Novinky z oboru: GPU zvyšuje poptávku po křemíkových waferech

Křemík je druhým nejrozšířenějším materiálem na Zemi, hned po kyslíku, a sedmým nejrozšířenějším materiálem ve vesmíru. Křemík je polovodič, což znamená, že má elektrické vlastnosti mezi vodiči (jako je měď) a izolanty (jako je sklo). Malé množství cizích atomů ve struktuře křemíku může zásadně změnit jeho chování, takže čistota polovodičového křemíku musí být ohromně vysoká. Přijatelná minimální čistota pro křemík elektronické kvality je 99,999999 %.

To znamená, že na každých deset miliard atomů je povolen pouze jeden atom jiného než křemíku. Kvalitní pitná voda obsahuje 40 milionů molekul jiných než vody, což je 50 milionůkrát méně čisté než polovodičový křemík.

Výrobci prázdných křemíkových destiček musí přeměnit vysoce čistý křemík na dokonalé monokrystalické struktury. Toho se dosahuje zavedením jediného mateřského krystalu do roztaveného křemíku při vhodné teplotě. Jak kolem mateřského krystalu začínají růst nové dceřiné krystaly, z roztaveného křemíku se pomalu tvoří křemíkový ingot. Proces je pomalý a může trvat týden. Hotový křemíkový ingot váží asi 100 kilogramů a lze z něj vyrobit přes 3 000 destiček.

Destičky se krájejí na tenké plátky pomocí velmi jemného diamantového drátu. Přesnost křemíkových řezných nástrojů je velmi vysoká a obsluha musí být neustále sledována, jinak začnou s těmito nástroji dělat hlouposti s vlasy. Stručný úvod do výroby křemíkových destiček je příliš zjednodušený a plně nezohledňuje přínosy těchto géniů; doufá se však, že poskytne základ pro hlubší pochopení obchodu s křemíkovými destičkami.

Vztah nabídky a poptávky po křemíkových destičkách

Trh s křemíkovými destičkami ovládají čtyři společnosti. Trh se dlouhodobě nachází v křehké rovnováze mezi nabídkou a poptávkou.
Pokles prodeje polovodičů v roce 2023 vedl k nadměrné nabídce na trhu, což způsobilo vysoké interní i externí zásoby výrobců čipů. Jedná se však pouze o dočasnou situaci. S oživením trhu se odvětví brzy vrátí na hranici kapacity a bude muset uspokojit dodatečnou poptávku způsobenou revolucí umělé inteligence. Přechod od tradiční architektury založené na CPU k akcelerovaným výpočtům bude mít dopad na celé odvětví, stejně jako... To však může mít dopad na nízkohodnotové segmenty polovodičového průmyslu.

Architektury grafických procesorů (GPU) vyžadují více křemíkové plochy

S rostoucí poptávkou po výkonu musí výrobci grafických procesorů (GPU) překonat některá konstrukční omezení, aby dosáhli vyššího výkonu. Zvětšení čipu je samozřejmě jedním ze způsobů, jak dosáhnout vyššího výkonu, protože elektrony nerady cestují na dlouhé vzdálenosti mezi různými čipy, což omezuje výkon. Existuje však praktické omezení zvětšení čipu, známé jako „limit sítnice“.

Limit litografie se vztahuje k maximální velikosti čipu, který lze exponovat v jednom kroku v litografickém stroji používaném při výrobě polovodičů. Toto omezení je určeno maximální velikostí magnetického pole litografického zařízení, zejména krokového motoru nebo skeneru používaného v litografickém procesu. U nejnovějších technologií je limit masky obvykle kolem 858 milimetrů čtverečních. Toto omezení velikosti je velmi důležité, protože určuje maximální plochu, kterou lze na destičce vzorovat v jedné expozici. Pokud je destička větší než tento limit, bude pro úplné vzorování destičky zapotřebí více expozic, což je pro hromadnou výrobu nepraktické kvůli složitosti a problémům s zarovnáním. Nový GB200 toto omezení překoná kombinací dvou substrátů čipů s omezením velikosti částic do křemíkové mezivrstvy, čímž vytvoří substrát s omezením superčástic, který je dvakrát tak velký. Dalšími omezeními výkonu jsou množství paměti a vzdálenost k této paměti (tj. šířka pásma paměti). Nové architektury GPU tento problém překonávají použitím vrstvené paměti s vysokou šířkou pásma (HBM), která je instalována na stejném křemíkovém mezilehlém modulu se dvěma čipy GPU. Z pohledu křemíku je problém s HBM v tom, že každý bit křemíku má dvojnásobnou plochu oproti tradiční DRAM kvůli vysoce paralelnímu rozhraní potřebnému pro vysokou šířku pásma. HBM také integruje do každého zásobníku logický řídicí čip, čímž se zvětšuje plocha křemíku. Hrubý výpočet ukazuje, že plocha křemíku použitá v architektuře 2,5D GPU je 2,5 až 3krát větší než u tradiční architektury 2.0D. Jak již bylo zmíněno, pokud nebudou slévárny na tuto změnu připraveny, kapacita křemíkových destiček se může opět stát velmi omezenou.

Budoucí kapacita trhu s křemíkovými destičkami

Prvním ze tří zákonů výroby polovodičů je, že nejvíce peněz je třeba investovat, když je k dispozici nejméně peněz. To je dáno cyklickou povahou odvětví a polovodičové společnosti se s tímto pravidlem jen těžko řídí. Jak je znázorněno na obrázku, většina výrobců křemíkových destiček si uvědomila dopad této změny a v posledních několika čtvrtletích téměř ztrojnásobila své celkové čtvrtletní kapitálové výdaje. Navzdory obtížným tržním podmínkám tomu tak stále je. Ještě zajímavější je, že tento trend probíhá již dlouhou dobu. Společnosti vyrábějící křemíkové destičky mají štěstí nebo vědí něco, co ostatní ne. Dodavatelský řetězec polovodičů je stroj času, který dokáže předpovídat budoucnost. Vaše budoucnost může být minulostí někoho jiného. I když ne vždy dostaneme odpovědi, téměř vždy dostaneme smysluplné otázky.