Diep in de toeleveringsketen veranderen sommige goochelaars zand in perfecte diamantgestructureerde siliciumkristalschijven, die essentieel zijn voor de hele toeleveringsketen van halfgeleiders.Ze maken deel uit van de toeleveringsketen van halfgeleiders, waardoor de waarde van ‘siliciumzand’ bijna duizend keer toeneemt.De zwakke gloed die je op het strand ziet, is van silicium.Silicium is een complex kristal met brosheid en een vast metaal (metaalachtige en niet-metaalachtige eigenschappen).Silicium is overal.
Silicium is het tweede meest voorkomende materiaal op aarde, na zuurstof, en het zevende meest voorkomende materiaal in het universum.Silicium is een halfgeleider, wat betekent dat het elektrische eigenschappen heeft tussen geleiders (zoals koper) en isolatoren (zoals glas).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 aanvaardbare 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 maakt 40 miljoen niet-watermoleculen mogelijk, wat 50 miljoen keer minder zuiver is dan silicium van halfgeleiderkwaliteit.
Fabrikanten van blanco siliciumwafels moeten silicium van hoge zuiverheid omzetten in perfecte eenkristalstructuren.Dit wordt gedaan door een enkel moederkristal bij de juiste temperatuur in gesmolten silicium te introduceren.Terwijl nieuwe dochterkristallen rond het moederkristal beginnen te groeien, vormt zich langzaam de siliciumstaaf uit het gesmolten silicium.Het proces is langzaam en kan een week duren.De voltooide siliciumstaaf weegt ongeveer 100 kilogram en kan meer dan 3.000 wafels maken.
De wafels worden met zeer fijn diamantdraad in dunne plakjes gesneden.De precisie van de siliconensnijgereedschappen is erg hoog en de operators moeten voortdurend in de gaten worden gehouden, anders zullen ze het gereedschap gaan gebruiken om gekke dingen met hun haar te doen.De korte inleiding tot de productie van siliciumwafels is te vereenvoudigd en doet de bijdragen van de genieën niet volledig eer aan;maar er wordt gehoopt dat het een achtergrond zal bieden voor een dieper begrip van de siliciumwafelsector.
De vraag-en-aanbodrelatie van siliciumwafels
De markt voor siliciumwafels wordt gedomineerd door vier bedrijven.De markt bevindt zich al lange tijd in een delicaat evenwicht tussen vraag en aanbod.
De daling van de verkoop van halfgeleiders in 2023 heeft ertoe geleid dat de markt in een staat van overaanbod verkeert, waardoor de interne en externe voorraden van chipfabrikanten hoog zijn.Dit is echter slechts een tijdelijke situatie.Naarmate de markt zich herstelt, zal de industrie spoedig terugkeren naar de grens van haar capaciteit en moeten voldoen aan de extra vraag die door de AI-revolutie wordt veroorzaakt.De overgang van traditionele CPU-gebaseerde architectuur naar versneld computergebruik zal een impact hebben op de hele industrie, maar dit kan ook een impact hebben op de laagwaardige segmenten van 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 is duidelijk dat het groter maken van de chip een manier is om hogere prestaties te bereiken, omdat 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, bekend als de "retina-limiet".
De lithografielimiet verwijst naar de maximale grootte van een chip die in één stap kan worden belicht in een lithografiemachine die wordt gebruikt bij de productie van halfgeleiders.Deze beperking wordt bepaald door de maximale magnetische veldgrootte van de lithografieapparatuur, vooral de stepper of scanner die bij het lithografieproces wordt gebruikt.Voor de nieuwste technologie ligt de maskerlimiet doorgaans rond de 858 vierkante millimeter.Deze beperking van de grootte is erg belangrijk omdat deze het maximale gebied bepaalt dat in één enkele belichting op de wafer van een patroon kan worden voorzien.Als de wafel groter is dan deze limiet, zullen meerdere belichtingen nodig zijn om de wafel volledig van patroon te voorzien, wat onpraktisch is voor massaproductie vanwege de complexiteit en uitlijningsproblemen.De nieuwe GB200 zal deze beperking overwinnen door twee chipsubstraten met deeltjesgroottebeperkingen te combineren tot een siliciumtussenlaag, waardoor een substraat met superdeeltjesbeperking ontstaat dat twee keer zo groot is.Andere prestatiebeperkingen zijn de hoeveelheid geheugen en de afstand tot dat geheugen (dwz geheugenbandbreedte).Nieuwe GPU-architecturen lossen dit probleem op door gebruik te maken van gestapeld geheugen met hoge bandbreedte (HBM) dat is geïnstalleerd op dezelfde siliciuminterposer met twee GPU-chips.Vanuit siliciumperspectief is het probleem met HBM dat elk bit siliciumoppervlak twee keer zo groot is als dat van traditionele DRAM vanwege de hoog-parallelle interface die nodig is voor hoge bandbreedte.HBM integreert ook een logische besturingschip in elke stapel, waardoor het siliciumoppervlak wordt vergroot.Uit een ruwe berekening blijkt dat het siliciumoppervlak dat wordt gebruikt in de 2.5D GPU-architectuur 2,5 tot 3 maal groter is dan dat van de traditionele 2.0D-architectuur.Zoals eerder vermeld, kan de capaciteit van siliciumwafels weer erg krap worden, tenzij gieterijbedrijven op deze verandering zijn voorbereid.
Toekomstige capaciteit van de markt voor siliciumwafels
De eerste van de drie wetten van de halfgeleiderproductie is dat het meeste geld moet worden geïnvesteerd als er de minste hoeveelheid geld beschikbaar is.Dit komt door het cyclische karakter van de sector, en halfgeleiderbedrijven hebben moeite deze regel te volgen.Zoals blijkt uit de figuur hebben de meeste fabrikanten van siliciumwafels de impact van deze verandering onderkend en hebben zij hun totale kwartaalinvesteringen de afgelopen kwartalen bijna verdrievoudigd.Ondanks de moeilijke marktomstandigheden is dit nog steeds het geval.Wat nog interessanter is, is dat deze trend al heel lang aan de gang is.Siliciumwafelbedrijven hebben geluk of weten iets dat anderen niet weten.De toeleveringsketen van halfgeleiders is een tijdmachine die de toekomst kan voorspellen.Jouw toekomst kan het verleden van iemand anders zijn.Hoewel we niet altijd antwoorden krijgen, krijgen we bijna altijd waardevolle vragen.
Posttijd: 17 juni 2024