Глубоко в цепочке поставок некоторые фокусники превращают песок в идеальные кристаллические диски из кремния с алмазной структурой, которые необходимы для всей цепочки поставок полупроводников. Они являются частью цепочки поставок полупроводников, которая увеличивает ценность «кремниевого песка» почти в тысячу раз. Слабое свечение, которое вы видите на пляже, — это кремний. Кремний — сложный кристалл с хрупкостью и твердым металлом (металлические и неметаллические свойства). Кремний повсюду.
Кремний — второй по распространенности материал на Земле после кислорода и седьмой по распространенности материал во Вселенной. Кремний — полупроводник, то есть он обладает электрическими свойствами между проводниками (например, медью) и изоляторами (например, стеклом). Небольшое количество инородных атомов в структуре кремния может кардинально изменить его поведение, поэтому чистота кремния полупроводникового качества должна быть поразительно высокой. Приемлемая минимальная чистота для кремния электронного качества составляет 99,999999%.
Это означает, что на каждые десять миллиардов атомов допускается только один некремниевый атом. Хорошая питьевая вода допускает 40 миллионов неводных молекул, что в 50 миллионов раз менее чисто, чем кремний полупроводникового качества.
Производители чистых кремниевых пластин должны преобразовывать высокочистый кремний в идеальные монокристаллические структуры. Это делается путем введения одного материнского кристалла в расплавленный кремний при соответствующей температуре. По мере того, как вокруг материнского кристалла начинают расти новые дочерние кристаллы, из расплавленного кремния медленно формируется слиток кремния. Процесс медленный и может занять неделю. Готовый слиток кремния весит около 100 килограммов и может изготовить более 3000 пластин.
Пластины разрезаются на тонкие пластины с помощью очень тонкой алмазной проволоки. Точность инструментов для резки кремния очень высока, и операторы должны постоянно контролироваться, иначе они начнут использовать инструменты, чтобы делать глупости со своими волосами. Краткое введение в производство кремниевых пластин слишком упрощено и не в полной мере отражает вклад гениев; но мы надеемся, что оно предоставит основу для более глубокого понимания бизнеса кремниевых пластин.
Соотношение спроса и предложения на кремниевые пластины
На рынке кремниевых пластин доминируют четыре компании. Долгое время рынок находился в состоянии тонкого баланса между спросом и предложением.
Снижение продаж полупроводников в 2023 году привело к тому, что рынок оказался в состоянии избыточного предложения, в результате чего внутренние и внешние запасы производителей микросхем были высокими. Однако это лишь временная ситуация. По мере восстановления рынка отрасль вскоре вернется к пределу возможностей и должна будет удовлетворить дополнительный спрос, вызванный революцией ИИ. Переход от традиционной архитектуры на базе ЦП к ускоренным вычислениям окажет влияние на всю отрасль, поскольку Однако это может оказать влияние на сегменты полупроводниковой промышленности с низкой стоимостью.
Архитектуры графических процессоров (GPU) требуют больше площади кремния
По мере роста спроса на производительность производители графических процессоров должны преодолеть некоторые ограничения дизайна, чтобы добиться более высокой производительности графических процессоров. Очевидно, что увеличение размера чипа — один из способов достижения более высокой производительности, поскольку электроны не любят преодолевать большие расстояния между различными чипами, что ограничивает производительность. Однако существует практическое ограничение на увеличение размера чипа, известное как «ограничение сетчатки».
Предел литографии относится к максимальному размеру чипа, который может быть экспонирован за один шаг в литографической машине, используемой в производстве полупроводников. Это ограничение определяется максимальным размером магнитного поля литографического оборудования, особенно шагового двигателя или сканера, используемых в процессе литографии. Для новейших технологий предел маски обычно составляет около 858 квадратных миллиметров. Это ограничение размера очень важно, поскольку оно определяет максимальную область, которая может быть нанесена на пластину за одну экспозицию. Если пластина больше этого предела, для полного нанесения рисунка на пластину потребуется несколько экспозиций, что непрактично для массового производства из-за сложности и проблем с выравниванием. Новый GB200 преодолеет это ограничение, объединив две подложки чипа с ограничениями по размеру частиц в кремниевую прослойку, образуя подложку с ограничением по размеру частиц, которая в два раза больше. Другими ограничениями производительности являются объем памяти и расстояние до этой памяти (т. е. пропускная способность памяти). Новые архитектуры графических процессоров решают эту проблему, используя стекированную память с высокой пропускной способностью (HBM), которая устанавливается на том же кремниевом интерпозере с двумя чипами графического процессора. С точки зрения кремния проблема с HBM заключается в том, что каждый бит площади кремния вдвое больше, чем у традиционной DRAM из-за высокопараллельного интерфейса, необходимого для высокой пропускной способности. HBM также интегрирует логический управляющий чип в каждый стек, увеличивая площадь кремния. Грубый расчет показывает, что площадь кремния, используемая в архитектуре 2.5D GPU, в 2,5–3 раза больше, чем у традиционной архитектуры 2.0D. Как упоминалось ранее, если литейные компании не готовы к этим изменениям, емкость кремниевых пластин может снова стать очень ограниченной.
Будущая емкость рынка кремниевых пластин
Первый из трех законов производства полупроводников заключается в том, что больше всего денег нужно инвестировать, когда доступно меньше всего денег. Это связано с цикличностью отрасли, и полупроводниковым компаниям трудно следовать этому правилу. Как показано на рисунке, большинство производителей кремниевых пластин осознали влияние этого изменения и почти утроили свои общие квартальные капитальные затраты за последние несколько кварталов. Несмотря на сложные рыночные условия, это все еще так. Еще интереснее то, что эта тенденция продолжается уже долгое время. Компаниям, производящим кремниевые пластины, повезло или они знают что-то, чего не знают другие. Цепочка поставок полупроводников — это машина времени, которая может предсказывать будущее. Ваше будущее может быть чьим-то прошлым. Хотя мы не всегда получаем ответы, мы почти всегда получаем стоящие вопросы.
Время публикации: 17 июня 2024 г.