PUOLIJOHDEBAROMETRI 2/2024 – Seuraavan sukupolven puolijohteet
Kilpajuoksu seuraavan sukupolven puolijohteista on kiihtymässä. Puolijohdeteknologioiden kehityssyklin pituus ja puolijohteiden tuotannon pääomaintensiivisyys on huomioitava paremmin pitkäaikaisessa tutkimusrahoituksessa, toteavat Jari Laine, Satu Lipponen ja Timo Seppälä vuoden toisessa puolijohdebarometrissään.
Kuvalähde: MS Bing Image Creator
Kirjoittajat: Jari Laine, Satu Lipponen & Timo Seppälä
Seuraavan sukupolven puolijohteet – Näkyvätkö seuraavan sukupolven puolijohteet jo tutkimuksessa?
Puolijohdeteollisuus käynnistyi transistoreiden valmistuksella 1950-luvulla Yhdysvalloissa. Yksittäisten transistorien valmistuksesta ala on laajentunut hyvin monimutkaisiin mikropiireihin, joiden sovelluksia ovat mm. muistipiirit ja mikroprosessorit. Erityisesti muistipiireille on ennustettu vahvaa markkinoiden kasvua vuodelle 2024. Puolijohteet voidaan myös luokitella analogisiin, digitaalisiin tai niiden sekoitukseen (engl. mixed). Tässä kartoituksessa puhumme yleisesti puolijohteista.
Kartoitimme puolijohteisiin liittyvän tieteellisen tutkimuksen nykytilaa Suomessa. Lähteenä tarkastelussamme oli Scopus, joka on erittäin kattava ja luotettava tieteellinen lyhennelmä- ja viittaustietokanta (https://www.elsevier.com/products/scopus). Haimme tietokannasta hakusanalla puolijohde (engl. semiconductor) kaikki aikavälillä 1964–2024 tieteellisissä foorumeissa julkaissut artikkelit (akateeminen artikkeli, konferenssipaperi, kirja, kirjan kappale, editoraali), joissa vähintään yksi kirjoittajista työskenteli/työskentelee suomalaisessa yliopistossa. Valittu aikaväli edustaa ajanjaksoa, jolloin Suomessa on ylipäätään ollut akateemista, julkaistua puolijohdetutkimusta.
Kaikkiaan artikkeleita, joissa hakusana mainittiin kirjoituksen nimessä, abstraktissa tai avainsanoissa, oli tietokannassa 1 018 308 (+ 7 228) kappaletta. Suomen julkaisumäärä oli edelliseen puolijohdebarometriin 1/2024 kasvanut 27 julkaisulla 5 052 kappaleeseen.
Seuraavaksi rajasimme hakuamme kattamaan vuodet 2007–2024. Päädyimme tähän ajanjaksoon aikaisemman tekoälyyn liittyvien tutkimusten: 1) Diffusion of Artificial Intelligence Technologies through S&P500 Companies ja 2) AI Diffusion Monitoring among S&P500 Companies: Empirical Results and Methodological Advancements havaintojen pohjalta. Ensimmäisen kerran puolijohteita ja puolijohteiden tuotantolaitteita valmistavat yritykset mainitsevat sanan tekoäly vuonna 2007*). Uskoimme vahvasti, että tekoäly alkaisi näkymään myös Suomen tutkimuksissa, mutta uskomuksemme osoittautui analyysin edetessä vääräksi. Jatkoimme kuitenkin samalla “tekoälyajan” rajauksella.
