Глибоко в ланцюжку поставок деякі чарівники перетворюють пісок на ідеальні диски кристалів кремнію з алмазною структурою, які є важливими для всього ланцюга поставок напівпровідників. Вони є частиною ланцюга поставок напівпровідників, що збільшує цінність «кремнієвого піску» майже в тисячу разів. Слабке світіння, яке ви бачите на пляжі, — це кремній. Кремній — це складний кристал з крихкістю та твердим металом (металеві та неметалеві властивості). Кремній є всюди.
Кремній є другим за поширеністю матеріалом на Землі після кисню та сьомим за поширеністю матеріалом у Всесвіті. Кремній є напівпровідником, тобто він має електричні властивості, що знаходяться між провідниками (такими як мідь) та ізоляторами (такими як скло). Невелика кількість сторонніх атомів у структурі кремнію може докорінно змінити його поведінку, тому чистота кремнію напівпровідникового класу має бути вражаюче високою. Прийнятна мінімальна чистота для кремнію електронного класу становить 99,999999%.
Це означає, що на кожні десять мільярдів атомів допускається лише один атом, відмінний від кремнію. Хороша питна вода містить 40 мільйонів молекул, відмінних від води, що в 50 мільйонів разів менш чисто, ніж напівпровідниковий кремній.
Виробники чистих кремнієвих пластин повинні перетворювати високочистий кремній на ідеальні монокристалічні структури. Це робиться шляхом введення одного материнського кристала в розплавлений кремній за відповідної температури. Коли навколо материнського кристала починають рости нові дочірні кристали, з розплавленого кремнію повільно формується кремнієвий злиток. Процес повільний і може тривати тиждень. Готовий кремнієвий злиток важить близько 100 кілограмів і з нього можна виготовити понад 3000 пластин.
Пластини нарізаються тонкими скибочками за допомогою дуже тонкого алмазного дроту. Точність кремнієвих ріжучих інструментів дуже висока, і операторів необхідно постійно контролювати, інакше вони почнуть використовувати інструменти для дурниць зі своїм волоссям. Короткий вступ до виробництва кремнієвих пластин є надто спрощеним і не повністю відображає внесок геніїв; але є надія, що він забезпечить основу для глибшого розуміння бізнесу з кремнієвими пластинами.
Співвідношення попиту та пропозиції кремнієвих пластин
Ринок кремнієвих пластин домінують чотири компанії. Протягом тривалого часу ринок перебував у делікатному балансі між попитом і пропозицією.
Зниження продажів напівпровідників у 2023 році призвело до надлишку пропозиції на ринку, що спричинило високі внутрішні та зовнішні запаси виробників мікросхем. Однак це лише тимчасова ситуація. Зі відновленням ринку галузь незабаром повернеться до межі потужностей і буде змушена задовольнити додатковий попит, спричинений революцією штучного інтелекту. Перехід від традиційної архітектури на основі процесора до прискорених обчислень вплине на всю галузь, оскільки це може вплинути на низькоцінні сегменти напівпровідникової промисловості.
Архітектури графічних процесорів (GPU) потребують більшої площі кремнію
Зі зростанням попиту на продуктивність, виробники графічних процесорів повинні подолати деякі конструктивні обмеження, щоб досягти вищої продуктивності від графічних процесорів. Очевидно, що збільшення розміру чіпа є одним із способів досягнення вищої продуктивності, оскільки електрони не люблять долати великі відстані між різними чіпами, що обмежує продуктивність. Однак існує практичне обмеження для збільшення розміру чіпа, відоме як «ліміт сітківки».
Ліміт літографії стосується максимального розміру чіпа, який можна експонувати за один крок у літографічній машині, що використовується у виробництві напівпровідників. Це обмеження визначається максимальним розміром магнітного поля літографічного обладнання, особливо крокового сканера або сканера, що використовуються в процесі літографії. Для новітніх технологій ліміт маски зазвичай становить близько 858 квадратних міліметрів. Це обмеження розміру дуже важливе, оскільки воно визначає максимальну площу, на яку можна нанести малюнок на пластину за один раз. Якщо пластина більша за цю межу, для повного нанесення малюнка на пластину знадобиться кілька експозицій, що непрактично для масового виробництва через складність та проблеми з вирівнюванням. Новий GB200 подолає це обмеження, об'єднавши дві підкладки чіпа з обмеженнями розміру частинок у кремнієвий проміжний шар, утворюючи підкладку з обмеженим розміром частинок, яка вдвічі більша. Іншими обмеженнями продуктивності є обсяг пам'яті та відстань до цієї пам'яті (тобто пропускна здатність пам'яті). Нові архітектури графічних процесорів долають цю проблему, використовуючи багатошарову пам'ять з високою пропускною здатністю (HBM), яка встановлена на одному кремнієвому проміжному елементі з двома чіпами графічного процесора. З точки зору кремнію, проблема HBM полягає в тому, що кожен біт кремнію вдвічі більший за площу традиційної DRAM через високопаралельний інтерфейс, необхідний для високої пропускної здатності. HBM також інтегрує логічну мікросхему керування в кожен стек, збільшуючи площу кремнію. Приблизний розрахунок показує, що площа кремнію, що використовується в архітектурі 2.5D GPU, у 2,5-3 рази більша, ніж у традиційній архітектурі 2.0D. Як згадувалося раніше, якщо ливарні компанії не будуть готові до цієї зміни, потужності кремнієвих пластин можуть знову стати дуже обмеженими.
Майбутня ємність ринку кремнієвих пластин
Перший із трьох законів виробництва напівпровідників полягає в тому, що найбільше грошей потрібно інвестувати, коли їх найменше. Це пов'язано з циклічним характером галузі, і компаніям-виробникам напівпровідників важко дотримуватися цього правила. Як показано на рисунку, більшість виробників кремнієвих пластин усвідомили вплив цієї зміни та майже потроїли свої загальні квартальні капітальні витрати за останні кілька кварталів. Незважаючи на складні ринкові умови, це все ще так. Ще цікавіше те, що ця тенденція триває вже давно. Компаніям-виробникам кремнієвих пластин пощастило або вони знають щось, чого не знають інші. Ланцюг поставок напівпровідників – це машина часу, яка може передбачати майбутнє. Ваше майбутнє може бути чиїмось минулим. Хоча ми не завжди отримуємо відповіді, ми майже завжди отримуємо важливі запитання.
Час публікації: 17 червня 2024 р.