어느 정도 동일성이 있어요 유연한 큐비클 배치, 유리로 둘러싸인 임원 사무실, 방정식과 아이디어를 기다리는 화이트보드 벽, 더 시끄럽고 더 위험한 프로세스 부분을 위한 지하 실험실 등 기술 스타트업을 위한 공간까지. 어떤 면에서는 그 집 이상적인 반도체 펜실베니아 주 베들레헴에 있는 리하이 대학교 캠퍼스도 바로 그렇습니다. 가장 눈에 띄는 차이점은 바깥 벤치에 앉아 있는 18세기 발명가이자 전기 애호가인 벤저민 프랭클린의 실물 크기 동상입니다.
이상적인 공동 창업자이자 CEO인 Mark Granahan은 예전 Benny Kite-and-Key와 조용한 시간을 보냈다고 인정합니다. 그러나 기발한 아이디어를 귀중한 반도체 회사로 바꾸려면 모국의 창업자로부터 영감을 받는 것보다 훨씬 더 많은 것이 필요합니다. 전구를 켜는 순간부터 실험실 데모까지, 최종적으로 제조된 현실까지 탐색하는 것은 항상 하드웨어 스타트업의 결정적인 어려움이었습니다. 그러나 Ideal의 여정은 특히 오늘날 미국 반도체 산업의 발명 상태를 잘 보여줍니다. CHIPS 및 과학법스타트업 창업자들이 개인적으로 철저하게 옹호한 법률인 이 법은 상황을 더 좋게 바꿀 수도 있습니다.
2022년에 통과된 이 법은 당시 그러한 시설이 전혀 없었던 미국의 새로운 최첨단 CMOS 팹 건설에 수백억 달러를 투자한 것으로 가장 잘 알려져 있습니다. 그러나 이러한 노력에는 또 다른 측면이 있습니다. 즉, 신기술에 대한 중요한 실험실에서 제조 공정까지의 속도를 높이고 미국에서 (주로) 제조할 수 있는 점점 더 나은 반도체 기반 발명품을 만들기 위한 것입니다.
그리고 아이디얼의 창업자들은 바로 이 부분이 반도체 스타트업에 가장 큰 변화를 가져올 것이라고 생각합니다. 얼마나 크나요? CHIPS 법은 Ideal의 첫 번째 제품에 비해 대부분 너무 늦게 제정되었지만, 이 법이 존재하고 실행되었다면 회사의 7년 여정이 제품 출시를 절반의 시간, 어쩌면 60년 안에 완료되었을 것이라고 경영진은 생각합니다. 비용의 퍼센트. 만약 하나의 스타트업이 그렇게 할 수 있다면, 그렇게 가속화된 스타트업 100개의 산업 및 혁신 생태계에 미치는 영향을 상상해보세요. 아니면 천.
Granahan은 “시간과 돈이 있다면 많은 일이 해결될 것입니다.”라고 말합니다. “하지만 스타트업으로서는 시간과 돈, 이 두 가지가 충분하지 않습니다.” CHIPS 법과 유럽 및 기타 지역의 유사한 노력이 스타트업을 두 가지 모두에서 구할 수 있기를 바랍니다.
이상의 빅 아이디어
Ideal의 경로와 CHIPS 법이 이를 어떻게 바꿀 수 있었는지 이해하려면 먼저 Ideal이 어떤 발명품을 기반으로 만들어졌는지 알아야 합니다. 그것은 새로운 종류의 AI 프로세서, 이국적인 메모리 장치 또는 극저온 양자 인터페이스 칩이 아닙니다. 실제로 전력 전달 회로용으로 설계된 개별 실리콘 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터인 반도체 분야만큼 초라해 보입니다.
한 전압을 다른 전압으로 변환하려는 모든 곳에서 유사한 장치가 사용됩니다. 벽에 있는 조광기 스위치에는 적어도 하나가 있습니다. 자동차에는 수백 개가 있고, 휴머노이드 로봇은 관절의 모터를 구동하려면 아마도 60개 이상이 필요할 것입니다. 당신은 지금 거의 확실하게 10미터 이내에 있습니다. 이러한 개별 장치는 2022년에 미화 340억 달러 규모의 시장을 구성했습니다. 2030년까지 500억 달러까지 성장할 것으로 예상,에 따르면 반도체산업협회 2023 팩트북.
