Djupt inne i leveranskedjan förvandlar vissa magiker sand till perfekta diamantstrukturerade kiselkristallskivor, vilka är avgörande för hela halvledarleveranskedjan. De är en del av halvledarleveranskedjan som ökar värdet på "kiselsand" med nästan tusen gånger. Det svaga skenet man ser på stranden är kisel. Kisel är en komplex kristall med sprödhet och fast metall (metalliska och icke-metalliska egenskaper). Kisel finns överallt.
Kisel är det näst vanligaste materialet på jorden, efter syre, och det sjunde vanligaste materialet i universum. Kisel är en halvledare, vilket betyder att den har elektriska egenskaper mellan ledare (som koppar) och isolatorer (som glas). En liten mängd främmande atomer i kiselstrukturen kan fundamentalt förändra dess beteende, så renheten hos halvledarkisel måste vara förvånansvärt hög. Den acceptabla minimirenheten för kisel av elektronikkvalitet är 99,999999 %.
Det betyder att endast en icke-kiselatom är tillåten per tio miljarder atomer. Bra dricksvatten tillåter 40 miljoner icke-vattenmolekyler, vilket är 50 miljoner gånger mindre rent än kisel av halvledarkvalitet.
Tillverkare av tomma kiselskivor måste omvandla högrent kisel till perfekta enkristallstrukturer. Detta görs genom att en enda moderkristall introduceras i smält kisel vid lämplig temperatur. När nya dotterkristaller börjar växa runt moderkristallen bildas kiselgötet långsamt från det smälta kislet. Processen är långsam och kan ta en vecka. Det färdiga kiselgötet väger cirka 100 kilogram och kan tillverka över 3 000 skivor.
Skivorna skärs i tunna skivor med mycket fin diamanttråd. Precisionen hos kiselskärverktygen är mycket hög, och operatörerna måste ständigt övervakas, annars börjar de använda verktygen för att göra dumma saker med sitt hår. Den korta introduktionen till produktionen av kiselskivor är alltför förenklad och ger inte helt erkännande åt geniernas bidrag; men förhoppningen är att den ska ge en bakgrund till en djupare förståelse av kiselskivorbranschen.
Utbuds- och efterfrågeförhållandet för kiselskivor
Marknaden för kiselskivor domineras av fyra företag. Marknaden har länge befunnit sig i en känslig balans mellan utbud och efterfrågan.
Minskningen av halvledarförsäljningen under 2023 har lett till ett överutbud på marknaden, vilket har orsakat höga interna och externa lager hos chiptillverkarna. Detta är dock bara en tillfällig situation. I takt med att marknaden återhämtar sig kommer branschen snart att återgå till kapacitetsgränsen och måste möta den ytterligare efterfrågan som AI-revolutionen medför. Övergången från traditionell CPU-baserad arkitektur till accelererad databehandling kommer att påverka hela branschen, vilket dock kan påverka lågvärdessegmenten inom halvledarindustrin.
Grafikprocessorarkitekturer (GPU) kräver mer kiselyta
I takt med att prestandakraven ökar måste GPU-tillverkare övervinna vissa designbegränsningar för att uppnå högre prestanda från GPU:er. Att göra chipet större är uppenbarligen ett sätt att uppnå högre prestanda, eftersom elektroner inte gillar att färdas långa sträckor mellan olika chip, vilket begränsar prestandan. Det finns dock en praktisk begränsning med att göra chipet större, känd som "retina-gränsen".
Litografigränsen avser den maximala storleken på ett chip som kan exponeras i ett enda steg i en litografimaskin som används vid halvledartillverkning. Denna begränsning bestäms av den maximala magnetfältstorleken hos litografiutrustningen, särskilt stegmaskinen eller skannern som används i litografiprocessen. För den senaste tekniken är maskgränsen vanligtvis runt 858 kvadratmillimeter. Denna storleksbegränsning är mycket viktig eftersom den bestämmer den maximala yta som kan mönstras på wafern i en enda exponering. Om wafern är större än denna gräns kommer flera exponeringar att behövas för att helt mönstra wafern, vilket är opraktiskt för massproduktion på grund av komplexitet och utmaningar med justering. Den nya GB200 kommer att övervinna denna begränsning genom att kombinera två chipsubstrat med partikelstorleksbegränsningar till ett kiselmellanlager, vilket bildar ett superpartikelbegränsat substrat som är dubbelt så stort. Andra prestandabegränsningar är mängden minne och avståndet till det minnet (dvs. minnesbandbredd). Nya GPU-arkitekturer övervinner detta problem genom att använda staplat högbandbreddsminne (HBM) som är installerat på samma kiselmellanlager med två GPU-chip. Ur ett kiselperspektiv är problemet med HBM att varje bit av kiselytan är dubbelt så stor som traditionellt DRAM på grund av det högparallella gränssnittet som krävs för hög bandbredd. HBM integrerar också ett logikstyrningschip i varje stack, vilket ökar kiselytan. En grov beräkning visar att kiselytan som används i 2.5D GPU-arkitektur är 2,5 till 3 gånger så stor som den traditionella 2.0D-arkitekturen. Som tidigare nämnts, om inte gjuteriföretag är förberedda på denna förändring, kan kapaciteten för kiselskivor bli mycket begränsad igen.
Framtida kapacitet på marknaden för kiselskivor
Den första av de tre lagarna för halvledartillverkning är att mest pengar behöver investeras när minst pengar finns tillgängliga. Detta beror på branschens cykliska natur, och halvledarföretag har svårt att följa denna regel. Som visas i figuren har de flesta tillverkare av kiselskivor insett effekterna av denna förändring och har nästan tredubblat sina totala kvartalsvisa kapitalutgifter under de senaste kvartalen. Trots de svåra marknadsförhållandena är detta fortfarande fallet. Vad som är ännu mer intressant är att denna trend har pågått länge. Kiselskivorföretag har tur eller vet något som andra inte gör. Halvledarleveranskedjan är en tidsmaskin som kan förutsäga framtiden. Din framtid kan vara någon annans förflutna. Även om vi inte alltid får svar får vi nästan alltid värdefulla frågor.
Publiceringstid: 17 juni 2024