Novinky z odvetvia: GPU zvyšuje dopyt po kremíkových doštičkách

Kremík je druhým najbežnejším materiálom na Zemi, hneď po kyslíku, a siedmym najbežnejším materiálom vo vesmíre. Kremík je polovodič, čo znamená, že má elektrické vlastnosti medzi vodičmi (ako je meď) a izolantmi (ako je sklo). Malé množstvo cudzích atómov v štruktúre kremíka môže zásadne zmeniť jeho správanie, takže čistota kremíka polovodičovej kvality musí byť prekvapivo vysoká. Prijateľná minimálna čistota pre kremík elektronickej kvality je 99,999999 %.

To znamená, že na každých desať miliárd atómov je povolený iba jeden atóm iného ako kremík. Dobrá pitná voda obsahuje 40 miliónov molekúl iného ako voda, čo je 50 miliónov krát menej čisté ako polovodičový kremík.

Výrobcovia prázdnych kremíkových doštičiek musia premeniť vysoko čistý kremík na dokonalé monokryštálové štruktúry. To sa dosahuje zavedením jedného materského kryštálu do roztaveného kremíka pri vhodnej teplote. Keď okolo materského kryštálu začnú rásť nové dcérske kryštály, z roztaveného kremíka sa pomaly formuje kremíkový ingot. Proces je pomalý a môže trvať týždeň. Hotový kremíkový ingot váži približne 100 kilogramov a je možné z neho vyrobiť viac ako 3 000 doštičiek.

Doštičky sa režú na tenké plátky pomocou veľmi jemného diamantového drôtu. Presnosť kremíkových rezacích nástrojov je veľmi vysoká a operátori musia byť neustále monitorovaní, inak začnú používať nástroje na robenie hlúpostí so svojimi vlasmi. Stručný úvod do výroby kremíkových doštičiek je príliš zjednodušený a úplne nezohľadňuje prínos géniov; dúfa sa však, že poskytne základ pre hlbšie pochopenie podnikania s kremíkovými doštičkami.

Vzťah medzi ponukou a dopytom po kremíkových doštičkách

Trh s kremíkovými doštičkami dominujú štyri spoločnosti. Trh sa dlhodobo nachádzal v krehkej rovnováhe medzi ponukou a dopytom.
Pokles predaja polovodičov v roku 2023 viedol k nadmernej ponuke na trhu, čo spôsobilo vysoké interné aj externé zásoby výrobcov čipov. Ide však len o dočasnú situáciu. S oživením trhu sa odvetvie čoskoro vráti na hranicu kapacity a bude musieť uspokojiť dodatočný dopyt spôsobený revolúciou umelej inteligencie. Prechod z tradičnej architektúry založenej na CPU na zrýchlené výpočty bude mať vplyv na celé odvetvie, pretože... To však môže mať vplyv na nízkohodnotové segmenty polovodičového priemyslu.

Architektúry grafických procesorov (GPU) vyžadujú viac kremíkovej plochy

S rastúcim dopytom po výkone musia výrobcovia grafických procesorov (GPU) prekonať niektoré konštrukčné obmedzenia, aby dosiahli vyšší výkon z grafických procesorov. Zväčšenie čipu je samozrejme jedným zo spôsobov, ako dosiahnuť vyšší výkon, pretože elektróny neradi cestujú na dlhé vzdialenosti medzi rôznymi čipmi, čo obmedzuje výkon. Existuje však praktické obmedzenie zväčšovania čipu, známe ako „limit sietnice“.

Limit litografie sa vzťahuje na maximálnu veľkosť čipu, ktorý je možné exponovať v jednom kroku v litografickom stroji používanom pri výrobe polovodičov. Toto obmedzenie je určené maximálnou veľkosťou magnetického poľa litografického zariadenia, najmä krokového stroja alebo skenera používaného v litografickom procese. Pre najnovšiu technológiu je limit masky zvyčajne okolo 858 štvorcových milimetrov. Toto obmedzenie veľkosti je veľmi dôležité, pretože určuje maximálnu plochu, ktorú je možné na doštičke vytvoriť vzor v jednej expozícii. Ak je doštička väčšia ako tento limit, na úplné vytvorenie vzoru na doštičke bude potrebných viacero expozícií, čo je pre hromadnú výrobu nepraktické kvôli zložitosti a problémom so zarovnaním. Nový GB200 prekoná toto obmedzenie kombináciou dvoch čipových substrátov s obmedzeniami veľkosti častíc do kremíkovej medzivrstvy, čím vytvorí substrát s obmedzeným počtom superčastíc, ktorý je dvakrát väčší. Ďalšími obmedzeniami výkonu sú množstvo pamäte a vzdialenosť k tejto pamäti (t. j. šírka pásma pamäte). Nové architektúry GPU prekonávajú tento problém použitím stohovanej pamäte s vysokou šírkou pásma (HBM), ktorá je nainštalovaná na rovnakom kremíkovom medziľahlom s dvoma čipmi GPU. Z hľadiska kremíka je problémom HBM to, že každý bit kremíka má dvojnásobnú plochu oproti tradičnej DRAM kvôli vysoko paralelnému rozhraniu potrebnému pre vysokú šírku pásma. HBM tiež integruje do každého zásobníka logický riadiaci čip, čím sa zväčšuje plocha kremíka. Hrubý výpočet ukazuje, že plocha kremíka použitá v architektúre 2,5D GPU je 2,5 až 3-krát väčšia ako v tradičnej architektúre 2,0D. Ako už bolo spomenuté, pokiaľ zlievarne nebudú na túto zmenu pripravené, kapacita kremíkových doštičiek sa môže opäť stať veľmi obmedzenou.

Budúca kapacita trhu s kremíkovými doštičkami

Prvým z troch zákonov výroby polovodičov je, že najviac peňazí je potrebné investovať, keď je k dispozícii najmenej peňazí. Je to kvôli cyklickej povahe odvetvia a spoločnosti vyrábajúce polovodiče majú problém toto pravidlo dodržiavať. Ako je znázornené na obrázku, väčšina výrobcov kremíkových doštičiek si uvedomila dopad tejto zmeny a v posledných štvrťrokoch takmer strojnásobila svoje celkové štvrťročné kapitálové výdavky. Napriek náročným trhovým podmienkam to stále platí. Ešte zaujímavejšie je, že tento trend pretrváva už dlho. Spoločnosti vyrábajúce kremíkové doštičky majú šťastie alebo vedia niečo, čo iní nie. Dodávateľský reťazec polovodičov je stroj času, ktorý dokáže predpovedať budúcnosť. Vaša budúcnosť môže byť minulosťou niekoho iného. Aj keď nie vždy dostaneme odpovede, takmer vždy dostaneme zmysluplné otázky.