Ingen digitalisering utan europeiska halvledare

Jörgen Städje
2 veckor sedan

När allt ska digitaliseras behövs massor av halvledare i telefoner, datorer, AI-revolution, bilar och eltåg. Men om inte Europa kan producera sina egna halvledare, kan det bli problem när vi av säkerhetsskäl ska sluta köpa från Kina och USA blir mera isolationistiskt.

Professorn i fasta tillståndets elektronik vid KTH, Mikael Östling har under lång tid studerat utvecklingen av halvledarindustrin i Europa och är själv en del av den, i och med hans samarbeten med EUs vetenskapliga grenar och det Europeiska forskningsrådet. Han forskar huvudsakligen inom kisel- och germaniumhalvledare och processteknologi för mycket hög frekvens, samt teknik rörande halvledare som ska tåla höga spänningar och temperaturer med särskild tonvikt på kiselkarbid för högeffekttillämpningar. Mikael har ett antal synpunkter på hur Europa sköter, eller borde sköta utvecklingen.

Europa nu och framöver

Vi börjar med framtiden. Är planerna bra? Är aktiviteterna bra? Är ekonomin bra?

GlobalFoundries halvledarfabrik i Dresden. De rektangulära husen är renrum som producerar 300.000 kiselskivor per år. Bild: Fensterblick, CC BY-SA 3.0

– Planerna ser bra ut. EU har antagit Chips Act (se faktaruta) och har kommit igång med pilottillverkning av nya halvledartyper på fyra ställen. Totalt har man beviljat nära 20 miljarder kronor från EU som ska matchas med lika mycket till från industrin och de beröra länderna. Så får till exempel CEA-LETI i Grenoble i Frankrike, IMEC i Belgien tillsammans 12 miljarder kronor för sitt utvecklingsarbete. Fraunhofer-koncernen ska ägna sig åt ”heterogen integration”. Utöver detta är Dresden den stora centralnoden för halvledare i Europa där bl a TSMC etablerar en ny halvledarfabrik tillsammans med Infineon , NXP och Bosch. Nybygget ska heta ESMC och man förväntar sig kunna nyanställa omkring 2000 personer om 2-3 år.

Slutligen då, kanske viktigast för Sverige, som är del av den fjärde pilotlinan: Myfabs universitetslaboratorier som driver utvecklingen av kraftelektronik i halvledarmaterialen som kallas ”Wide Bandgap Semiconductors”, halvledare med större bandgap än kisel, helt enkelt energieffektivare kraftelektronik. De svenska universiteten har lite olika inriktningar. Vid KTH i Stockholm handlar det om kiselkarbid, vid LTH i Lund och Chalmers i Göteborg om galliumnitrid.

Myfab är den svenska nationella forskningsinfrastrukturen för mikro- och nanotillverkning. Laboratorier finns i Uppsala, Stockholm, Lund och Göteborg. Bild: Myfab

Kraftelektroniken är av stor vikt för Sverige som industriland när allt mer ska digitaliseras och effektiviseras, som fordon, eltåg, lastmaskiner och elkrafttillämpningar. Myfab har dessutom partnerskap med industrin ibland annat Finland, Polen och Tyskland.

Denna fjärde pilottillverkning styrs av Italiens nationella forskningsstiftelse CNR, som ligger i Catania på Sicilien där ST Microelectronics har världens största fabrik för tillverkning av kiselkarbidkomponenter, vilken helt enkelt har som avsikt att stödja den europeiska halvledarforskningen.

Avsikten med de nya halvledartyperna är kanske främst att öka omslagsfrekvenserna, öka verkningsgraden och öka tätheten i de nya, kommande AI-kretsarna. Som exempel består Nvidias senaste AI-krets Blackwell av 208 miljarder transistorer, och då är arbetet med att hålla värmeutvecklingen nere av absolut högsta vikt.

Alldeles nyligen beslutades den femte pilotlinan som ska arbeta med fotonik (laser, sensorer etc). Sammantaget gör detta att framtiden ser ljus ut för halvledarteknologin i Europa. Speciellt starkt är Europa på kraftelektroniksidan eftersom ST Electronics som sagt är världens absolut största tillverkare av kiselkarbidtransistorer (stora, starka), medan det ser lite sämre ut för den högintegrerade elektroniken (miljarders miljarder transistorer).

USA finns med på ett hörn. Intels jättefabrik i Leixlip på Irland producerar halvledare för fullt, även om de inte får EU-pengar. Nybygget man planerade i Magdeburg verkar dock ha gått i stå, på grund av Intels knackiga ekonomi just nu.

Finansiering

EUs Chips Act innefattade en hel del pengar, men förutsatte att deltagarländerna bidrog med lika mycket. Sålunda har exempelvis Finland bidragit med 20 miljoner Euro till den fjärde pilotlinan, medan den svenska regeringen tycks se sig förvirrat omkring och bara skjuter till en miljon Euro. Det här avspeglar kanske hela läget i Europa kontra USA och Kina: vi släpar efter och allting går långsamt, medan de stora tillverkarländerna sätter fart.

