Novice iz industrije: Grafični procesorji povečujejo povpraševanje po silicijevih rezinah

Silicij je drugi najpogostejši material na Zemlji, takoj za kisikom, in sedmi najpogostejši material v vesolju. Silicij je polprevodnik, kar pomeni, da ima električne lastnosti med prevodniki (kot je baker) in izolatorji (kot je steklo). Majhna količina tujih atomov v silicijski strukturi lahko bistveno spremeni njegovo obnašanje, zato mora biti čistost polprevodniškega silicija presenetljivo visoka. Sprejemljiva minimalna čistost za silicij elektronske kakovosti je 99,999999 %.

To pomeni, da je na vsakih deset milijard atomov dovoljen le en atom, ki ni silicij. Dobra pitna voda vsebuje 40 milijonov molekul, ki niso voda, kar je 50 milijonov-krat manj čisto kot polprevodniški silicij.

Proizvajalci praznih silicijevih rezin morajo visoko čist silicij pretvoriti v popolne monokristalne strukture. To storijo tako, da v staljeni silicij pri ustrezni temperaturi vnesejo posamezen matični kristal. Ko okoli matičnega kristala začnejo rasti novi hčerinski kristali, se iz staljenega silicija počasi oblikuje silicijev ingot. Postopek je počasen in lahko traja en teden. Končni silicijev ingot tehta približno 100 kilogramov in iz njega je mogoče narediti več kot 3000 rezin.

Rezine se z zelo fino diamantno žico razrežejo na tanke rezine. Natančnost orodij za rezanje silicija je zelo visoka, operaterje pa je treba nenehno nadzorovati, sicer bodo začeli uporabljati orodja za neumnosti s svojimi lasmi. Kratek uvod v proizvodnjo silicijevih rezin je preveč poenostavljen in ne priznava v celoti prispevkov genijev; vendar upamo, da bo zagotovil ozadje za globlje razumevanje posla s silicijevimi rezinami.

Razmerje med ponudbo in povpraševanjem po silicijevih rezinah

Trg silicijevih rezin obvladujejo štiri podjetja. Trg je bil dolgo časa v občutljivem ravnovesju med ponudbo in povpraševanjem.
Zaradi upada prodaje polprevodnikov v letu 2023 je trg presegel ponudbo, zaradi česar so bile notranje in zunanje zaloge proizvajalcev čipov visoke. Vendar je to le začasno stanje. Ko si bo trg opomogel, se bo industrija kmalu vrnila na rob zmogljivosti in bo morala zadostiti dodatnemu povpraševanju, ki ga je povzročila revolucija umetne inteligence. Prehod s tradicionalne arhitekture, ki temelji na procesorjih, na pospešeno računalništvo bo vplival na celotno industrijo, saj lahko to vpliva na nizkovrednostne segmente polprevodniške industrije.

Arhitekture grafičnih procesorjev (GPU) zahtevajo več silicijeve površine

Ker se povpraševanje po zmogljivosti povečuje, morajo proizvajalci grafičnih procesorjev premagati nekatere omejitve zasnove, da bi dosegli večjo zmogljivost grafičnih procesorjev. Očitno je povečanje čipa eden od načinov za doseganje večje zmogljivosti, saj elektroni ne marajo potovati na dolge razdalje med različnimi čipi, kar omejuje zmogljivost. Vendar pa obstaja praktična omejitev pri povečanju čipa, znana kot "retina meja".

Litografska omejitev se nanaša na največjo velikost čipa, ki ga je mogoče osvetliti v enem samem koraku v litografskem stroju, ki se uporablja v proizvodnji polprevodnikov. To omejitev določa največja velikost magnetnega polja litografske opreme, zlasti koračnega generatorja ali skenerja, ki se uporablja v litografskem procesu. Za najnovejšo tehnologijo je omejitev maske običajno okoli 858 kvadratnih milimetrov. Ta omejitev velikosti je zelo pomembna, ker določa največjo površino, ki jo je mogoče oblikovati na rezini v eni sami osvetlitvi. Če je rezina večja od te omejitve, bo za popolno oblikovanje rezine potrebnih več osvetlitev, kar je zaradi kompleksnosti in izzivov pri poravnavi nepraktično za množično proizvodnjo. Novi GB200 bo to omejitev premagal z združitvijo dveh substratov čipa z omejitvami velikosti delcev v silicijev vmesni sloj, s čimer bo nastal substrat z omejeno velikostjo delcev, ki je dvakrat večji. Druge omejitve zmogljivosti so količina pomnilnika in razdalja do tega pomnilnika (tj. pasovna širina pomnilnika). Nove arhitekture grafičnih procesorjev (GPU) to težavo premagajo z uporabo zloženega pomnilnika z visoko pasovno širino (HBM), ki je nameščen na istem silicijevem vmesnem sloju z dvema čipoma GPU. Z vidika silicija je težava s HBM v tem, da je vsak bit silicija dvakrat večji od površine tradicionalnega DRAM-a zaradi visoko vzporednega vmesnika, ki je potreben za visoko pasovno širino. HBM v vsak sklad integrira tudi logični krmilni čip, s čimer poveča površino silicija. Grob izračun kaže, da je površina silicija, uporabljena v arhitekturi 2,5D GPU, 2,5- do 3-krat večja od tradicionalne arhitekture 2,0D. Kot smo že omenili, lahko zmogljivost silicijevih rezin spet postane zelo omejena, če livarna niso pripravljena na to spremembo.

Prihodnja zmogljivost trga silicijevih rezin

Prvi od treh zakonov proizvodnje polprevodnikov je, da je treba največ denarja vložiti, ko je na voljo najmanj denarja. To je posledica ciklične narave panoge in podjetja, ki proizvajajo polprevodnike, se temu pravilu težko držijo. Kot je prikazano na sliki, je večina proizvajalcev silicijevih rezin prepoznala vpliv te spremembe in v zadnjih nekaj četrtletjih skoraj potrojila svoje skupne četrtletne kapitalske izdatke. Kljub težkim tržnim razmeram je to še vedno tako. Še bolj zanimivo je, da ta trend traja že dolgo časa. Podjetja, ki proizvajajo silicijeve rezine, imajo srečo ali pa vedo nekaj, česar drugi ne. Dobavna veriga polprevodnikov je časovni stroj, ki lahko napove prihodnost. Vaša prihodnost je morda preteklost nekoga drugega. Čeprav ne dobimo vedno odgovorov, skoraj vedno dobimo koristna vprašanja.