Novinky z průmyslu: GPU zvyšuje poptávku po křemíkových waferech

Křemík je po kyslíku druhým nejběžnějším materiálem na Zemi a sedmým nejběžnějším 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 překvapivě vysoká.Přijatelná minimální čistota pro křemík elektronické kvality je 99,999999 %.

To znamená, že na každých deset miliard atomů je povolen pouze jeden nekřemíkový atom.Dobrá pitná voda umožňuje 40 milionů nevodných molekul, což je 50 milionkrát méně čisté než polovodičový křemík.

Výrobci prázdných křemíkových plátků musí přeměnit vysoce čistý křemík na dokonalé monokrystalické struktury.To se provádí zavedením jediného matečného krystalu do roztaveného křemíku při vhodné teplotě.Když kolem mateřského krystalu začnou 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 3000 plátků.

Oplatky se řežou na tenké plátky pomocí velmi jemného diamantového drátu.Přesnost křemíkových řezných nástrojů je velmi vysoká a operátoři musí být neustále sledováni, jinak začnou nástroje používat k tomu, aby se svými vlasy dělali hlouposti.Krátký úvod do výroby křemíkových plátků je příliš zjednodušený a plně nepřiznává zásluhy géniů;ale doufáme, že poskytne zázemí pro hlubší pochopení obchodu s křemíkovými destičkami.

Vztah nabídky a poptávky křemíkových plátků

Trhu křemíkových plátků dominují čtyři společnosti.Trh byl dlouhou dobu v křehké rovnováze mezi nabídkou a poptávkou.
Pokles prodeje polovodičů v roce 2023 vedl k tomu, že se trh dostal do stavu převisu nabídky, což způsobilo vysoké interní i externí zásoby výrobců čipů.Jde však pouze o dočasný stav.Jak se trh zotavuje, průmysl se brzy vrátí na hranici kapacity a musí uspokojit dodatečnou poptávku, kterou přinesla revoluce umělé inteligence.Přechod od tradiční architektury založené na CPU na zrychlené výpočty bude mít dopad na celé odvětví, protože to může mít dopad na segmenty polovodičového průmyslu s nízkou hodnotou.

Architektury grafických procesorů (GPU) vyžadují větší plochu křemíku

S rostoucí poptávkou po výkonu musí výrobci GPU překonat některá konstrukční omezení, aby dosáhli vyššího výkonu z GPU.Je zřejmé, že zvětšení čipu je jedním ze způsobů, jak dosáhnout vyššího výkonu, protože elektrony nerady cestují na dlouhé vzdálenosti mezi různými čipy, což omezuje výkon.Pro větší velikost čipu však existuje praktické omezení, známé jako „limit sítnice“.

Litografický limit se vztahuje k maximální velikosti čipu, který může být exponován v jediném kroku v litografickém stroji používaném při výrobě polovodičů.Toto omezení je určeno maximální velikostí magnetického pole litografického zařízení, zejména krokového nebo skeneru používaného v procesu litografie.U nejnovější technologie je limit masky obvykle kolem 858 milimetrů čtverečních.Toto omezení velikosti je velmi důležité, protože určuje maximální plochu, která může být vzorována na destičce při jediné expozici.Pokud je plátek větší než tento limit, bude k úplnému vzorování plátku zapotřebí vícenásobná expozice, což je pro hromadnou výrobu nepraktické kvůli složitosti a problémům se zarovnáním.Nový GB200 toto omezení překoná spojením dvou čipových substrátů s omezením velikosti částic do křemíkové mezivrstvy, čímž vznikne substrát s omezeným množstvím superčástic, který je dvakrát tak velký.Další omezení výkonu jsou množství paměti a vzdálenost k této paměti (tj. šířka pásma paměti).Nové architektury GPU tento problém překonávají pomocí stohované paměti s vysokou šířkou pásma (HBM), která je instalována na stejném křemíkovém interposeru se dvěma čipy GPU.Z hlediska křemíku je problémem HBM to, že každý bit křemíkové oblasti je dvakrát větší než u tradiční DRAM kvůli vysoce paralelnímu rozhraní požadovanému pro velkou šířku pásma.HBM také integruje logický řídicí čip do každého zásobníku, čímž zvětšuje plochu 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 dříve, pokud nejsou slévárenské společnosti na tuto změnu připraveny, kapacita křemíkových plátků může být opět velmi omezená.

Budoucí kapacita trhu křemíkových plátků

První ze tří zákonů výroby polovodičů je, že nejvíce peněz je třeba investovat, když je k dispozici nejméně peněz.To je způsobeno cyklickou povahou tohoto odvětví a polovodičové společnosti mají potíže s dodržováním tohoto pravidla.Jak je znázorněno na obrázku, většina výrobců křemíkových plátků si uvědomila dopad této změny a v posledních několika čtvrtletích téměř ztrojnásobila své celkové čtvrtletní kapitálové výdaje.Navzdory obtížným podmínkám na trhu tomu tak stále je.O to zajímavější je, že tento trend trvá již delší 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 dostáváme odpovědi, téměř vždy dostáváme užitečné otázky.