Cosa sono i caricabatterie GaN? La tecnologia che consente una ricarica rapida e leggera
Molti smartphone di fascia alta non includono più caricabatterie nella confezione. Ciò significa che devi utilizzare il tuo vecchio adattatore USB da parete o acquistare un mattoncino di ricarica separatamente.
Ma, con il numero crescente di dispositivi alimentati tramite USB, è saggio acquistare un adattatore USB a porta singola? E, se disponi di più dispositivi di ricarica rapida, come puoi ricaricare velocemente contemporaneamente su un singolo adattatore?
È qui che entra in gioco il caricabatterie GaN. Ma che cos’è? Ecco uno sguardo ai futuri mattoncini di ricarica, computer e oltre.
Come funzionano i caricabatterie veloci
I primi smartphone avevano batterie limitate a velocità di ricarica di cinque watt. I produttori lo hanno fatto per evitare il surriscaldamento di una batteria, che potrebbe ridurne la durata o addirittura causare guasti catastrofici.
Tuttavia, con l’emergere di nuove tecnologie, le batterie hanno iniziato a ottenere una maggiore capacità nella quantità di carica che contengono e nell’energia che può utilizzare per la ricarica. E, per garantire che non utilizzino troppa energia, il che si traduce in più calore, i produttori hanno implementato circuiti interni che controllano il flusso.
Questo sistema sa quanta tensione e amperaggio può accettare la sua batteria e, quindi, comunicherà con il mattone di ricarica. Il telefono può anche dire al caricatore il tipo di cavo USB che stai utilizzando, quanto è caricata la batteria e molti altri dettagli.
In sostanza, i moderni mattoncini di ricarica USB sono i computer stessi. Hanno piccole schede che elaborano le informazioni dal tuo dispositivo e regolano il loro output secondo necessità. Tuttavia, a causa di questo requisito, i caricabatterie sono diventati più grandi e pesanti.
Il segreto del nitruro di gallio
È qui che entra in gioco il nitruro di gallio. Come probabilmente saprai, i computer odierni sono realizzati con chip di silicio. Questo è successo perché il silicio è un elemento abbondante e relativamente facile da lavorare. È anche un eccellente semiconduttore grazie alle sue proprietà elettriche regolabili.
Tuttavia, si scopre che il nitruro di gallio o GaN è un’alternativa più nuova e migliore al silicio. Questo materiale è migliore nel condurre una tensione più elevata per tempi più lunghi rispetto al silicio. Le correnti elettriche viaggiano anche più velocemente attraverso di essa, consentendo un’elaborazione più rapida.
Questa migliore conduttività porta a una maggiore efficienza. Questo perché non ha bisogno di tanta energia per ottenere lo stesso output rispetto ai transistor al silicio. Ha inoltre permesso ai produttori di creare chip in una forma più densa e compatta poiché meno energia significava meno calore. I chip GaN hanno anche una maggiore capacità di tensione e sono più resistenti al calore, perfetti per le applicazioni di trasferimento di potenza.
Tutte queste proprietà rendono il GaN perfetto per le tecnologie di ricarica. Può emettere la stessa potenza dei chip di silicio senza richiedere tanto spazio, produrre meno calore nonostante abbia un wattaggio elevato ed è più efficiente dal punto di vista energetico. Ecco perché puoi acquistare piccoli power brick GaN in grado di caricare rapidamente più dispositivi mantenendo le stesse dimensioni del tuo caricatore di serie.
Oltre la ricarica
I chip GaN non si limitano alle tecnologie di ricarica. Infatti, negli anni ’90, il GaN è stato utilizzato principalmente nei LED. Questo materiale ha consentito lo sviluppo di LED bianchi e schermi LED luminosi e visibili alla luce del giorno.
I lettori Blu-ray lo usavano anche come laser blu basato su GaN. Questo laser aveva una lunghezza d’onda più corta di 405 nm, che gli permetteva di leggere le informazioni più da vicino e con maggiore precisione. Ecco perché i dischi Blu-ray possono contenere più informazioni rispetto ai DVD.
Anche le infrastrutture wireless e a radiofrequenza utilizzano chip basati su GaN per il loro funzionamento efficiente in ambienti ad alta tensione. Puoi trovarlo anche nelle auto elettriche, grazie alle loro proprietà resistenti al calore.