이상적인 전력 트랜지스터는 꺼져 있을 때 고전압을 차단하고, 켜져 있을 때 저항 없이 전류를 전도하며, 전력 손실 없이 빠르게 상태 사이를 전환합니다. 진정으로 이상적인 장치는 없지만 Granahan과 회사의 다른 공동 창업자들은 데이비드 자우레기, 마이클 번스오늘날 시장을 선도하는 실리콘 장치보다 훨씬 더 가까이 다가갈 수 있다고 생각했습니다.
방법을 알아보려면 현재 선도적인 실리콘 업체보다 한 세대 뒤처진 트랜지스터 아키텍처부터 시작해야 합니다. HEXFET이라 불리며 처음 개발되었습니다. 국제 정류기트랜지스터를 주로 실리콘 평면에 내장된 장치에서 수직 구조의 장치로 전환함으로써 게임의 판도를 바꾸었습니다.
그 구조는 아래에서 위로 올라갈수록 더욱 복잡해지는 레이어 케이크로 진화했습니다. 맨 아래부터 시작하는 것은 과도한 이동 전자를 고농도로 포함하기 위해 화학적으로 도핑된 실리콘 영역입니다. N– 유형 실리콘. 이것은 장치의 배수입니다. 그 위에는 과잉 전자 농도가 낮은 두꺼운 영역이 있습니다. 그리고 그 위에는 더 복잡한 레이어가 있습니다. 여기서는 장치의 소스, 지역 N– 유형의 실리콘은 이동 양전하(정공)가 과도한 실리콘 영역인 채널에 의해 장치의 나머지 부분과 수직으로 분리되어 있습니다. 피-유형. 채널 중앙에는 트랜지스터 게이트가 내장되어 있으며, 이 게이트는 좁은 절연층에 의해 다른 모든 것과 전기적으로 분리되어 있습니다.
게이트의 양전압은 게이트의 양전하를 밀어냅니다. 피– 유형의 실리콘을 제외하고 소스에서 드레인까지 전도성 경로를 생성하여 장치를 켭니다. 실제 HEXFET은 이러한 수직형 장치가 병렬로 많이 구성되어 있습니다.
HEXFET는 큰 발전을 이루었지만 더 높은 전압이 아킬레스건입니다. 예를 들어 중간층을 더 두껍게 만들어 더 많은 전압을 차단하도록 설계하면 전류를 전도해야 할 때 장치의 저항이 급증하여 차단하려는 전압의 제곱보다 빠르게 증가합니다. 더 높은 전압 작동은 전기 자동차나 컴퓨터 내부와 같이 상당히 짧은 거리에서도 전송 손실이 적기 때문에 중요합니다.
“COVID가 발생했을 때 갑자기…전화가 갑자기 울리기 시작했습니다.”–마크 그래나한
이 솔루션과 오늘날 실리콘 전력 트랜지스터의 선도적인 아키텍처를 RESURF Superjunction이라고 합니다. 중간 부분을 교체하여 저항이 적은 구조에서 더 높은 전압을 차단할 수 있습니다. N-유형 레이어 피– 유형의 재료. 그 결과, 고전압을 차단하는 전하 균형 구조가 탄생했습니다. 그러나 이 솔루션은 장치의 전도성 영역을 효과적으로 절반으로 줄여 저항을 줄여 성능을 향상시키기가 어렵습니다.
Ideal의 큰 아이디어는 실리콘 레이어 케이크를 가지고 그것을 먹는 방법입니다. SuperQ라고 불리는 이 제품은 RESURF의 고전압 차단 기능을 유지하면서 HEXFET의 전도성 영역을 복원합니다. 많은 양을 투자하여 전압을 차단하는 대신 피장치의 내부 전하 균형을 맞추기 위한 유형의 실리콘인 SuperQ는 좁고 깊은 트렌치 내에 형성된 나노미터 두께의 독점 필름을 사용하여 동일한 효과를 얻습니다. 따라서 트랜지스터는 여전히 높은 전압을 처리하면서 넓고 낮은 저항 구조를 회복합니다.
