No fondo da cadea de subministración, algúns magos converten a area en discos de cristal de silicio con estrutura de diamante perfectos, que son esenciais para toda a cadea de subministración de semicondutores. Forman parte da cadea de subministración de semicondutores que aumenta o valor da "area de silicio" case mil veces. O brillo tenue que se ve na praia é silicio. O silicio é un cristal complexo con fraxilidade e metal semellante ao sólido (propiedades metálicas e non metálicas). O silicio está en todas partes.
O silicio é o segundo material máis común na Terra, despois do osíxeno, e o sétimo material máis común no universo. O silicio é un semicondutor, o que significa que ten propiedades eléctricas entre condutores (como o cobre) e illantes (como o vidro). Unha pequena cantidade de átomos estraños na estrutura do silicio pode cambiar fundamentalmente o seu comportamento, polo que a pureza do silicio de grao semicondutor debe ser sorprendentemente alta. A pureza mínima aceptable para o silicio de grao electrónico é do 99,999999 %.
Isto significa que só se permite un átomo que non sexa de silicio por cada dez mil millóns de átomos. A auga potable en bo estado permite 40 millóns de moléculas que non son de auga, o que é 50 millóns de veces menos puro que o silicio de grao semicondutor.
Os fabricantes de obleas de silicio en bruto deben converter o silicio de alta pureza en estruturas monocristalinas perfectas. Isto faise introducindo un cristal nai único no silicio fundido á temperatura axeitada. A medida que novos cristais fillos comezan a crecer arredor do cristal nai, o lingote de silicio fórmase lentamente a partir do silicio fundido. O proceso é lento e pode levar unha semana. O lingote de silicio acabado pesa uns 100 quilogramos e pode facer máis de 3.000 obleas.
As obleas córtanse en láminas finas cun fío de diamante moi fino. A precisión das ferramentas de corte de silicio é moi alta e os operadores deben ser monitorizados constantemente, ou comezarán a usar as ferramentas para facer parvadas co seu cabelo. A breve introdución á produción de obleas de silicio é demasiado simplificada e non recoñece plenamente as contribucións dos xenios; pero espérase que proporcione información básica para unha comprensión máis profunda do negocio das obleas de silicio.
A relación entre a oferta e a demanda de obleas de silicio
O mercado das obleas de silicio está dominado por catro empresas. Durante moito tempo, o mercado estivo nun delicado equilibrio entre a oferta e a demanda.
O descenso nas vendas de semicondutores en 2023 levou ao mercado a un estado de exceso de oferta, o que provocou que os inventarios internos e externos dos fabricantes de chips sexan elevados. Non obstante, esta é só unha situación temporal. A medida que o mercado se recupere, a industria volverá pronto ao límite da súa capacidade e deberá satisfacer a demanda adicional provocada pola revolución da IA. A transición da arquitectura tradicional baseada en CPU á computación acelerada terá un impacto en toda a industria, xa que isto pode ter un impacto nos segmentos de baixo valor da industria dos semicondutores.
As arquitecturas de unidades de procesamento gráfico (GPU) requiren máis área de silicio
A medida que aumenta a demanda de rendemento, os fabricantes de GPU deben superar algunhas limitacións de deseño para conseguir un maior rendemento das GPU. Obviamente, facer que o chip sexa máis grande é unha forma de conseguir un maior rendemento, xa que aos electróns non lles gusta percorrer longas distancias entre diferentes chips, o que limita o rendemento. Non obstante, existe unha limitación práctica para facer que o chip sexa máis grande, coñecida como o "límite da retina".
O límite de litografía refírese ao tamaño máximo dun chip que se pode expoñer nun só paso nunha máquina de litografía utilizada na fabricación de semicondutores. Esta limitación está determinada polo tamaño máximo do campo magnético do equipo de litografía, especialmente o motor paso a paso ou o escáner utilizado no proceso de litografía. Para a tecnoloxía máis recente, o límite da máscara adoita ser duns 858 milímetros cadrados. Esta limitación de tamaño é moi importante porque determina a área máxima que se pode modelar na oblea nunha soa exposición. Se a oblea é maior que este límite, serán necesarias varias exposicións para modelar completamente a oblea, o que non é práctico para a produción en masa debido á complexidade e aos desafíos de aliñamento. O novo GB200 superará esta limitación combinando dous substratos de chip con limitacións de tamaño de partícula nunha intercapa de silicio, formando un substrato superlimitado en partículas que é o dobre de grande. Outras limitacións de rendemento son a cantidade de memoria e a distancia a esa memoria (é dicir, o ancho de banda da memoria). As novas arquitecturas de GPU superan este problema mediante o uso de memoria apilada de alto ancho de banda (HBM) que se instala no mesmo interpositor de silicio con dous chips de GPU. Desde unha perspectiva do silicio, o problema con HBM é que cada bit de área de silicio é o dobre que a da DRAM tradicional debido á interface de alto paralelismo necesaria para un gran ancho de banda. HBM tamén integra un chip de control lóxico en cada pila, o que aumenta a área de silicio. Un cálculo aproximado mostra que a área de silicio utilizada na arquitectura GPU 2.5D é de 2,5 a 3 veces maior que a da arquitectura 2.0D tradicional. Como se mencionou anteriormente, a menos que as empresas de fundición estean preparadas para este cambio, a capacidade das obleas de silicio pode volver a ser moi limitada.
Capacidade futura do mercado de obleas de silicio
A primeira das tres leis da fabricación de semicondutores é que hai que investir máis diñeiro cando hai menos diñeiro dispoñible. Isto débese á natureza cíclica da industria e as empresas de semicondutores teñen dificultades para seguir esta regra. Como se mostra na figura, a maioría dos fabricantes de obleas de silicio recoñeceron o impacto deste cambio e case triplicaron os seus gastos de capital trimestrais totais nos últimos trimestres. A pesar das difíciles condicións do mercado, este segue sendo o caso. O que é aínda máis interesante é que esta tendencia leva moito tempo en marcha. As empresas de obleas de silicio teñen sorte ou saben algo que outras non. A cadea de subministración de semicondutores é unha máquina do tempo que pode predicir o futuro. O teu futuro pode ser o pasado doutra persoa. Aínda que non sempre obtemos respostas, case sempre recibimos preguntas que pagan a pena.
Data de publicación: 17 de xuño de 2024