Industrienieuws: GPU's stuwen de vraag naar siliciumwafers omhoog.

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

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

Fabrikanten van blanco siliciumwafers moeten silicium van hoge zuiverheid omzetten in perfecte enkelkristalstructuren. Dit gebeurt door een enkel moederkristal in gesmolten silicium te brengen bij de juiste temperatuur. Terwijl er nieuwe dochterkristallen rond het moederkristal groeien, vormt zich langzaam de siliciumstaaf uit het gesmolten silicium. Het proces is traag en kan een week duren. De voltooide siliciumstaaf weegt ongeveer 100 kilogram en kan meer dan 3000 wafers opleveren.

De wafers worden in dunne plakjes gesneden met behulp van zeer fijne diamantdraad. De precisie van de siliciumsnijgereedschappen is zeer hoog en de operators moeten constant in de gaten worden gehouden, anders gaan ze de gereedschappen gebruiken om bijvoorbeeld hun haar te stylen. Deze korte inleiding tot de productie van siliciumwafers is te simplistisch en doet geen recht aan de bijdragen van de genieën; desondanks is het de bedoeling een achtergrond te bieden voor een dieper begrip van de siliciumwaferindustrie.

De vraag- en aanbodverhouding van siliciumwafers

De markt voor siliciumwafels wordt gedomineerd door vier bedrijven. De markt bevindt zich al lange tijd in een fragiel evenwicht 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 zich herstelt, zal de industrie al snel weer de grenzen van haar capaciteit bereiken en moet zij voldoen aan de extra vraag die de AI-revolutie met zich meebrengt. De overgang van traditionele CPU-gebaseerde architectuur naar versnelde computerberekeningen zal de hele industrie beïnvloeden, met name de minder waardevolle segmenten van de halfgeleiderindustrie.

De architecturen van grafische processoren (GPU's) vereisen een groter siliciumoppervlak.

Naarmate de vraag naar prestaties toeneemt, moeten GPU-fabrikanten bepaalde ontwerpbeperkingen overwinnen om hogere prestaties uit GPU's te halen. Het vergroten van de chip is uiteraard één 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 vergroten 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 veldsterkte 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 groottelimiet is erg belangrijk omdat deze het maximale oppervlak bepaalt dat in één belichting op de wafer kan worden gepatroond. Als de wafer groter is dan deze limiet, zijn meerdere belichtingen nodig om de wafer volledig te patrooneren, wat onpraktisch is voor massaproductie vanwege de complexiteit en de uitlijningsproblemen. De nieuwe GB200 overwint deze beperking door twee chipsubstraten met deeltjesgroottebeperkingen te combineren in een silicium tussenlaag, waardoor een substraat met een superdeeltjeslimiet ontstaat dat twee keer zo groot is. Andere prestatiebeperkingen zijn de hoeveelheid geheugen en de afstand tot dat geheugen (d.w.z. geheugenbandbreedte). Nieuwe GPU-architecturen overwinnen dit probleem door gebruik te maken van gestapeld high-bandwidth memory (HBM) dat op dezelfde silicium-interposer is geïnstalleerd als twee GPU-chips. Vanuit siliciumperspectief is het probleem met HBM dat elk bit siliciumoppervlak twee keer zo groot is als traditioneel DRAM vanwege de sterk parallelle interface die nodig is voor een hoge bandbreedte. HBM integreert ook een logische besturingschip in elke stapel, waardoor het siliciumoppervlak verder toeneemt. Een ruwe schatting laat zien dat het siliciumoppervlak dat wordt gebruikt in 2.5D GPU-architectuur 2,5 tot 3 keer zo groot is als dat van de traditionele 2.0D-architectuur. Zoals eerder vermeld, kan de capaciteit van siliciumwafers opnieuw zeer krap worden als gieterijen zich niet op deze verandering voorbereiden.

Toekomstige capaciteit van de siliciumwafelmarkt

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 industrie, en halfgeleiderbedrijven hebben moeite om zich aan deze regel te houden. Zoals de figuur laat zien, hebben de meeste fabrikanten van siliciumwafels 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 gaande is. Siliciumwafelbedrijven hebben geluk of weten iets wat anderen niet weten. De halfgeleidertoeleveringsketen is een tijdmachine die de toekomst kan voorspellen. Jouw toekomst kan iemands verleden zijn. Hoewel we niet altijd antwoorden krijgen, krijgen we bijna altijd waardevolle vragen.