Industrinyheder: GPU øger efterspørgslen efter siliciumwafers

Silicium er det næstmest almindelige materiale på Jorden, efter ilt, og det syvende mest almindelige materiale i universet.Silicium er en halvleder, hvilket betyder, at den har elektriske egenskaber mellem ledere (såsom kobber) og isolatorer (såsom glas).En lille mængde fremmede atomer i siliciumstrukturen kan fundamentalt ændre dens adfærd, så renheden af ​​halvledersilicium må være forbløffende høj.Den acceptable minimumsrenhed for silicium af elektronisk kvalitet er 99,999999%.

Det betyder, at kun ét ikke-siliciumatom er tilladt for hver ti milliarder atomer.Godt drikkevand giver mulighed for 40 millioner ikke-vandmolekyler, hvilket er 50 millioner gange mindre rent end silicium af halvlederkvalitet.

Blanke siliciumwaferproducenter skal konvertere højrent silicium til perfekte enkeltkrystalstrukturer.Dette gøres ved at indføre en enkelt moderkrystal i smeltet silicium ved den passende temperatur.Efterhånden som nye datterkrystaller begynder at vokse omkring moderkrystallen, dannes siliciumbarren langsomt fra det smeltede silicium.Processen er langsom og kan tage en uge.Den færdige siliciumbarre vejer omkring 100 kg og kan lave over 3.000 wafers.

Vaflerne skæres i tynde skiver med meget fin diamanttråd.Præcisionen af ​​siliciumskæreværktøjerne er meget høj, og operatørerne skal konstant overvåges, ellers vil de begynde at bruge værktøjerne til at gøre dumme ting ved deres hår.Den korte introduktion til produktionen af ​​siliciumwafers er for forenklet og anerkender ikke geniernes bidrag fuldt ud;men det er håbet at give en baggrund for en dybere forståelse af siliciumwafer-branchen.

Forholdet mellem udbud og efterspørgsel af siliciumwafers

Siliciumwafermarkedet er domineret af fire virksomheder.Markedet har i lang tid været i en hårfin balance mellem udbud og efterspørgsel.
Faldet i halvledersalget i 2023 har ført til, at markedet er i en tilstand af overudbud, hvilket får chipproducenternes interne og eksterne lagre til at være høje.Dette er dog kun en midlertidig situation.Efterhånden som markedet kommer sig, vil industrien snart vende tilbage til kanten af ​​kapaciteten og skal imødekomme den yderligere efterspørgsel, som AI-revolutionen har medført.Overgangen fra traditionel CPU-baseret arkitektur til accelereret computing vil have indflydelse på hele industrien, da dette dog kan have indflydelse på lavværdisegmenterne i halvlederindustrien.

Graphics Processing Unit (GPU)-arkitekturer kræver mere siliciumareal

Efterhånden som efterspørgslen efter ydeevne stiger, skal GPU-producenter overvinde nogle designbegrænsninger for at opnå højere ydeevne fra GPU'er.At gøre chippen større er naturligvis en måde at opnå højere ydeevne på, da elektroner ikke kan lide at rejse lange afstande mellem forskellige chips, hvilket begrænser ydeevnen.Der er dog en praktisk begrænsning for at gøre chippen større, kendt som "nethindegrænsen".

Litografigrænsen refererer til den maksimale størrelse af en chip, der kan eksponeres i et enkelt trin i en litografimaskine, der bruges til halvlederfremstilling.Denne begrænsning er bestemt af den maksimale magnetiske feltstørrelse af litografiudstyret, især stepperen eller scanneren, der anvendes i litografiprocessen.For den nyeste teknologi er maskegrænsen normalt omkring 858 kvadratmillimeter.Denne størrelsesbegrænsning er meget vigtig, fordi den bestemmer det maksimale område, der kan mønstres på waferen i en enkelt eksponering.Hvis waferen er større end denne grænse, vil der være behov for flere eksponeringer for fuldt ud at mønstre waferen, hvilket er upraktisk til masseproduktion på grund af kompleksitet og tilpasningsudfordringer.Den nye GB200 vil overvinde denne begrænsning ved at kombinere to chipsubstrater med partikelstørrelsesbegrænsninger til et siliciummellemlag, hvilket danner et super-partikel-begrænset substrat, der er dobbelt så stort.Andre ydeevnebegrænsninger er mængden af ​​hukommelse og afstanden til denne hukommelse (dvs. hukommelsesbåndbredde).Nye GPU-arkitekturer overvinder dette problem ved at bruge stacked high-bandwidth memory (HBM), der er installeret på den samme silicium-interposer med to GPU-chips.Fra et siliciumperspektiv er problemet med HBM, at hver bit siliciumareal er dobbelt så stor som traditionel DRAM på grund af den høj-parallelle grænseflade, der kræves til høj båndbredde.HBM integrerer også en logisk kontrolchip i hver stak, hvilket øger siliciumområdet.En grov beregning viser, at det siliciumareal, der bruges i 2.5D GPU-arkitektur, er 2.5 til 3 gange større end den traditionelle 2.0D-arkitektur.Som tidligere nævnt, medmindre støberivirksomheder er forberedt på denne ændring, kan siliciumwaferkapaciteten igen blive meget stram.

Fremtidig kapacitet på siliciumwafermarkedet

Den første af de tre love for fremstilling af halvledere er, at der skal investeres flest penge, når det mindste beløb er til rådighed.Det skyldes branchens cykliske karakter, og denne regel har halvledervirksomheder svært ved at følge.Som vist i figuren har de fleste siliciumwafer-producenter erkendt virkningen af ​​denne ændring og har næsten tredoblet deres samlede kvartalsvise anlægsudgifter i de sidste par kvartaler.På trods af de vanskelige markedsforhold er det stadig tilfældet.Hvad der er endnu mere interessant er, at denne trend har stået på i lang tid.Siliciumwafervirksomheder er heldige eller ved noget, som andre ikke ved.Halvlederforsyningskæden er en tidsmaskine, der kan forudsige fremtiden.Din fremtid kan være en andens fortid.Selvom vi ikke altid får svar, får vi næsten altid værdifulde spørgsmål.