Лауреат премии «Технологии тысячелетия» 2024 года рассуждает о транзисторах, инновациях

Лауреат Премии тысячелетия в области технологий 2024 года профессор Джаянт Балига рассуждает о центрах обработки данных, устойчивом развитии и будущем энергоэффективных технологий.

Профессору Бантвалу Джаянту Балиге присуждена Премия тысячелетия в области технологий 2024 года за новаторскую полупроводниковую технологию, которая позволила значительно сократить глобальное потребление энергии и выбросы углерода.

Премия «Технологии тысячелетия» , учрежденная в 2004 году, вручается каждые два года президентом Финляндии разработчикам новаторских технологических инноваций, которые «способствуют благополучию людей и планеты».

Профессор Балига, профессор электротехники в Университете штата Северная Каролина, получил в этом году премию в размере 1 миллиона евро за биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) — силовой полупроводниковый прибор, который он изобрел 25 лет назад и который обеспечивает высокую эффективность и низкое энергопотребление электродвигателей.

IGBT — это силовой переключатель на основе полупроводниковой микросхемы, который можно использовать в таких повседневных устройствах, как бытовая техника, автомобили, солнечные панели, люминесцентное освещение, медицинское оборудование, холодильники и кондиционеры, для управления потреблением энергии с целью достижения оптимальной эффективности.

«Инновации профессора Балиги позволили нам эффективно развивать общество с использованием электроэнергии и при этом значительно сократить потребление энергии», — отметила Пяйви Тёрмя, председатель Международного отборочного комитета Премии тысячелетия в области технологий.

«Силовая электроника — это ключевая технология, обеспечивающая развитие любого современного общества, в котором автоматизация процессов и энергетических систем играет все возрастающую роль. За последние 40 лет и по сей день IGBT является важнейшим силовым полупроводниковым прибором».

Проблемы власти в цифровую эпоху

Вопросы, связанные с энергетикой и электроснабжением, являются критической проблемой для глобальной индустрии центров обработки данных и цифровой инфраструктуры. Тем не менее, хотя ожидается, что спрос на большее количество энергии будет только расти, профессор Балига сказал, что он «оптимистично» смотрит на будущее энергоэффективности в технологическом секторе.

В преддверии объявления Премии тысячелетия в области технологий этого года побеседовал с профессором Балигой о транзисторах, устойчивом развитии и будущем технологий.

Можете ли вы вкратце рассказать о своём пути в области силовой электроники? Что привело вас к разработке биполярного транзистора с изолированным затвором?

Профессор Бантвал Джаянт Балига : В своей докторской диссертации я был пионером в выращивании материала из индия и арсенида галлия-индия для электронных приложений. Это был захватывающий прорыв, который теперь широко коммерциализируется.

Однако в то время это было ново, и я не смог получить работу, чтобы продолжить работу над этой технологией. General Electric (GE) предложила мне должность для работы над силовыми полупроводниковыми приборами. Это уже считалось зрелой технологией после 25 лет продукции.

IGBT был изобретен мной в ответ на срочную потребность GE в создании регулируемых приводов скорости для двигателей тепловых насосов, используемых для кондиционирования воздуха. Существующие транзисторы были громоздкими в использовании и имели низкую прочность. Мне пришлось убедить руководство GE в достоинствах моей идеи, хотя я ещё не построил устройство.

Я внес радикальное предложение — впервые изготовить IGBT на производственной линии, чтобы сократить время от изобретения до выпуска продукта менее чем до одного года по сравнению с обычным сроком в пять лет.

Не могли бы вы вкратце рассказать, как функционирует IGBT и где он обычно применяется в реальных сценариях? Как центры обработки данных используют IGBT?

Профессор Балига : IGBT — это электронный переключатель, который преобразовал подачу энергии из аналогового в цифровой формат. Он функционирует, впервые сочетая физику МОП с биполярной физикой в ​​полупроводниках. Он имеет применение во всех секторах экономики.

В секторе потребительских товаров она управляет двигателями в холодильниках и кондиционерах; горелками на плитах с плоским верхом; двигателями в стиральных и посудомоечных машинах; управляет такими мелкими бытовыми приборами, как тостеры, миксеры, кухонные комбайны и паровые утюги. В промышленном секторе она управляет роботами на фабриках; управляет двигателями для обработки жидкостей; и управляет двигателями на текстильных и сталелитейных заводах.

В транспорте IGBT позволил коммерциализировать гибридные и электрические автомобили. В медицинском секторе он обеспечивает питание рентгеновских, МРТ и КТ-сканеров и позволяет использовать портативные дефибрилляторы. IGBT имеет много других применений.

