Bransjenyheter: GPU øker etterspørselen etter silisiumskiver

Silisium er det nest vanligste materialet på jorden, etter oksygen, og det syvende vanligste materialet i universet. Silisium er en halvleder, som betyr at den har elektriske egenskaper mellom ledere (som kobber) og isolatorer (som glass). En liten mengde fremmede atomer i silisiumstrukturen kan fundamentalt endre dens oppførsel, så renheten til halvledersilisium må være forbløffende høy. Den akseptable minimumsrenheten for elektronisk silisium er 99,999999 %.

Dette betyr at bare ett ikke-silisiumatom er tillatt for hver ti milliarder atomer. Godt drikkevann tillater 40 millioner ikke-vannmolekyler, som er 50 millioner ganger mindre rent enn silisium av halvlederkvalitet.

Produsenter av blanke silisiumskiver må omdanne høyrens silisium til perfekte enkeltkrystallstrukturer. Dette gjøres ved å introdusere en enkelt morkrystall i smeltet silisium ved passende temperatur. Etter hvert som nye datterkrystaller begynner å vokse rundt morkrystallen, dannes silisiumbarren sakte fra det smeltede silisiumet. Prosessen er langsom og kan ta en uke. Den ferdige silisiumbarren veier omtrent 100 kilo og kan lage over 3000 wafere.

Skivene kuttes i tynne skiver med svært fin diamanttråd. Presisjonen til silisiumskjæreverktøyene er svært høy, og operatørene må overvåkes kontinuerlig, ellers vil de begynne å bruke verktøyene til å gjøre dumme ting med håret sitt. Den korte introduksjonen til produksjonen av silisiumskiver er for forenklet og gir ikke fullt ut anerkjennelse for genienes bidrag; men det er håpet at den vil gi en bakgrunn for en dypere forståelse av silisiumskiverbransjen.

Tilbuds- og etterspørselsforholdet for silisiumskiver

Silisiumskivermarkedet domineres av fire selskaper. Markedet har lenge vært i en delikat balanse mellom tilbud og etterspørsel.
Nedgangen i halvledersalget i 2023 har ført til at markedet er i en tilstand av overforsyning, noe som fører til høye interne og eksterne varelager hos brikkeprodusenter. Dette er imidlertid bare en midlertidig situasjon. Etter hvert som markedet tar seg opp igjen, vil industrien snart gå tilbake til kapasitetsgrensen og må møte den økte etterspørselen som AI-revolusjonen har ført med seg. Overgangen fra tradisjonell CPU-basert arkitektur til akselerert databehandling vil ha en innvirkning på hele industrien, da dette kan ha en innvirkning på lavverdisegmentene i halvlederindustrien.

Grafikkprosessor-arkitekturer (GPU) krever mer silisiumareal

Etter hvert som kravet til ytelse øker, må GPU-produsenter overvinne noen designbegrensninger for å oppnå høyere ytelse fra GPU-er. Å gjøre brikken større er åpenbart én måte å oppnå høyere ytelse på, ettersom elektroner ikke liker å reise lange avstander mellom forskjellige brikker, noe som begrenser ytelsen. Det er imidlertid en praktisk begrensning ved å gjøre brikken større, kjent som "retina-grensen".

Litografigrensen refererer til den maksimale størrelsen på en brikke som kan eksponeres i et enkelt trinn i en litografimaskin som brukes i halvlederproduksjon. Denne begrensningen bestemmes av den maksimale magnetfeltstørrelsen til litografiutstyret, spesielt stepperen eller skanneren som brukes i litografiprosessen. For den nyeste teknologien er maskegrensen vanligvis rundt 858 kvadratmillimeter. Denne størrelsesbegrensningen er svært viktig fordi den bestemmer det maksimale arealet som kan mønstres på waferen i en enkelt eksponering. Hvis waferen er større enn denne grensen, vil det være nødvendig med flere eksponeringer for å mønstre waferen fullstendig, noe som er upraktisk for masseproduksjon på grunn av kompleksitet og justeringsutfordringer. Den nye GB200 vil overvinne denne begrensningen ved å kombinere to brikkesubstrater med partikkelstørrelsesbegrensninger til et silisiummellomlag, og danne et superpartikkelbegrenset substrat som er dobbelt så stort. Andre ytelsesbegrensninger er mengden minne og avstanden til det minnet (dvs. minnebåndbredde). Nye GPU-arkitekturer overvinner dette problemet ved å bruke stablet høybåndbreddeminne (HBM) som er installert på samme silisiummellomlegger med to GPU-brikker. Fra et silisiumperspektiv er problemet med HBM at hver bit av silisiumarealet er dobbelt så stort som tradisjonell DRAM på grunn av det parallelle grensesnittet som kreves for høy båndbredde. HBM integrerer også en logisk kontrollbrikke i hver stabel, noe som øker silisiumarealet. En grov beregning viser at silisiumarealet som brukes i 2.5D GPU-arkitektur er 2,5 til 3 ganger så stort som den tradisjonelle 2.0D-arkitekturen. Som nevnt tidligere, med mindre støperiselskaper er forberedt på denne endringen, kan kapasiteten til silisiumskiver bli svært stram igjen.

Fremtidig kapasitet i markedet for silisiumskiver

Den første av de tre lovene for halvlederproduksjon er at mest penger må investeres når minst penger er tilgjengelig. Dette skyldes bransjens sykliske natur, og halvlederselskaper har vanskelig for å følge denne regelen. Som vist i figuren har de fleste silisiumskiveprodusenter erkjent virkningen av denne endringen og har nesten tredoblet sine totale kvartalsvise kapitalutgifter de siste kvartalene. Til tross for de vanskelige markedsforholdene er dette fortsatt tilfelle. Det som er enda mer interessant er at denne trenden har pågått lenge. Silisiumskiveselskaper er heldige eller vet noe som andre ikke vet. Halvlederforsyningskjeden er en tidsmaskin som kan forutsi fremtiden. Din fremtid kan være andres fortid. Selv om vi ikke alltid får svar, får vi nesten alltid verdifulle spørsmål.