突破極限,在太空“打印”半導體，或將成為下一代芯片的終極答案

在半導體是現(xiàn)代生活的基礎，從電力電子和通信網(wǎng)絡到國防系統(tǒng)和高性能計算，無所不包。然而，在地球上制造半導體卻面臨著持續(xù)的物理限制。

那么有沒有想過在太空制造半導體材料呢？有什么技術難點？

現(xiàn)在是不光把算力搬上天，這是要把工廠也搬上天了。

/*任務

當一顆比微波爐還小的衛(wèi)星在地球上方數(shù)百公里處產(chǎn)生等離子體時，這標志著半導體制造業(yè)未來一個悄然卻意義重大的時刻。

通過在軌道上的微波大小的衛(wèi)星上產(chǎn)生和控制等離子體，朝著在太空制造更高質量的半導體材料邁出了關鍵一步，這可能對從計算機到電力電子等各個領域都帶來益處。

英國初創(chuàng)公司已成功在其位于近地軌道 (LEO)的 ForgeStar-1 航天器上制造和控制等離子體，成為第一家在自由飛行、自主衛(wèi)星上演示核心半導體制造工藝的商業(yè)公司。

這項成就使太空制造更接近現(xiàn)實，其目的不是為了在軌道上制造成品微芯片，而是為了改進最終為地球上的技術提供動力的材料。

這項演示的核心是等離子體，一種過熱的帶電氣體，在氣相晶體生長中起著至關重要的作用。這一階段是高性能半導體材料生產(chǎn)過程中最具挑戰(zhàn)性且對缺陷最為敏感的步驟之一。

此前，此類試驗大多局限于國際空間站上嚴格控制的研究設施。ForgeStar-1 實驗表明，類似的極端條件可以在專用商業(yè)平臺上創(chuàng)建、穩(wěn)定和監(jiān)測，而無需人為干預。

“這證明，在專用商業(yè)衛(wèi)星上可以實現(xiàn)先進晶體生長所需的必要環(huán)境，”“這開啟了一個全新的制造業(yè)前沿領域。”

/*為什么近地軌道對半導體制造至關重要

半導體是現(xiàn)代生活的基礎，從電力電子和通信網(wǎng)絡到國防系統(tǒng)和高性能計算，無所不包。然而，在地球上制造半導體卻面臨著持續(xù)的物理限制。
重力驅動熔融材料中的對流，導致晶體生長過程中流動不均勻。容器壁會引入雜質，即使是痕量污染物，特別是氮，也會降解氮化鎵或碳化硅等先進材料。
近地軌道可以同時消除許多此類限制。在微重力環(huán)境下，浮力驅動的對流和沉降作用基本消失，使得原子能夠排列成更加均勻的晶體結構。太空的天然真空遠比大多數(shù)地球上的制造環(huán)境更加純凈，同時熱條件也更加穩(wěn)定。

科學家指出，在這些條件下生長的晶體，一旦運回地球進行加工，就能表現(xiàn)出更低的缺陷率、更好的均勻性和更優(yōu)異的電學和光學性能。

但這并不意味著很快就能在軌道上制造出完整的微芯片。至少目前來看，重點仍然放在生產(chǎn)過程中最早期也是最關鍵的階段：培育超純晶體“種子”，之后可以利用現(xiàn)有的地面技術進行大規(guī)模擴增。

/*太空鍛造半導體材料

ForgeStar-1 于 2025 年中期推出，設計為緊湊型、獨立式制造測試平臺。

2025年12月，它啟動了機載爐，產(chǎn)生了溫度接近1000°C的等離子體。該實驗的目的并非生產(chǎn)可用材料，而是為了驗證該系統(tǒng)能否在微重力環(huán)境下創(chuàng)造并維持氣相晶體生長所需的極端穩(wěn)定條件。

據(jù)太空鍛造公司稱，此次測試證實，等離子體行為可以在軌道上實現(xiàn)自主控制。在任務剩余時間內，衛(wèi)星將進行系統(tǒng)的參數(shù)掃描，調整各種變量，以了解等離子體在失重狀態(tài)下的響應。

所得數(shù)據(jù)將直接用于未來旨在太空中生長實際半導體材料的任務的設計。

該任務也關注可持續(xù)性。由于 ForgeStar-1 會自然地從軌道上衰變，其軌跡正通過機載系統(tǒng)和英國科學與技術設施委員會的外部支持進行跟蹤。

該航天器設計為在大氣層中安全燒毀，旨在對負責任的報廢處置方式進行刻意測試，以應對日益嚴重的軌道擁堵問題。

/*用于太空制造的目標半導體材料

太空制造公司目標是寬帶隙和超寬帶隙材料，包括氮化鎵、碳化硅、氮化鋁和金剛石。

這些材料已應用于高壓電力電子、雷達系統(tǒng)、衛(wèi)星通信和電動汽車，但其性能和產(chǎn)量受到地球制造過程中引入的缺陷的限制。

研究人員認為，降低晶體生長過程中重力驅動的流體運動可以顯著提高晶體質量和產(chǎn)量。模型研究表明，隨著發(fā)射成本的降低和工藝的改進，軌道制造有望成為生產(chǎn)高價值、低質量產(chǎn)品（例如半導體晶圓）的經(jīng)濟可行方案。

目前，太空鍛造公司尚未宣稱達到商業(yè)化產(chǎn)量。其既定目標是生產(chǎn)地球上無法實現(xiàn)的超高品質材料，然后再將其帶回地球進行規(guī)模化生產(chǎn)。

/*未來混合模式

太空鍛造公司并沒有打算取代地面上的制造工廠，而是采用了一種混合模式。太空中生長的晶體種子將被送回地球，并在諸如集成半導體材料中心等設施中，利用傳統(tǒng)制造技術進行擴繁。

這種方法反映了行業(yè)研討會和學術研究的更廣泛共識，即微重力制造與現(xiàn)有供應鏈互補時才能帶來最大的效益。

其價值在于改進生產(chǎn)中最容易出現(xiàn)缺陷的階段，而不是在軌道上重建整個半導體生態(tài)系統(tǒng)。

半導體特別適合這種模型，因為它們是具有戰(zhàn)略意義的高價值元件，即使性能或耐用性方面有微小的改進，也能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和安全影響。

/*從實驗到現(xiàn)實

由于地緣政治緊張局勢、供應鏈脆弱性和激增的需求給地面半導體生產(chǎn)帶來壓力，人們對太空制造的興趣日益濃厚。

通過在自由飛行的商業(yè)衛(wèi)星上演示等離子體生成，將討論的焦點從實驗室理論轉移到了實際工程操作上。

ForgeStar-1 上短暫的等離子體閃光并不意味著軌道上的工業(yè)革命已經(jīng)到來。然而，它確實表明，太空不再僅僅是部署先進電子設備的場所。

這里似乎正在成為一個可以改進這些技術背后最關鍵材料的地方，然后再將這些材料送回地球，制成驅動現(xiàn)代世界的芯片。

你認為這是否能夠實現(xiàn)并改變現(xiàn)在世界芯片材料格局？