Wiadomości branżowe: GPU zwiększają popyt na płytki krzemowe

Krzem jest drugim najpowszechniejszym materiałem na Ziemi, po tlenie, i siódmym najpowszechniejszym materiałem we wszechświecie. Krzem jest półprzewodnikiem, co oznacza, że ​​posiada właściwości elektryczne pomiędzy przewodnikami (takimi jak miedź) a izolatorami (takimi jak szkło). Niewielka ilość obcych atomów w strukturze krzemu może fundamentalnie zmienić jego zachowanie, dlatego czystość krzemu klasy półprzewodnikowej musi być niezwykle wysoka. Dopuszczalna minimalna czystość krzemu klasy elektronicznej wynosi 99,999999%.

Oznacza to, że na każde dziesięć miliardów atomów dozwolony jest tylko jeden atom niebędący atomem krzemu. Dobra woda pitna zawiera 40 milionów cząsteczek niebędących atomami wody, czyli 50 milionów razy mniej czystych niż krzem klasy półprzewodnikowej.

Producenci pustych płytek krzemowych muszą przekształcić krzem o wysokiej czystości w idealne struktury monokrystaliczne. Odbywa się to poprzez wprowadzenie pojedynczego kryształu macierzystego do roztopionego krzemu w odpowiedniej temperaturze. W miarę jak wokół kryształu macierzystego zaczynają rosnąć nowe kryształy potomne, z roztopionego krzemu powoli formuje się sztabka krzemu. Proces ten jest powolny i może trwać tydzień. Gotowa sztabka krzemu waży około 100 kilogramów i pozwala na wytworzenie ponad 3000 płytek.

Płytki są cięte na cienkie plasterki za pomocą bardzo cienkiego drutu diamentowego. Precyzja narzędzi tnących do krzemu jest bardzo wysoka, a operatorzy muszą być stale monitorowani, w przeciwnym razie zaczną używać ich do robienia dziwnych rzeczy z włosami. Krótkie wprowadzenie do produkcji płytek krzemowych jest zbyt uproszczone i nie w pełni docenia wkład geniuszy; ma jednak nadzieję, że zapewni ono podstawy do głębszego zrozumienia branży płytek krzemowych.

Relacja podaży i popytu na płytki krzemowe

Rynek płytek krzemowych jest zdominowany przez cztery firmy. Od dawna rynek ten znajduje się w delikatnej równowadze między podażą a popytem.
Spadek sprzedaży półprzewodników w 2023 roku doprowadził do nadpodaży na rynku, co spowodowało wysokie zapasy wewnętrzne i zewnętrzne producentów układów scalonych. Jest to jednak sytuacja przejściowa. Wraz z ożywieniem rynku, branża wkrótce powróci do granic możliwości produkcyjnych i będzie musiała sprostać dodatkowemu popytowi wywołanemu przez rewolucję w dziedzinie sztucznej inteligencji. Przejście z tradycyjnej architektury opartej na procesorach (CPU) na obliczenia przyspieszone (Accessed Computing) będzie miało wpływ na całą branżę, a także może wpłynąć na segmenty przemysłu półprzewodnikowego o niskiej wartości.

Architektury jednostek przetwarzania grafiki (GPU) wymagają większej powierzchni krzemu

Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na wydajność, producenci procesorów graficznych muszą pokonać pewne ograniczenia konstrukcyjne, aby osiągnąć wyższą wydajność układów GPU. Oczywiście, powiększenie układu jest jednym ze sposobów na osiągnięcie wyższej wydajności, ponieważ elektrony nie lubią pokonywać dużych odległości między różnymi układami, co ogranicza wydajność. Istnieje jednak praktyczne ograniczenie w powiększaniu układu, znane jako „limit siatkówki”.

Limit litograficzny odnosi się do maksymalnego rozmiaru chipa, który można naświetlić w jednym kroku w urządzeniu litograficznym używanym w produkcji półprzewodników. Ograniczenie to jest określone przez maksymalny rozmiar pola magnetycznego sprzętu litograficznego, zwłaszcza steppera lub skanera używanego w procesie litografii. W przypadku najnowszej technologii limit maski wynosi zazwyczaj około 858 milimetrów kwadratowych. To ograniczenie rozmiaru jest bardzo ważne, ponieważ określa maksymalny obszar, który można nanieść na płytkę w jednym naświetleniu. Jeśli płytka jest większa niż ten limit, do pełnego naniesienia wzoru na płytkę konieczne będą wielokrotne naświetlenia, co jest niepraktyczne w przypadku produkcji masowej ze względu na złożoność i problemy z wyrównaniem. Nowy GB200 pokona to ograniczenie, łącząc dwa podłoża chipowe o ograniczonym rozmiarze cząstek w krzemową warstwę pośrednią, tworząc podłoże o superograniczonym rozmiarze cząstek, które jest dwukrotnie większe. Inne ograniczenia wydajności to ilość pamięci i odległość od tej pamięci (tj. przepustowość pamięci). Nowe architektury GPU rozwiązują ten problem, wykorzystując stos pamięci o dużej przepustowości (HBM), która jest instalowana na tym samym interposerze krzemowym z dwoma układami GPU. Z punktu widzenia krzemu, problem z HBM polega na tym, że każdy bit powierzchni krzemu jest dwukrotnie większy niż w tradycyjnej pamięci DRAM ze względu na interfejs o wysokiej przepustowości i wysokiej równoległości. HBM integruje również układ sterowania logicznego w każdym stosie, zwiększając powierzchnię krzemu. Zgrubne obliczenia pokazują, że powierzchnia krzemu wykorzystywana w architekturze GPU 2.5D jest od 2,5 do 3 razy większa niż w tradycyjnej architekturze 2.0D. Jak wspomniano wcześniej, jeśli firmy odlewnicze nie będą przygotowane na tę zmianę, wydajność produkcji płytek krzemowych może ponownie stać się bardzo ograniczona.

Przyszła pojemność rynku płytek krzemowych

Pierwsze z trzech praw produkcji półprzewodników głosi, że należy inwestować jak najwięcej, gdy dostępnych jest jak najmniej pieniędzy. Wynika to z cyklicznej natury branży, a firmy produkujące półprzewodniki mają trudności z przestrzeganiem tej zasady. Jak pokazano na rysunku, większość producentów płytek krzemowych dostrzegła wpływ tej zmiany i w ciągu ostatnich kilku kwartałów prawie potroiła swoje całkowite kwartalne nakłady inwestycyjne. Pomimo trudnych warunków rynkowych, sytuacja ta nadal się utrzymuje. Co jeszcze ciekawsze, trend ten utrzymuje się od dawna. Firmy produkujące płytki krzemowe mają szczęście lub wiedzą coś, czego inni nie wiedzą. Łańcuch dostaw półprzewodników to wehikuł czasu, który potrafi przewidzieć przyszłość. Twoja przyszłość może być przeszłością kogoś innego. Chociaż nie zawsze otrzymujemy odpowiedzi, prawie zawsze otrzymujemy wartościowe pytania.