그러나 이러한 윈윈(win-win)을 위해서는 실리콘 전력 장치 세계에서는 볼 수 없는 몇 가지 칩 제조 기술, 즉 깊고 좁은(높은 종횡비) 트렌치를 식각하는 능력과 한 번에 한 원자층씩 물질을 적층하는 도구가 필요했습니다. 둘 다 고급 CMOS 및 메모리 칩 제조에서 일반적이지만 개별 장치 제조 환경에서 이를 확보하는 것이 Ideal의 주요 장애물이었습니다.
아이디어와 그 환경
2014년 Granahan은 이전 스타트업인 Ciclone을 Texas Instruments에 매각한 후 최근 은퇴했습니다. “기본적으로 긴장을 풀고 생각하기 위해 잠시 쉬었습니다.”라고 그는 말합니다. Granahan은 IEEE 간행물 및 기타 기술 저널을 읽는 것과 관련하여 휴식을 취하고 생각했습니다.
그리고 그곳에서 그는 실리콘 전력 MOSFET의 한계를 뛰어넘는 희미한 빛을 보았습니다. 특히 그는 광전지에서 전하 균형을 맞추려는 실험적 연구에 주목했습니다. 그것은 두 가지에 의존했습니다. 첫 번째는 높은-케이 유전체 – 알루미나, 하프니아 및 전하를 유지하는 동시에 전하의 전기장을 전달하는 데 적합한 기타 절연체. 이는 Intel CPU에서 불과 5년 전에 사용되기 시작했습니다. 두 번째는 이러한 절연체를 나노미터 단위의 얇은 필름으로 만드는 방법이었습니다. 이 기술을 원자층 증착(ALD)이라고 합니다.
펜실베이니아 주립대학교에서 구매 시간 나노제조 연구실Granahan은 유전체와 처리 레시피의 다양한 조합을 시도하여 마침내 SuperQ 개념이 작동할 수 있지만 거기에 도달하려면 고급 처리 장비가 필요하다는 것을 입증했습니다.
아이디얼 세미컨덕터의 노력의 결실은 SuperQ 기술을 기반으로 한 파워 트랜지스터입니다. 제이미 손튼
그는 발명 과정의 초기 부분에 대해 “이런 아하 순간은 없었습니다.”라고 말합니다. “하지만 출발점으로 가기 위해 거쳐야 하는 학습 과정이 있었습니다.”
그 시작점은 잠재적으로 변혁을 일으킬 수 있는 수많은 아이디어의 경우처럼 종료점일 수도 있습니다. 초기에 가장 큰 장애물은 바로 돈이었습니다.
Granahan과 그 벤처 캐피털리스트 중 한 명에 따르면, 당시 미국 벤처 캐피탈은 일반적으로 반도체 스타트업에 관심이 없었습니다. Celesta Capital의 Nic Braithwaite. Brathwaite는 2008년에 첫 번째 펀드를 공동 설립하고 2013년에 Celesta를 공동 설립하기 전까지 반도체 기술 개발 및 칩 패키징 분야에서 수십 년을 보냈습니다. 당시 “반도체 분야의 VC는 아무도 없었습니다”라고 그는 말합니다.
그럼에도 불구하고 중국 기반 또는 중국 지원 펀드인 Granahan은 현금을 확보할 수 있는 자원이 있었다고 말합니다. 그러나 Granahan과 그의 파트너는 몇 가지 이유로 중국으로부터 자금 지원을 받기를 꺼려했습니다. 일반적으로 기기를 해당 국가에서 제조하고 지적 재산을 해당 국가로 이전하도록 요구하는 등의 문자열이 첨부되어 제공됩니다. 또한 Granahan과 그의 동료들은 이전에도 화상을 입은 적이 있었습니다. 그의 이전 스타트업의 비밀은 싱가포르에서 사용하던 팹에서 어떻게든 탈출하여 중국의 경쟁 장치에서 나타났습니다.