Utan chip – ingen kvant

Det tycks som att Sveriges politiker hellre vill satsa pengar på det som är populärt och ligger långt in i framtiden, som kvantdatorer. Det har föga med halvledarutveckling att göra, som det ser ut nu. För att kvantdatorer ska bli en realitet måste de kunna utföras i kisel eller annat halvledarmaterial som kan integreras i ett högintegrerat chip. Annars når vi aldrig den täthet med kvantbitar som behövs. Så återigen är halvledarforskningen mycket viktig.

Utan råvaror – ingenting

Om Kina vill straffa Europa för att vi inte vill handla med dem, var får vi tag i råvarorna? Kisel finns på vilken badstrand som helst, men gallium och germanium verkar vara utsatta för strypgrepp. Vi skulle kunna börja gräva där vi står för mineralerna finns i Sverige, men gruvdrift möts av hinder överallt. Fast bättre vore det om vi kunde sluta med handelskrigen, eftersom Kina ändå ligger i framkant. De har en fantastisk ekonomi, en väldig inre marknad, väldigt många välutbildade tekniker och är väldigt snabba på att få igång produktion.

Utan tekniker – Talent Gap

Halvledarindustrin kräver massor av tekniker framöver. Utöver de befintliga, bedömer EU:s European Chip Skills Academy att Europa behöver 75.000 nya tekniker de närmaste åren. KTH i Stockholm utbildar bara cirka 1500 civilingenjörer varje år och långt ifrån alla är intresserade av att arbeta med halvledare. I övriga EU ser det ut på samma sätt på universiteten. Universiteten har inte kapaciteten som det ser ut nu och näringslivet måste involveras, vakna upp och bidra till att intressera flera för halvledarindustrin och, framför allt, ge en positiv bild av branschen.

Kiselkarbid-special

Kiselkarbid arbetar vid höga temperaturer, spänningar och frekvenser vilket ger hög elektrisk verkningsgrad och sparar energi. En provuppställning som glöder. Bild: Jörgen Städje

För att nu komma in på den svenska grenen: kiselkarbid. Universiteten har visat att man har bra teknik med stor innovationshöjd som går att kommersialisera. Både svenska och utländska företag köper tekniken och utvecklar företagen. Detta resulterar ständigt i nya idéer och nya spin-off-företag.

– Effektiviteten är inte bara av vikt i ellok, utan de stora datacentren blir bara större och drar allt mera energi och AI kommer i sin tur att kräva ännu större centraler. Här blir verkningsgraden av absolut högsta vikt, eftersom energi kostar pengar. Visst, all teknik är inte energieffektiv för mänskligheten, men tekniken ger ändå mycket mera mänskligt värde. Vi ser medicintekniska framsteg, vi ser förbättrad energiöverföring och minskad energikonsumtion, och det är krafthalvledarna som ger oss dessa fördelar, avslutar professor Östling.

Halvledarteknikens sårbarhet intresserar Försvaret

Halvledarutveckling är inte utan risker, eftersom det finns aktörer som vill att Europa ska misslyckas och fortsätta vara beroende av exempelvis Asien, vilket kan påverka säkerhetsläget.

Det kan inte minst få militära återverkningar om något land antingen kan störa vår tillverkning av halvledarkomponenter för militärt bruk, eller stjäla hemligheter.

Försvarsministern Pål Jonson gav i november 2024 i uppdrag åt Försvarets materielverk att identifiera, inventera och analysera skyddsvärda produkter och verksamheter kring halvledarteknik i Sverige. FMV ska också titta på hotbilden och samla in och identifiera sårbarheter, t ex tekniksäkerhet och teknikläckage, så att skyddsåtgärder kan vidtas.

– Säker tillgång till banbrytande tekniker, råvaror och insatsvaror är av avgörande betydelse för samhällets funktion. Regeringen arbetar aktivt med att förebygga hot och stäkra Sveriges försörjningslösningar. Detta regeringsbeslut är ett exempel på det, säger försvarsministern.

Riskbedömningen ska identifiera, inventera och analysera strategiskt skyddsvärda produkter samt hot, hotaktörer och lämpliga motåtgärder.

Faktaruta

Kiselkarbidskiva med färdiga högtemperaturkretsar, framtagen vid KTH I Stockholm. Bild: Jörgen Städje

Chips Act: En EU-förordning med avsikt att stärka Europas ledarskap inom forskning och tillverkning, öka EU:s andel av världens tillverkning av halvledare till 20% och ta sig an bristen på tekniker.
ECS-Academy: European Chips Skills Academy arbetar inom EU för att främja innovation och motståndskraft inom mikroelektroniksektorn genom att överbrygga klyftan mellan utbildning och industri för att ta itu med Europas kompetens- och talangbrist.
Myfab: Kedja av fyra svenska halvledarlaboratorier för forskning och viss massframställning, inhysta på svenska universitet och högskolor.
Kiselkarbid: En förening av kisel och kol (SiC) som är mest känd som slipmedel tack vare den stora hårdheten. Den fungerar bra som basmaterial för högtemperaturhalvledare som tål höga spänningar och levererar höga omslagsfrekvenser, för kraftelektronik med hög verkningsgrad.
Galliumnitrid: En förening av gallium och kväve (GaN) och används för att tillverka halvledare som arbetar vid mikrovågsfrekvenser, blå lysdioder, laserdioder och solceller. GaN är särskilt lämpat för kretsar i mobiltelefoner, mobilbasstationer, satellitkommunikation, mikrovågslänkar och radarsystem.