В глубине цепочки поставок некоторые волшебники превращают песок в идеально сформированные диски из кремниевых кристаллов 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 — это сложный кристалл, обладающий хрупкостью и свойствами твердого металла (металлические и неметаллические свойства). Кремний повсюду.
Кремний — второй по распространённости материал на Земле после кислорода и седьмой по распространённости материал во Вселенной. Кремний является полупроводником, то есть обладает электрическими свойствами, промежуточными между проводниками (например, медью) и изоляторами (например, стеклом). Небольшое количество посторонних атомов в структуре кремния может коренным образом изменить его поведение, поэтому чистота полупроводникового кремния должна быть поразительно высокой. Допустимый минимальный уровень чистоты для кремния электронного качества составляет 99,999999%.
Это означает, что на каждые десять миллиардов атомов допускается только один атом, не являющийся атомом кремния. В качественной питьевой воде содержится 40 миллионов молекул, не являющихся молекулами воды, что в 50 миллионов раз меньше, чем чистота кремния полупроводникового качества.
Производители заготовок кремниевых пластин должны преобразовывать высокочистый кремний в идеальные монокристаллические структуры. Это достигается путем введения монокристалла в расплавленный кремний при соответствующей температуре. По мере роста новых дочерних кристаллов вокруг монокристалла, из расплавленного кремния медленно формируется кремниевый слиток. Процесс медленный и может занять неделю. Готовый кремниевый слиток весит около 100 килограммов и позволяет изготовить более 3000 пластин.
Кремниевые пластины разрезаются на тонкие пластины с помощью очень тонкой алмазной проволоки. Точность инструментов для резки кремния очень высока, и за операторами необходимо постоянно следить, иначе они начнут использовать инструменты для того, чтобы причинить себе вред. Краткое введение в производство кремниевых пластин слишком упрощено и не в полной мере отражает вклад гениев; однако, как ожидается, оно послужит основой для более глубокого понимания бизнеса по производству кремниевых пластин.
Взаимосвязь спроса и предложения на кремниевые пластины
На рынке кремниевых пластин доминируют четыре компании. Долгое время на рынке сохранялся хрупкий баланс между спросом и предложением.
Снижение продаж полупроводников в 2023 году привело к переизбытку предложения на рынке, в результате чего внутренние и внешние запасы производителей микросхем оказались высокими. Однако это лишь временная ситуация. По мере восстановления рынка отрасль вскоре вернется к пределу своих возможностей и должна будет удовлетворить дополнительный спрос, вызванный революцией в области искусственного интеллекта. Переход от традиционной архитектуры на основе ЦП к ускоренным вычислениям окажет влияние на всю отрасль, однако это может повлиять и на низкодоходные сегменты полупроводниковой промышленности.
Архитектуры графических процессоров (GPU) требуют большей площади кристалла.
По мере роста требований к производительности производителям графических процессоров приходится преодолевать некоторые конструктивные ограничения, чтобы добиться от них более высокой производительности. Очевидно, что увеличение размера чипа — один из способов повышения производительности, поскольку электроны не любят перемещаться на большие расстояния между различными чипами, что ограничивает производительность. Однако существует практическое ограничение, связанное с увеличением размера чипа, известное как «предел сетчатки».
Литографический предел относится к максимальному размеру чипа, который может быть экспонирован за один шаг в литографической машине, используемой в полупроводниковом производстве. Это ограничение определяется максимальным размером магнитного поля литографического оборудования, особенно степпера или сканера, используемых в процессе литографии. Для новейших технологий предел маски обычно составляет около 858 квадратных миллиметров. Это ограничение по размеру очень важно, поскольку оно определяет максимальную площадь, которую можно сформировать на пластине за одну экспозицию. Если пластина больше этого предела, потребуется несколько экспозиций для полного формирования рисунка на пластине, что непрактично для массового производства из-за сложности и проблем с выравниванием. Новая GB200 преодолеет это ограничение, объединив две подложки чипов с ограничениями по размеру частиц в кремниевый промежуточный слой, образуя сверхмалый по размеру субстрат, вдвое больший по размеру. Другие ограничения производительности связаны с объемом памяти и расстоянием до этой памяти (т.е. пропускной способностью памяти). Новые архитектуры графических процессоров преодолевают эту проблему за счет использования многослойной высокоскоростной памяти (HBM), которая устанавливается на одном кремниевом интерпозере с двумя чипами графического процессора. С точки зрения кремния, проблема HBM заключается в том, что площадь каждого бита кремния вдвое больше, чем у традиционной DRAM, из-за необходимости высокопараллельного интерфейса для обеспечения высокой пропускной способности. HBM также интегрирует микросхему управления логикой в каждый стек, увеличивая площадь кремния. Грубые расчеты показывают, что площадь кремния, используемая в 2.5D-архитектуре графического процессора, в 2,5–3 раза больше, чем в традиционной 2.0D-архитектуре. Как упоминалось ранее, если компании-производители не будут готовы к этим изменениям, производственные мощности по выпуску кремниевых пластин могут снова стать очень ограниченными.
Перспективные возможности рынка кремниевых пластин
Первый из трёх законов производства полупроводников гласит, что наибольшие инвестиции необходимы тогда, когда доступно наименьшее количество денег. Это связано с циклическим характером отрасли, и компаниям, занимающимся производством полупроводников, 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 всё ещё так. Ещё интереснее то, что эта тенденция сохраняется 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 важные вопросы.
Дата публикации: 17 июня 2024 г.