“우리는 아주 짧은 시간 안에 IP를 잃었습니다.”라고 그는 말합니다. 그래서 그들은 중국의 자금 지원을 피하는 것뿐만 아니라 장치를 국내에서 개발하고 궁극적으로 제조하기로 결정했습니다.
“우리는 장치 아키텍처와 그에 따른 프로세스 기술을 직접 개발할 파트너가 필요했습니다.”라고 그는 설명합니다. Ideal의 창립자들이 찾고 있던 것은 전문 장비를 갖추고 이를 사용하여 새로운 프로세스를 개발하는 데 도움을 줄 의지가 있는 미국 기반 파운드리였습니다. 안타깝게도 2017년에는 그러한 생물이 존재하지 않았습니다.
국내 파트너를 찾기로 결심한 Ideal의 경영진은 “최적화되지 않은 솔루션”에 안주하기로 결정했습니다. 그들은 캘리포니아에 있는 소규모 제조업체(임원들은 이름을 밝히지 않음)를 발견했는데, 그 제조업체는 Ideal이 SuperQ 장치를 개발하는 데 도움을 줄 수 있는 능력과 속도 측면에서 만족스럽지 못했습니다. 이상적으로는 이 회사의 장비에 투자해야 이 일을 할 수 있었습니다.
NSTC는 회원들에게 개방됩니다
국립반도체기술센터(NSTC)은 새로운 세대의 칩을 개발하기 위한 도구와 교육에 대한 접근을 제공함으로써 미국이 반도체 산업에서 지속적인 입지를 확보할 수 있도록 하기 위한 CHIPS 법의 일부입니다. 공공-민간 파트너십을 통해 기업은 다음과 같이 운영됩니다. 회원 조직. 냇캐스트비영리 운영업체는 최근 열었다 회원 NSTC에서 ~을 목표로 궁극적으로 주는 소재 스타트업부터 대규모 클라우드 컴퓨팅 제공업체까지 모든 사람이 액세스할 수 있습니다.
Natcast는 “모든 사람이 멤버십에 접근할 수 있도록 하고 싶습니다”라고 말합니다. 수잔 페인트Natcast의 생태계 개발 담당 수석 부사장입니다. “반도체 생태계의 모든 이해관계자들의 광범위한 대표가 필요합니다.” 회원 자격은 관련 조직의 규모와 성격에 따라 차등적으로 결정됩니다. 1회당 미화 1,600달러 정도입니다. Nvidia 규모 기업의 경우 $660,000로 가장 작은 스타트업입니다.
그러나 구성원의 다양성은 모든 사람이 NSTC에서 동일한 것을 원하는 것은 아니라는 것을 의미합니다. Feindt는 신생 기업이 NSTC의 초기 제품 중 일부를 활용할 것으로 예상합니다. 하나는 NSTC가 설계 활성화 게이트웨이라고 부르는 것을 통해 고급 EDA(전자 설계 자동화) 설계 도구에 액세스하는 것입니다. 또 다른 방법은 멀티프로젝트 웨이퍼 배열로, 여러 조직의 칩을 모아 팹에서 웨이퍼를 채워 개발 비용을 절감할 수 있는 기회입니다.
결국 Natcast는 극자외선 리소그래피를 갖춘 첨단 디자인 센터와 새로운 반도체 및 패키징 기술을 위한 파일럿 라인을 운영하게 될 것입니다. 그리고 NSTC 회원들은 조직의 R&D 우선순위를 지휘하게 됩니다.
Feindt는 “제조 분야에 대한 우리의 투자는 미국 반도체 산업의 궤도를 분명히 바꿀 것입니다.”라고 말했습니다. “하지만 R&D에 대한 투자는 지속성을 보장해야 합니다.”