Центры обработки данных предъявляют все более высокие требования к электроэнергии . IGBT может помочь, передавая мощность от солнечной и ветровой генерации в центры обработки данных. Солнечные элементы вырабатывают электричество постоянного тока, в то время как энергия ветра вырабатывает переменный ток переменной частоты. IGBT требуются для преобразования этого в стабильную переменную мощность 60 Гц для использования в центрах обработки данных. Затем центры обработки данных используют моё изобретение MOSFET с разделенным затвором для подачи и распределения электроэнергии внутри них.

Более крупные центры обработки данных также потребуют большего объёма хранения энергии для обеспечения бесперебойного питания. Это можно сделать с помощью гидроэлектростанций. IGBT требуется для приводов двигателей с регулируемой скоростью, используемых в этой системе.

Каким образом IGBT решает растущую глобальную обеспокоенность по поводу ограничений мощности, особенно с учетом растущего спроса на энергию как в потребительских, так и в промышленных целях?

Профессор Балига : IGBT — это технология, которая позволяет повысить эффективность использования электроэнергии. Она повысила эффективность привода двигателя на 40% за счёт использования приводов двигателя с регулируемой скоростью и повысила эффективность освещения на 70% за счёт использования люминесцентных ламп.

Это сэкономило 133 000 ТВт·ч электроэнергии в период с 1990 по 2020 год. Сегодня только 50% электроприводов используют регулируемые приводы. Увеличение этого показателя до 100% обеспечит дополнительные преимущества для потребителей и отрасли.

IGBT необходим для развёртывания всех видов возобновляемой энергетики. Солнечные элементы производят электричество постоянного тока. Ветровая энергия производит переменный ток переменной частоты. IGBT необходимы для преобразования его в стабильную переменную энергию частотой 60 Гц для использования в домах и на заводах. IGBT играет важную роль в замене генерации электроэнергии на основе ископаемого топлива на возобновляемую энергетику.

Вы также разработали такие инновации, как Baliga Short-circuit Improvement Concept и Bi-Directional Field-Effect Transistor. Как эти технологии строятся на основе IGBT, и какой потенциал они имеют для дальнейшего снижения потребления энергии в таких местах, как центры обработки данных?

Профессор Балига : Мои новые инновации необходимы для создания следующего квантового скачка в технологии силовых полупроводниковых приборов. Я предложил заменить кремний широкозонными полупроводниками в 1979 году, выведя показатель качества Балиги (BFOM). Он прогнозировал 1000-кратное улучшение производительности силовых приборов за счёт использования карбида кремния и нитрида галлия.

После 30 лет усилий по улучшению качества полупроводников, устройства из карбида кремния и нитрида галлия стали коммерчески доступными. В будущем они заменят кремниевые IGBT в электромобилях.

Моё изобретение Bi-Directional Field Effect Transistor (BiDFET) позволяет создавать матричные преобразователи, которые имеют значительно более высокую эффективность, лучшую надежность и меньшие размеры, чем существующие инверторы источника напряжения. Эксперты по силовой электронике считают, что это важный шаг вперед в области подачи электроэнергии. Их можно использовать для подачи солнечной энергии в дома, на заводы и в центры обработки данных.

Каковы, по вашему мнению, наиболее острые проблемы в полупроводниковой промышленности сегодня?

Профессор Балига : Самая насущная проблема для полупроводниковой промышленности — это постоянное снижение затрат на создание чипов. Ожидается, что центры обработки данных будут требовать больше электроэнергии из-за бума ИИ. IGBT может помочь, передавая мощность от солнечной и ветровой генерации в центры обработки данных.

Более крупные центры обработки данных также потребуют большего объёма хранения энергии для обеспечения бесперебойного питания. Это можно сделать с помощью гидроэлектростанций. IGBT требуется для приводов двигателей с регулируемой скоростью, используемых в этой системе.

Как человек, посвятивший свою карьеру устойчивому развитию и энергоэффективности, какой совет вы могли бы дать технологическим компаниям, стремящимся снизить своё воздействие на окружающую среду?

Профессор Балига : Я бы посоветовал компаниям учитывать воздействие на окружающую среду при производстве своей продукции . Воспользуйтесь преимуществами электроприводов с регулируемой скоростью, даже если первоначальные инвестиции больше, благодаря долгосрочной экономии затрат на электроэнергию при одновременном снижении выбросов углекислого газа.

Сектор цифровой инфраструктуры может двигаться в сторону большей устойчивости за счёт использования возобновляемых источников энергии.

Каково, по-вашему, будущее устойчивости в технологиях? Есть ли какие-то новые тенденции или технологии, которые, по вашему мнению, изменят правила игры в следующем десятилетии?

Профессор Балига : Я с оптимизмом смотрю на замену ископаемого топлива широким распространением возобновляемых источников энергии и электромобилей в будущем.

Стоимость возобновляемой энергии теперь сопоставима с ископаемым топливом и, возможно, даже упала ниже этого важного порога. Это переломный момент, который может поощрить крупные инвестиции в будущем.

Бессменный главный редактор, в незапамятные времена работал в издании РБК