Branchenieuws: GPU stimuleert vraag naar siliciumwafers

Silicium is het op één na meest voorkomende materiaal op aarde, na zuurstof, en het zevende meest voorkomende materiaal in het heelal. Silicium is een halfgeleider, wat betekent dat het elektrische eigenschappen heeft die zich tussen geleiders (zoals koper) en isolatoren (zoals glas) bevinden. Een kleine hoeveelheid vreemde atomen in de siliciumstructuur kan het gedrag ervan fundamenteel veranderen, dus de zuiverheid van silicium van halfgeleiderkwaliteit moet verbazingwekkend hoog zijn. De acceptabele minimale zuiverheid voor silicium van elektronische kwaliteit is 99,999999%.

Dit betekent dat er per tien miljard atomen slechts één niet-siliciumatoom is toegestaan. Goed drinkwater laat 40 miljoen niet-watermoleculen toe, wat 50 miljoen keer minder zuiver is dan silicium van halfgeleiderkwaliteit.

Fabrikanten van blanco siliciumwafers moeten silicium met een hoge zuiverheidsgraad omzetten in perfecte monokristalstructuren. Dit gebeurt door een monokristallijn moederkristal bij de juiste temperatuur in gesmolten silicium te brengen. Naarmate nieuwe dochterkristallen rond het moederkristal beginnen te groeien, vormt zich langzaam een ​​siliciumstaaf uit het gesmolten silicium. Dit proces is traag en kan een week duren. De voltooide siliciumstaaf weegt ongeveer 100 kilogram en kan meer dan 3000 wafers produceren.

De wafers worden met behulp van zeer fijn diamantdraad in dunne plakjes gesneden. De precisie van de siliciumsnijgereedschappen is zeer hoog en de operators moeten constant in de gaten worden gehouden, anders gaan ze gekke dingen met hun haar doen. De korte inleiding over de productie van siliciumwafers is te simplistisch en doet geen recht aan de bijdragen van de genieën; maar het is de bedoeling dat het een achtergrond biedt voor een beter begrip van de siliciumwaferindustrie.

De vraag- en aanbodrelatie van siliciumwafers

De markt voor siliciumwafers wordt gedomineerd door vier bedrijven. De markt verkeert al lange tijd in een delicate balans tussen vraag en aanbod.
De daling van de halfgeleiderverkoop in 2023 heeft geleid tot een overaanbod op de markt, waardoor de interne en externe voorraden van chipfabrikanten hoog zijn. Dit is echter slechts een tijdelijke situatie. Naarmate de markt herstelt, zal de industrie spoedig weer aan de rand van de capaciteit zitten en moeten voldoen aan de extra vraag die de AI-revolutie met zich meebrengt. De overgang van traditionele CPU-gebaseerde architectuur naar versneld computergebruik zal gevolgen hebben voor de hele industrie, maar kan ook gevolgen hebben voor de segmenten met lage waarde binnen de halfgeleiderindustrie.

Graphics Processing Unit (GPU)-architecturen vereisen meer siliciumoppervlak

Naarmate de vraag naar prestaties toeneemt, moeten GPU-fabrikanten een aantal ontwerpbeperkingen overwinnen om hogere prestaties uit GPU's te halen. Het groter maken van de chip is uiteraard een manier om hogere prestaties te bereiken, aangezien elektronen niet graag lange afstanden afleggen tussen verschillende chips, wat de prestaties beperkt. Er is echter een praktische beperking aan het groter maken van de chip: de "retinalimiet".

De lithografielimiet verwijst naar de maximale grootte van een chip die in één stap kan worden belicht in een lithografiemachine die wordt gebruikt in de halfgeleiderproductie. Deze limiet wordt bepaald door de maximale magnetische veldgrootte van de lithografieapparatuur, met name de stepper of scanner die in het lithografieproces wordt gebruikt. Voor de nieuwste technologie ligt de maskerlimiet meestal rond de 858 vierkante millimeter. Deze groottebeperking is zeer belangrijk omdat deze het maximale oppervlak bepaalt dat in één belichting op de wafer kan worden gepatroneerd. Als de wafer groter is dan deze limiet, zijn meerdere belichtingen nodig om de wafer volledig te patroneren, wat onpraktisch is voor massaproductie vanwege de complexiteit en uitlijningsproblemen. De nieuwe GB200 overwint deze beperking door twee chipsubstraten met deeltjesgroottebeperkingen te combineren in een siliciumtussenlaag, waardoor een substraat met superdeeltjesbeperkingen ontstaat dat twee keer zo groot is. Andere prestatiebeperkingen zijn de hoeveelheid geheugen en de afstand tot dat geheugen (d.w.z. de geheugenbandbreedte). Nieuwe GPU-architecturen lossen dit probleem op door gebruik te maken van gestapeld geheugen met hoge bandbreedte (HBM) dat op dezelfde siliciuminterposer is geïnstalleerd als twee GPU-chips. Vanuit siliciumperspectief is het probleem met HBM dat elke bit siliciumoppervlakte twee keer zo groot is als die van traditioneel DRAM, vanwege de hoge parallelle interface die nodig is voor een hoge bandbreedte. HBM integreert bovendien een logic control chip in elke stack, waardoor het siliciumoppervlakte toeneemt. Een ruwe berekening laat zien dat de siliciumoppervlakte die wordt gebruikt in een 2.5D GPU-architectuur 2,5 tot 3 keer zo groot is als die van de traditionele 2.0D-architectuur. Zoals eerder vermeld, kan de capaciteit van siliciumwafers weer zeer krap worden, tenzij chipfabrikanten voorbereid zijn op deze verandering.

Toekomstige capaciteit van de siliciumwafermarkt

De eerste van de drie wetten van de halfgeleiderproductie is dat er het meeste geld geïnvesteerd moet worden wanneer er het minste geld beschikbaar is. Dit komt door het cyclische karakter van de sector, en halfgeleiderbedrijven vinden het moeilijk om zich aan deze regel te houden. Zoals de figuur laat zien, hebben de meeste fabrikanten van siliciumwafers de impact van deze verandering onderkend en hun totale kwartaalinvesteringen in de afgelopen kwartalen bijna verdrievoudigd. Ondanks de moeilijke marktomstandigheden is dit nog steeds het geval. Wat nog interessanter is, is dat deze trend al lange tijd aanhoudt. Siliciumwaferbedrijven hebben geluk of weten iets wat anderen niet weten. De toeleveringsketen van halfgeleiders is een tijdmachine die de toekomst kan voorspellen. Jouw toekomst is misschien wel het verleden van iemand anders. Hoewel we niet altijd antwoorden krijgen, krijgen we bijna altijd zinvolle vragen.