그 지점에 도달한 경험은 Ideal의 창립자들이 상당히 우려했던 미국 반도체 산업에 관한 몇 가지 사실을 드러냈습니다. 그 중 가장 중요한 것은 일반적으로 아시아, 특히 대만에 칩 제조가 극도로 집중되어 있다는 것입니다. 2018년 첨단 반도체 분야의 가장 큰 이름은 대부분 미국에 본사를 둔 소위 팹리스 회사였습니다. 즉, 칩을 설계한 뒤 TSMC(Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.)나 삼성 같은 파운드리 업체를 고용해 칩을 만드는 것입니다. 그런 다음 일반적으로 제3의 회사가 아시아에서도 칩을 테스트하고 포장하여 디자이너에게 다시 배송했습니다.
이 모든 것은 여전히 사실입니다. 이는 AMD, Apple, Google, Nvidia, Qualcomm 등과 같은 미국 기반 거대 기술 기업의 표준 운영 절차입니다.
2018년까지 미국의 최첨단 논리 제조 능력은 위축되어 죽음에 가까워졌습니다. 당시 자체 칩을 만들어 이제서야 제대로 된 파운드리로 변해가던 인텔은 신공정 기술 개발에 크게 실패해 뒤처졌다. TSMC 처음으로. 뉴욕주 몰타 소재 글로벌파운드리세 번째로 큰 파운드리, 갑자기 버림받은 그것은 첨단 공정 기술 개발계속해서 회사를 재정적 파멸의 고리에 빠뜨렸기 때문입니다.
상황이 너무 비뚤어졌기 때문에 100% 고급 로직 제조 당시 아시아에서 수행되고 있었고 TSMC 자체가 그 중 92%를 수행했습니다. (덜 발전된 칩의 경우에도 상황은 크게 다르지 않습니다. 77%는 아시아에서 만들어졌고 중국은 그 중 30%를 차지했습니다.)
Granahan은 “아시아는 미국의 반도체 개발에 대해 포켓 거부권을 행사했습니다.”라고 결론지었습니다. “미국은 스타트업 반도체 생태계를 잃었다.”
번스 씨가 워싱턴으로 갑니다
우려와 좌절감을 느낀 Granahan은 공동 창립자이자 회장인 Mike Burns와 함께 긍정적인 조치를 취했습니다. 그들은 자신의 경험을 정부에 전달했습니다. “마이크와 나, 특히 마이크는 DC에서 하원과 상원의 사람들, 직원, [Republicans, Democrats]우리의 말을 들어줄 사람이라면 누구나요.”라고 그는 말합니다. Burns는 그들이 최대 75번의 회의를 가졌다고 추정합니다. 그는 일반적으로 반응이 “많은 불신”이었다고 말했습니다. 그들이 대화를 나눈 정치 세력 중 다수는 미국이 반도체 생산에서 지금까지 뒤처져 있다는 사실을 전혀 믿지 않았습니다.
그러나 미국 정부 내 일부 부문에서는 이미 반도체를 국가 안보 문제로 보고 우려하고 있었습니다. 대만과 한국은 결국 지리적으로 미국의 라이벌인 중국과 어깨를 나란히 하고 있다. 따라서 2019년 말까지 첨단 반도체 제조 등을 국내에 도입하려는 미래 CHIPS 법의 씨앗이 DC에서 싹트기 시작했습니다. 의회와 양원 모두 초당적 지지가 있었음에도 불구하고 우선 순위는 아니었습니다.
그러다 코로나19가 찾아왔다.
공급망 초점
2020년에 발생한 무서운 글로벌 팬데믹과 함께 제공된 공급망 물류 단기 집중 과정을 기억하시나요? 소비자들이 원했지만 전염병으로 인한 혼란의 첫 해에 얻을 수 없었던 많은 것들에 대해, 직간접적으로 반도체 부족이 그 이유였습니다.
Granahan은 “COVID가 발생했을 때 갑자기…전화벨이 울리기 시작했습니다.”라고 Granahan은 말합니다. “CHIPS 법안은 전염병보다 먼저 발생했지만 전염병은 우리에게 이 법안이 필요한 이유를 실제로 드러냈습니다.”라고 말합니다. 그렉 예릭전 CTO 반도체 스타트업현재는 연구소의 연구 책임자입니다. CHIPS 법을 집행하는 미국 상무부 사무소.
