Νέα του Κλάδου: Η GPU αυξάνει τη ζήτηση για πλακίδια πυριτίου

Το πυρίτιο είναι το δεύτερο πιο κοινό υλικό στη Γη, μετά το οξυγόνο, και το έβδομο πιο κοινό υλικό στο σύμπαν. Το πυρίτιο είναι ημιαγωγός, που σημαίνει ότι έχει ηλεκτρικές ιδιότητες μεταξύ αγωγών (όπως ο χαλκός) και μονωτών (όπως το γυαλί). Μια μικρή ποσότητα ξένων ατόμων στη δομή του πυριτίου μπορεί να αλλάξει ριζικά τη συμπεριφορά του, επομένως η καθαρότητα του πυριτίου ημιαγωγικής ποιότητας πρέπει να είναι εκπληκτικά υψηλή. Η αποδεκτή ελάχιστη καθαρότητα για το πυρίτιο ηλεκτρονικής ποιότητας είναι 99,999999%.

Αυτό σημαίνει ότι επιτρέπεται μόνο ένα άτομο εκτός πυριτίου για κάθε δέκα δισεκατομμύρια άτομα. Το καλό πόσιμο νερό επιτρέπει 40 εκατομμύρια μόρια εκτός νερού, τα οποία είναι 50 εκατομμύρια φορές λιγότερο καθαρά από το πυρίτιο ημιαγωγών.

Οι κατασκευαστές άυλων πλακιδίων πυριτίου πρέπει να μετατρέπουν το πυρίτιο υψηλής καθαρότητας σε τέλειες μονοκρυσταλλικές δομές. Αυτό γίνεται με την εισαγωγή ενός μόνο μητρικού κρυστάλλου στο τηγμένο πυρίτιο στην κατάλληλη θερμοκρασία. Καθώς νέοι θυγατρικοί κρύσταλλοι αρχίζουν να αναπτύσσονται γύρω από τον μητρικό κρύσταλλο, η ράβδος πυριτίου σχηματίζεται αργά από το τηγμένο πυρίτιο. Η διαδικασία είναι αργή και μπορεί να διαρκέσει μια εβδομάδα. Η τελική ράβδος πυριτίου ζυγίζει περίπου 100 κιλά και μπορεί να φτιάξει πάνω από 3.000 πλακίδια.

Οι γκοφρέτες κόβονται σε λεπτές φέτες χρησιμοποιώντας πολύ λεπτό διαμαντένιο σύρμα. Η ακρίβεια των εργαλείων κοπής πυριτίου είναι πολύ υψηλή και οι χειριστές πρέπει να παρακολουθούνται συνεχώς, διαφορετικά θα αρχίσουν να χρησιμοποιούν τα εργαλεία για να κάνουν ανόητα πράγματα στα μαλλιά τους. Η σύντομη εισαγωγή στην παραγωγή γκοφρετών πυριτίου είναι πολύ απλοποιημένη και δεν αναγνωρίζει πλήρως τη συμβολή των ιδιοφυών. Ωστόσο, ελπίζεται ότι θα παράσχει ένα υπόβαθρο για μια βαθύτερη κατανόηση της επιχείρησης των γκοφρετών πυριτίου.

Η σχέση προσφοράς και ζήτησης των πλακιδίων πυριτίου

Η αγορά πλακιδίων πυριτίου κυριαρχείται από τέσσερις εταιρείες. Για μεγάλο χρονικό διάστημα, η αγορά βρισκόταν σε μια λεπτή ισορροπία μεταξύ προσφοράς και ζήτησης.
Η μείωση των πωλήσεων ημιαγωγών το 2023 οδήγησε την αγορά σε κατάσταση υπερπροσφοράς, με αποτέλεσμα τα εσωτερικά και εξωτερικά αποθέματα των κατασκευαστών τσιπ να είναι υψηλά. Ωστόσο, αυτή είναι μόνο μια προσωρινή κατάσταση. Καθώς η αγορά ανακάμπτει, ο κλάδος σύντομα θα επιστρέψει στο όριο της παραγωγικής του ικανότητας και θα πρέπει να καλύψει την πρόσθετη ζήτηση που προκαλεί η επανάσταση της Τεχνητής Νοημοσύνης. Η μετάβαση από την παραδοσιακή αρχιτεκτονική που βασίζεται σε CPU στην επιταχυνόμενη υπολογιστική θα έχει αντίκτυπο σε ολόκληρο τον κλάδο, καθώς, ωστόσο, αυτό μπορεί να έχει αντίκτυπο στα τμήματα χαμηλής αξίας του κλάδου ημιαγωγών.

Οι αρχιτεκτονικές Μονάδας Επεξεργασίας Γραφικών (GPU) απαιτούν περισσότερη περιοχή πυριτίου

Καθώς η ζήτηση για απόδοση αυξάνεται, οι κατασκευαστές GPU πρέπει να ξεπεράσουν ορισμένους περιορισμούς σχεδιασμού για να επιτύχουν υψηλότερη απόδοση από τις GPU. Προφανώς, η αύξηση του μεγέθους του τσιπ είναι ένας τρόπος για την επίτευξη υψηλότερης απόδοσης, καθώς τα ηλεκτρόνια δεν επιθυμούν να ταξιδεύουν σε μεγάλες αποστάσεις μεταξύ διαφορετικών τσιπ, γεγονός που περιορίζει την απόδοση. Ωστόσο, υπάρχει ένας πρακτικός περιορισμός στη μεγαλύτερη αύξηση του μεγέθους του τσιπ, γνωστός ως «όριο αμφιβληστροειδούς».