Lähes 70 % Suomen 2007 - 2024 kauden akateemisista puolijohdetutkimuksesta tulee kolmesta yliopistosta
Ajanjaksolla 2007 – 2024 Suomalaiset yliopistot julkaisivat 3 385 puolijohteisiin liittyvää julkaisua. Kärkikolmikko oli Aalto yliopisto, Tampereen yliopisto ja Oulun yliopisto. Kärkikolmikkoa seuraa tasaisena rintamana VTT, Helsingin yliopisto, LUT yliopisto ja Turun yliopisto. Ensimmäinen yritys, joka löytyy listalta, on tampereen yliopiston spinn-off Modulight Inc, 44 julkaisulla. Huomionarvoista on, että suomalaiset yliopistot tekevät yhteistyötä lähinnä Saksan, Sveitsin ja Iso-Britannian yliopistojen kanssa ja niiden tyypilliset tutkimusryhmittymät (kolmen kärki) ovat seuraavat:
Aalto-yliopisto: VTT Research, HZDR- Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Helsingin yliopisto
Tampereen yliopisto: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Aalto-yliopisto ja Turun yliopisto
Oulun yliopisto: University of York, VTT Research ja Aalto-yliopisto
Kuvio 1: Kymmenen merkittävintä suomalaista tutkimusorganisaatiota, joissa tutkijat ovat julkaisseet puolijohteisiin liittyviä akateemisia julkaisuja. Huom! Yksi akateeminen julkaisu voi sisältää kirjoittajia useammasta suomalaisesta yliopistosta. (Lähde: Scopus 27.2.2024; kirjoittajien laskelmat)
| Yliopisto | Puolijohdejulkaisut (kpl / 3 385) | Puolijohdejulkaisujen osuus kokonaismäärästä (%) |
| 1. Aalto-yliopisto | 1 189 | 35 % |
| 2. Tampereen yliopisto | 851 | 25 % |
| 3. Oulun yliopisto | 302 | 9 % |
| 4. VTT Research | 256 | 8 % |
| 5. Helsingin yliopisto | 249 | 8 % |
| 6. LUT yliopisto | 209 | 6 % |
| 7. Turun yliopisto | 194 | 6 % |
| 8. Jyväskylän yliopisto | 148 | 4 % |
| 9. Åbo Akademi | 124 | 4 % |
| 10. Itä-Suomen yliopisto | 97 | 3 % |
| … | ||
| 23. Modulight Inc. | 44 | 1 % |
Mitä puolijohdeteknologoita Aalto-yliopisto, Tampereen yliopisto ja Oulun yliopisto ovat tutkineet?
Kolmen yliopiston kärki on keskenään verkostoitunutta Suomessa ja se näkyy myös tutkimusten keskeisissä avainsanoissa. Eroavaisuuksia alkaa syntymään, kun siirrymme kolmen tutkituimman aihealueen ulkopuolelle. Tampereen yliopistoon liittyen voimme todeta, että puolijohteiden lasereihin liittyvä systemaattinen tutkimuspanostus on johtanut mm. pörssilistatun Modulight Oyj yrityksen perustamiseen vuonna 2000. Yritys listautui First North-pörssiin vuonna 2021.
Aalto-yliopiston kolme tutkituinta aihetta ovat: puolijohdedouppaus, puolijohteiden nanokristallit, Quantum well -tekniikka
Tampereen yliopiston kolme tutkituinta aihetta ovat: puolijohdelaserit, Quantum well -tekniikka, puolijohteiden nanokristallit
Oulun yliopiston kolme tutkituinta aihetta ovat: puolijohdelaserit, layered-puolijohteet, puolijohteiden nanokristallit
Kuvio 2: Akateemisten kirjoitusten hakusanat (Lähde: Scopus 27.2.2024; kirjoittajien laskelmat)
|
Aalto-yliopisto 1189 julkaisua |
Tampereen yliopisto 851 julkaisua |
Oulun yliopisto 302 julkaisua |
| puolijohteiden seostus (engl. semiconductor doping) |
puolijohdelaserit (engl. semiconductor lasers) |
puolijohdelaserit (engl. semiconductor lasers) |
| puolijohdekvanttipisteet (engl. semiconductor quantum dots) |
kvanttikalvotekniikka (engl.semiconductor quantum wells) |
puolijohdeyhdisteet (engl, layered semiconductors) |
| kvanttikalvotekniikka (engl. semiconductor quantum wells) |
puolijohdekvanttipisteet (engl. Semiconductor quantum dots) |
puolijohdekvanttipisteet (engl. semiconductor quantum dots) |
| puolijohdeyhdisteet (engl, layered semiconductors) |
Galliumarsenidi, GaAs (engl. gallium arsenide) |
pulssilaserit (engl. pulsed lasers) |
| Sinkkioksidi, ZnO (engl. Zinc oxide) |
puolijohdelaserdiodi/-laite (engl. semiconductor laser disc) |
Sinkkioksidi, ZnO (engl. Zinc oxide) |
| molybdeeniyhdisteet (engl. molybdenum compounds) |
laserin pumppaus (engl. pumping (laser) |
puolijohteiden seostus (engl. semiconductor doping) |