I chip GaN hanno anche trovato applicazioni militari. Dal 2010, sono stati installati in radar array a scansione elettronica attivi, consentendo all’esercito degli Stati Uniti di mettere in campo sistemi con una migliore mobilità e costi inferiori, pur richiedendo meno personale.
Perché non abbiamo computer al gallio (ancora)
Uno dei motivi principali per cui non abbiamo ancora computer basati sul gallio è il costo. Sebbene si preveda che la tecnologia del silicio raggiunga il limite teorico del suo sviluppo in pochi anni, la maggior parte dell’infrastruttura dei chip si basa su di essa, rendendo i chip di silicio ampiamente disponibili.
Questa pervasività lo rende economico e facile da produrre. Poiché è in uso da oltre 50 anni, è già una tecnologia standard. Per ora, la maggior parte dei produttori di chip si attiene al silicio perché è ciò che il mercato richiede.
Inoltre, il passaggio ai chip GaN richiede ingenti investimenti in nuovi progetti, processi e apparecchiature. Le aziende dovranno adattare i loro sistemi in modo da poter lavorare sia su silicio che su materiale GaN.
A parte il costo, i processi di produzione di GaN necessitano di ulteriori perfezionamenti. Nell’anno 2000, i cristalli di silicio fabbricati avevano solo un centinaio di difetti o meno per centimetro quadrato. D’altra parte, il GaN aveva circa dieci milioni di volte più impurità.
Da allora questo è migliorato a livelli più gestibili, ma non è ancora così efficiente da produrre rispetto al silicio. Tuttavia, poiché vengono fatti più ricerca e sviluppo sul nitruro di gallio, possiamo aspettarci che il suo output sia alla pari o addirittura migliore del silicio.
Il limite del silicio
Ciò che alla fine spingerà per l’adozione diffusa della tecnologia GaN è il limite del silicio. Dopotutto, la nostra tendenza tecnologica si basa su una migliore miniaturizzazione ed efficienza.
Ad esempio, i computer una volta erano macchine delle dimensioni di una stanza che utilizzavano colossali tubi a vuoto che richiedevano molta energia per funzionare. L’invenzione del semiconduttore al silicio ci ha poi permesso di racchiudere la stessa potenza in un chip delle dimensioni di un’unghia.
Ecco perché il tuo smartwatch oggi è più potente del computer di bordo dell’Apollo 11 che ha portato i primi umani sulla luna nel 1969.
Nel 1965, Gordon Moore, direttore di ricerca e sviluppo di Fairchild Semiconductor e futuro presidente di Intel Corporation, disse che i transistor sui chip integrati sarebbero raddoppiati ogni due anni.
Questa previsione si è sostanzialmente confermata. Nel 1971, i chip avevano meno di 5.000 transistor. Ma oggi anche i processori mobili hanno oltre 10 miliardi di transistor. Gli ultimi processori consumer sono dotati di un transistor a 5 nm e ci aspettiamo di vederlo ridursi a 2 nm nel 2024.
Tuttavia, sebbene i produttori trovino ancora un modo per miniaturizzare il silicio, presto raggiungeremo i suoi limiti fisici. L’atomo di silicio è grande circa 0,2 nm, rendendo i transistor attuali larghi circa 25 atomi.
Il processo a 2 nm significa che avremo solo una decina di atomi di silicio per transistor. Se andiamo al di sotto, il transistor diventa instabile e difficile da controllare.
Il futuro è GaN
Per questi motivi, molti vedono il GaN come il futuro sostituto del silicio. Le sue proprietà lo rendono circa mille volte più efficiente del silicio. Quindi, se hai un GaN a 10 nm, puoi aspettarti che sia molto più potente di un chip a base di silicio di dimensioni equivalenti.
Poiché il silicio raggiungerà lentamente ma inesorabilmente la sua dimensione massima di miniaturizzazione, la tecnologia GaN alla fine conquisterà il mondo dell’informatica. Quindi, dai un’occhiata al tuo caricabatterie GaN veloce, perché, molto probabilmente, è quello che sarà il futuro: compatto, efficiente e potente.