추진력은 입법 수정에 뒤처지기 시작했고, 2021년 1월 초 의회는 CHIPS 및 과학법이 될 프레임워크가 포함된 국방 법안을 통과시키기 위해 대통령의 거부권을 무시했습니다. 2022년 8월에 발효된 최신 법안은 이 프로젝트에 520억 달러(신규 제조 자금으로 390억 달러, 국방 부문 반도체에 20억 달러, R&D에 110억 달러)를 약속했습니다. R&D 할당에는 Burns와 그의 동료들이 추진해 온 개념에 대한 자금이 포함됩니다. 국립반도체기술센터(NSTC).
스타트업의 관점에서 볼 때, NSTC의 목적은 신기술을 테스트하고 시험할 수 있는 장소를 제공함으로써 Ideal이 수년 동안 갇혀 있었던 연구실 간 부진을 해소하는 것입니다. NSTC 계획을 제시하는 전략 문서에서 정부는 “설계 및 제조 자원에 대한 접근성을 확대”하고 “기술을 시장에 출시하는 데 드는 시간과 비용을 줄이는 것”을 의미한다고 밝혔습니다.
Ideal Semiconductor의 애플리케이션 엔지니어인 Orion Kress-Sanfilippo가 전원 공급 장치에서 SuperQ 장치의 성능을 테스트하고 있습니다. 제이미 손튼
NSTC가 어떻게 할 것인지에 대한 세부 사항 중 일부가 나타나기 시작했습니다. 센터는 냇캐스트(Natcast)라는 민관 파트너십을 통해 운영될 예정이며, 최근 시스코시스템즈 전 최고보안책임자(CSO)가 CEO로 선임됐다. 디어드레 핸포드. 그리고 7월에 정부는 다음과 같은 조직을 설립하기로 결정했습니다. 세 가지 주요 NSTC 시설— 시제품 제작 및 고급 포장 시험 공장, 관리 및 설계 현장, 주변에 건설된 센터 극자외선 리소그래피. (EUV 리소그래피는 최첨단 CMOS 개발을 위한 1억 달러 이상의 핵심 핀 기술입니다.) 행정부는 NSTC 설계 시설을 내년에 가동하고 EUV 센터는 2026년, 프로토타입 및 패키징 시설은 2028년에 가동할 계획입니다. .
Granahan은 “만약 우리가 NSTC 유형의 기능에 액세스할 수 있었다면 그 격차가 해소되었을 것이라고 생각합니다.”라고 말합니다.
미래를 제조하다
7년이 지난 오늘, Ideal은 첫 번째 SuperQ 장치의 상용 출시를 앞두고 있습니다. 스타트업은 또한 미네소타 주 블루밍턴에 본사를 둔 제조업체를 찾았습니다. 극성 반도체. 9월 말, Polar는 미국 생산량을 두 배로 늘리고 파운드리 공장으로 전환하려는 목표로 공장을 확장하고 현대화하는 데 도움이 되는 CHIPS 법으로부터 1억 2,300만 달러의 자금을 받은 최초의 회사가 되었습니다.
NSTC의 프로토타입 제작 시설은 Ideal에 비해 너무 늦을 수 있지만, 새로운 하드웨어 스타트업이 시작되기에는 적절한 시기일 수 있습니다. 그리고 예릭의 CHIPS 지사가 추진하는 R&D는 그 이후의 차세대 칩 스타트업이 더욱 빠르게 움직일 수 있도록 돕기 위한 것입니다.
그러나 마찬가지로 중요한 것은 CHIPS 법이 스타트업에도 도움이 될 수 있는 방식으로 국내 제조 환경을 확장하고 있다는 것입니다. 약 360억 달러가 일부 약속 단계에 있습니다. 제조 및 기술개발사업 27개 9월 말 현재 전국 각지에서 “팹이 할 수 있는 작업에 따라 설계가 제한된다면 혁신 역량도 어느 정도 제한됩니다.” Celesta Capital의 Brathwaite는 말합니다. “미국 기반 파운드리 서비스를 보유하고 있다면 미국 기반 스타트업에 대한 더 나은 지원을 받을 수 있기를 바랍니다.”