Το όριο λιθογραφίας αναφέρεται στο μέγιστο μέγεθος ενός τσιπ που μπορεί να εκτεθεί σε ένα μόνο βήμα σε μια μηχανή λιθογραφίας που χρησιμοποιείται στην κατασκευή ημιαγωγών. Αυτός ο περιορισμός καθορίζεται από το μέγιστο μέγεθος μαγνητικού πεδίου του εξοπλισμού λιθογραφίας, ειδικά του βηματικού ή του σαρωτή που χρησιμοποιείται στη διαδικασία λιθογραφίας. Για την τελευταία τεχνολογία, το όριο μάσκας είναι συνήθως περίπου 858 τετραγωνικά χιλιοστά. Αυτός ο περιορισμός μεγέθους είναι πολύ σημαντικός επειδή καθορίζει τη μέγιστη περιοχή που μπορεί να διαμορφωθεί στο πλακίδιο σε μία μόνο έκθεση. Εάν το πλακίδιο είναι μεγαλύτερο από αυτό το όριο, θα χρειαστούν πολλαπλές εκθέσεις για την πλήρη διαμόρφωση του πλακιδίου, κάτι που δεν είναι πρακτικό για μαζική παραγωγή λόγω πολυπλοκότητας και προκλήσεων ευθυγράμμισης. Το νέο GB200 θα ξεπεράσει αυτόν τον περιορισμό συνδυάζοντας δύο υποστρώματα τσιπ με περιορισμούς μεγέθους σωματιδίων σε ένα ενδιάμεσο στρώμα πυριτίου, σχηματίζοντας ένα υπόστρωμα με υπερ-περιορισμό σωματιδίων που είναι διπλάσιο. Άλλοι περιορισμοί απόδοσης είναι η ποσότητα μνήμης και η απόσταση από αυτήν τη μνήμη (δηλαδή, το εύρος ζώνης μνήμης). Οι νέες αρχιτεκτονικές GPU ξεπερνούν αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας στοιβαγμένη μνήμη υψηλού εύρους ζώνης (HBM) που είναι εγκατεστημένη στον ίδιο ενδιάμεσο πυρήνα πυριτίου με δύο τσιπ GPU. Από την οπτική γωνία του πυριτίου, το πρόβλημα με το HBM είναι ότι κάθε bit επιφάνειας πυριτίου είναι διπλάσια από την παραδοσιακή DRAM λόγω της υψηλής παράλληλης διεπαφής που απαιτείται για υψηλό εύρος ζώνης. Το HBM ενσωματώνει επίσης ένα τσιπ λογικού ελέγχου σε κάθε στοίβα, αυξάνοντας την επιφάνεια πυριτίου. Ένας πρόχειρος υπολογισμός δείχνει ότι η επιφάνεια πυριτίου που χρησιμοποιείται στην αρχιτεκτονική GPU 2.5D είναι 2,5 έως 3 φορές μεγαλύτερη από την παραδοσιακή αρχιτεκτονική 2.0D. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, εκτός εάν οι εταιρείες χυτηρίου είναι προετοιμασμένες για αυτήν την αλλαγή, η χωρητικότητα των πλακιδίων πυριτίου μπορεί να γίνει ξανά πολύ περιορισμένη.

Μελλοντική δυναμικότητα της αγοράς πλακιδίων πυριτίου

Ο πρώτος από τους τρεις νόμους της κατασκευής ημιαγωγών είναι ότι τα περισσότερα χρήματα πρέπει να επενδυθούν όταν είναι διαθέσιμο το λιγότερο χρηματικό ποσό. Αυτό οφείλεται στην κυκλική φύση του κλάδου και οι εταιρείες ημιαγωγών δυσκολεύονται να ακολουθήσουν αυτόν τον κανόνα. Όπως φαίνεται στο σχήμα, οι περισσότεροι κατασκευαστές πλακιδίων πυριτίου έχουν αναγνωρίσει τον αντίκτυπο αυτής της αλλαγής και έχουν σχεδόν τριπλασιάσει τις συνολικές τριμηνιαίες κεφαλαιουχικές τους δαπάνες τα τελευταία τρίμηνα. Παρά τις δύσκολες συνθήκες της αγοράς, αυτό εξακολουθεί να ισχύει. Ακόμα πιο ενδιαφέρον είναι ότι αυτή η τάση συνεχίζεται εδώ και πολύ καιρό. Οι εταιρείες πλακιδίων πυριτίου είναι τυχερές ή γνωρίζουν κάτι που άλλοι δεν γνωρίζουν. Η αλυσίδα εφοδιασμού ημιαγωγών είναι μια χρονομηχανή που μπορεί να προβλέψει το μέλλον. Το μέλλον σας μπορεί να είναι το παρελθόν κάποιου άλλου. Ενώ δεν παίρνουμε πάντα απαντήσεις, σχεδόν πάντα λαμβάνουμε αξιόλογες ερωτήσεις.