| galliumnitridi, GaN (engl. gallium nitrade) |
Quantum well laserit (engl. Quantum Wells lasers) |
molybdeeniyhdisteet (engl. molybdenum compounds) |
| nanorakenteet (engl. nanowires) |
MBE, molekyyliohjattu epitaksia (engl. molecular beam epitaxy ) |
DFT, tiheysfunktionaaliteoria (engl. dencity functional theory) |
| galliumarsenidi, GaAs (engl. gallium arsenide) |
pintasäteilevät laserit (engl. surface emitting lasers ) |
epäsymmetriset aaltoputket (engl. asymmetric waveguides) |
| ALD, atomikerroskasvatus (engl. atomic layer deposition) |
galliumseokset (engl. gallium alloys ) |
metallit (engl. metals) |
Puolijohdeteknologioiden kehityssyklin pituus ja puolijohteiden tuotannon pääomaintensiivisyys huomioitava paremmin pitkäaikaisessa tutkimusrahoituksessa
Puolijohdeteollisuuden pitkät teknologiasyklit ja pääomaintensiivisyys on syytä huomioida pitkäaikaisessa tutkimusrahoituksessa. Puolijohdeinnovaatiot vaativat usein 10-30 vuotta aikaa kaupallistuakseen ja tämä horisontti on valitettavasti liian pitkä yksityisen pääomasijoittajien kokonaan rahoittamaksi. Tällöin satsaukset on tehtävä varsin pitkään julkisesti rahoitettuun perustutkimukseen kautta. Jo tuotantovaiheen alkuinvestoinnit ovat usein niin suuria, tyypillisesti kymmeniä tai jopa satoja miljoonia euroja, että julkisten toimijoiden mukaantulo on käytännössä välttämätön yksityisen pääoman houkuttelemiseksi.
Seuraava Puolijohdebarometri 3/2024 ilmestyy elokuussa 2024, siinä käsittelemme puolijohdeteollisuuden onnistuneita ja epäonnistuneita kaupallistamistarinoita Suomessa.
*) Puolijohde- ja puolijohteiden tuotantolaitteita valmistavat yritykset S&P500 -listauksesta: Advanced Micro Devices, Analog Devices, Applied Materials, Broadcom, Enphase, First Solar, Intel, KLA Corporation, Lam Research, Microchip Technology, Micron Technology, Monolithic Power Systems, NVIDIA, NXP Semiconductors, On Semiconductor, Qorvo, Qualcomm, Skyworks Solutions, Teradyne ja Texas Instruments.
Lähteet:
Mucha, Tomasz, Seppälä, Timo & Niemi, Rasmus, (2019), Diffusion of Artificial Intelligence Technologies through S&P500 Companies, https://www.etla.fi/julkaisut/diffusion-of-artificial-intelligence-technologies-through-sp500-companies/ (Haettu 27.2.2024)
Mucha, Tomasz & Seppälä, Timo, (2022), AI Diffusion Monitoring among S&P500 Companies: Empirical Results and Methodological Advancements" (2022). DIGIT 2022 Proceedings. 13. https://aisel.aisnet.org/digit2022/13 (Haettu 27.2.2024
Lisää puolijohteet-aiheesta, katso:
Holmström, Harald & Seppälä, Timo (2020)., “Supranationalism, Sino-American Technology Separation, and Semiconductors: First Observations”, ETLA Working Papers No 82., https://www.etla.fi/julkaisut/supranationalism-sino-american-technology-separation-and-semiconductors-first-observations/
Holmström Harald, Kenney Martin & Seppälä, Timo (2021)., Global Supply Chains, Value Added and Production Intensity: Case Semiconductors”, ETLA Report No. 113., https://www.etla.fi/wp-content/uploads/ETLA-Raportit-Reports-113.pdf
Laine, Jari, Lipponen, Satu, Seppälä, Timo (2024)., PUOLIJOHDEBAROMETRI 1/2024 - Seuraavan sukupolvenpuolijohteet. https://ourblogs.aalto.fi/tuta-blog/puolijohdebarometri-12024-seuraavan-sukupolven-puolijohteet
Show other posts from this blog
Rethinking AI: Stepping Back from the Generative Hype
The rapid growth of generative AI makes it hard for companies to keep up and in-source knowledge, but there are better ways to learn.
Suomen innovaatiorahoitus osa 3 – Tuotekehityksen jalostusarvo ja sen maantiede
Myös yritysten T&K-toiminnan tuotoksia ja tuottavuutta tulee mitata, toteavat Aino Salmi ja Timo Seppälä tuoreessa kolumnissaan.
Haluatko pelastaa maailman ja tulla miljonääriksi? Katse omaan napapaitaan!
Jari A.T. Laine ja Timo Seppälä tarkastelevat kestävän kehityksen ympärillä tapahtuvan uuden teollisen kierron haasteita.