để hỗ trợ sinh viên của họ. Cho đến nay, chúng tôi đã làm việc với khoảng 30 trường đại học. Sinh viên của họ là những người tham gia tích cực vào các dự án nghiên cứu ứng dụng và thường được thực tập và làm việc tại các công ty tham gia vào các dự án đó.
Các trường đại học cũng giúp kết nối ngành với PowerAmerica.
Điều gì khiến bạn hào hứng nhất về thập kỷ tiếp theo của PowerAmerica?
Chúng tôi rất vui mừng khi thấy SiC và GaN được đưa vào sản xuất thương mại ở quy mô đầy đủ. Công nghệ này chiếm khoảng 20% thị phần điện tử công suất ngày nay. Nó có thể là 50 phần trăm trong năm năm tới. Cạnh tranh rất khốc liệt khi toàn bộ thế giới đang điện khí hóa. Ví dụ, tôi đã đề cập đến trung tâm dữ liệu trước đó. Các trung tâm dữ liệu đang phải vật lộn với nhu cầu ngày càng tăng từ AI và điện khí hóa. Công nghệ hiện đại hoạt động nhưng nó tạo ra lượng nhiệt dư thừa đáng kể và khó quản lý. Và sự thiếu hiệu quả đang khiến chúng ta phải trả giá về mức tiêu thụ năng lượng và khí thải. Chúng tôi có thể đưa GaN và SiC vào để tăng hiệu quả.
Bạn hy vọng công việc của PowerAmerica sẽ có tác động gì đến ngành sản xuất Hoa Kỳ về lâu dài?
Chúng ta có công nghệ mà những người khác không có, vì vậy chúng ta phải tiếp tục nỗ lực sản xuất công nghệ ở đây, cung cấp việc làm tốt và xây dựng khả năng phục hồi của chuỗi cung ứng. Nhưng khi bạn đang dẫn đầu, bạn cần đi trước một bước để các nước khác không thể tiếp cận sản phẩm của bạn từ góc độ hàng hóa. Chúng tôi đang giúp giảm chi phí sản xuất và chúng tôi cần tiếp tục hợp lý hóa hoạt động, giảm chi phí, tự động hóa các quy trình và làm bất cứ điều gì cần thiết để duy trì tính cạnh tranh. Tác động lâu dài là tăng trưởng kinh tế, chẳng hạn như việc làm công nghệ cao và lợi ích an ninh quốc gia.
10 Năm Đổi mới, Hợp tác và Giáo dục
PowerAmerica là một phần của mạng lưới Sản xuất Hoa Kỳ, được thành lập để tăng khả năng cạnh tranh sản xuất của Hoa Kỳ bằng cách kết nối con người, ý tưởng và công nghệ. Tìm hiểu thêm về 10 lĩnh vực mà PowerAmerica và phần còn lại của mạng lưới Sản xuất Hoa Kỳ đã tạo ra tác động đáng kể kể từ khi mạng lưới này thành lập vào năm 2014.