Dybt inde i forsyningskæden forvandler nogle tryllekunstnere sand til perfekte diamantstrukturerede siliciumkrystalskiver, som er essentielle for hele halvlederforsyningskæden. De er en del af halvlederforsyningskæden, der øger værdien af "siliciumsand" med næsten tusind gange. Den svage glød, man ser på stranden, er silicium. Silicium er en kompleks krystal med sprødhed og et faststoflignende metal (metalliske og ikke-metalliske egenskaber). Silicium er overalt.
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 det har elektriske egenskaber mellem ledere (såsom kobber) og isolatorer (såsom glas). En lille mængde fremmede atomer i siliciumstrukturen kan fundamentalt ændre dets opførsel, så renheden af halvledersilicium skal være forbløffende høj. Den acceptable minimumsrenhed for elektronisk silicium er 99,999999%.
Det betyder, at kun ét ikke-siliciumatom er tilladt for hver ti milliarder atomer. Godt drikkevand tillader 40 millioner ikke-vandmolekyler, hvilket er 50 millioner gange mindre rent end silicium af halvlederkvalitet.
Producenter af blanke siliciumwafere skal omdanne silicium med høj renhed til perfekte enkeltkrystalstrukturer. Dette gøres ved at introducere en enkelt moderkrystal i smeltet silicium ved den passende temperatur. Efterhånden som nye datterkrystaller begynder at vokse omkring moderkrystallen, dannes siliciumbarren langsomt fra den smeltede silicium. Processen er langsom og kan tage en uge. Den færdige siliciumbarre vejer omkring 100 kg og kan lave over 3.000 wafere.
Waferne skæres i tynde skiver med meget fin diamanttråd. Siliciumskæreværktøjernes præcision er meget høj, og operatørerne skal overvåges konstant, ellers vil de begynde at bruge værktøjerne til at gøre fjollede ting ved deres hår. Den korte introduktion til produktionen af siliciumwafere er for forenklet og anerkender ikke fuldt ud geniernes bidrag; men det er håbet, at det vil give en baggrund for en dybere forståelse af siliciumwaferbranchen.
Udbuds- og efterspørgselsforholdet for siliciumskiver
Markedet for siliciumwafere er domineret af fire virksomheder. Markedet har i lang tid været i en delikat balance mellem udbud og efterspørgsel.
Faldet i halvledersalget i 2023 har ført til, at markedet er i en tilstand af overudbud, hvilket har forårsaget høje interne og eksterne lagre hos chipproducenter. Dette er dog kun en midlertidig situation. Efterhånden som markedet kommer sig, vil branchen 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 databehandling vil have en indvirkning på hele branchen, da dette dog kan have en indvirkning på lavværdisegmenterne af halvlederindustrien.
GPU-arkitekturer (Graphics Processing Unit) kræver mere siliciumareal
Efterhånden som kravet til ydeevne stiger, skal GPU-producenter overvinde nogle designbegrænsninger for at opnå højere ydeevne fra GPU'er. At gøre chippen større er naturligvis én 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 ved 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 anvendes i halvlederfremstilling. Denne begrænsning bestemmes af den maksimale magnetfeltstørrelse for 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 areal, 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 justeringsudfordringer. Den nye GB200 vil overvinde denne begrænsning ved at kombinere to chipsubstrater med partikelstørrelsesbegrænsninger i et siliciummellemlag, der danner et superpartikelbegrænset substrat, der er dobbelt så stort. Andre ydeevnebegrænsninger er mængden af hukommelse og afstanden til den hukommelse (dvs. hukommelsesbåndbredde). Nye GPU-arkitekturer overvinder dette problem ved at bruge stablet højbåndbreddehukommelse (HBM), der er installeret på den samme siliciummellemlag med to GPU-chips. Fra et siliciumperspektiv er problemet med HBM, at hver bit af siliciumarealet er dobbelt så stort som traditionel DRAM på grund af den højparallelle grænseflade, der kræves for høj båndbredde. HBM integrerer også en logisk kontrolchip i hver stak, hvilket øger siliciumarealet. En grov beregning viser, at det siliciumareal, der bruges i 2.5D GPU-arkitektur, er 2,5 til 3 gange så stort som den traditionelle 2.0D-arkitektur. Som tidligere nævnt kan siliciumwaferkapaciteten blive meget stram igen, medmindre støberivirksomheder er forberedte på denne ændring.
Fremtidig kapacitet på markedet for siliciumwafere
Den første af de tre love inden for halvlederproduktion er, at der skal investeres flest penge, når der er mindst penge til rådighed. Dette skyldes branchens cykliske natur, og halvledervirksomheder har svært ved at følge denne regel. Som vist i figuren har de fleste producenter af siliciumwafere erkendt virkningen af denne ændring og har næsten tredoblet deres samlede kvartalsvise kapitaludgifter i de seneste kvartaler. På trods af de vanskelige markedsforhold er dette stadig tilfældet. Hvad der er endnu mere interessant er, at denne tendens har stået på i lang tid. Siliciumwafervirksomheder er heldige eller ved noget, som andre ikke gør. 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.
Opslagstidspunkt: 17. juni 2024