太空制造半导体技术概述 - 英国初创公司Space Forge于2023年12月在其ForgeStar-1卫星上启动了轨道熔炉，产生超高温等离子体流，这是首次在自由飞行的商业卫星和非载人有效载荷上实现轨道半导体晶体制造 [2] - 公司成立于2018年，致力于利用太空环境制造材料，以助力下一代电子产品、光网络及药物研发 [2] - 其飞行熔炉专门用于制造晶种，这些晶种将在地球上用于生产镓、氮化铝或碳化硅衬底，以制造高性能功率器件 [2] 太空制造的历史与性能优势 - 1973年至2016年间，约有160个半导体晶体在各种航天器的微重力环境下生长 [2] - 一项2024年发表在《自然》杂志的荟萃分析发现，其中86%的太空生长晶体比在地球上生长的同类晶体尺寸更大、更均匀，性能也更优异 [2] - 太空生长的晶体已展现出显著更高的电子迁移率，与地球生长的晶体相比，开关效率可能提高20-40% [3] 太空制造的技术原理 - 太空极高的真空度可去除杂质，例如，在500公里以上的太空中，氮的自然浓度约为10的-22次方，远低于地球上真空室内的10的-11次方 [4][5] - 微重力环境能阻止对流发生，创造均匀的晶体形成条件，从而获得持续均匀的沉积区域 [5] - 半导体晶格结构的质量和纯度直接影响其热性能，太空制造可生产运行温度更低、所需冷却更少或输出功率更高的半导体 [5] 潜在应用与市场价值 - 采用太空生长晶体制造的电子元件，在5G基站等大型基础设施中，节能潜力巨大，或许可以节省高达50%的能源 [3] - 半导体结构缺陷减少带来的内阻降低和发热量减少，对冷却成本高昂的人工智能数据中心可能具有颠覆性意义 [5] - 更完美的晶体可以让更小的芯片在不发生故障的情况下承受更高的电压，适用于电力电子领域 [5] - 一些分析师估计，到2034年，在轨制造市场规模可能达到281.9亿美元 [9] 成本挑战与竞争格局 - 目前，SpaceX的猎鹰9号火箭将有效载荷送入近地轨道，每公斤成本约为1500美元 [6] - 有观点认为，如果太空生长的基质能将价值1万美元的高端人工智能处理器的产量从50%提高到90%，或让量子计算机在接近室温下运行，发射成本只占所创造总价值的一小部分 [6] - 反对观点指出，硅衬底价格已大幅下跌，在电力等大宗市场，晶圆价格已从每片2万美元降至几百美元，地面制造技术也在不断进步 [6][7] - 使用多个传统器件或许能够以更低的总体成本获得比太空生长器件性能更优的产品 [7] 行业发展与公司动态 - 除Space Forge外，其他公司也押注于太空晶体的潜力 [8] - 科罗拉多州的Voyager Technologies公司获得了在轨道上生长新型光纤材料晶体的专利，声称可显著提高数据传输速度 [8] - 伦敦的ACME Space公司计划测试其气球发射的轨道工厂Hyperion，着眼于半导体、制药和光纤市场 [8] - 加利福尼亚州的Varda Industries公司去年筹集了3.29亿美元资金，用于在太空生产药品，并已进行多次轨道飞行以测试其返回技术 [8][9] 技术验证与未来计划 - Space Forge的ForgeStar-1卫星将在今年晚些时候的脱轨机动中部署新型隔热罩，但该航天器设计目的仅在于对轨道熔炉进行全面测试 [7] - 该卫星最终会在返回地球过程中损毁，公司计划通过预计明年发射的后续任务，将第一批太空培育的晶体带回地球，带回材料量最多几公斤 [7] - 有学者提出谨慎观点，认为微重力环境并不适合大宗材料生产，但对于特定应用领域的利基材料，投资或许值得 [9]