در اعماق زنجیره تأمین، برخی جادوگران شن را به دیسک‌های کریستالی سیلیکونی با ساختار الماس بی‌نقص تبدیل می‌کنند که برای کل زنجیره تأمین نیمه‌هادی ضروری هستند. آن‌ها بخشی از زنجیره تأمین نیمه‌هادی هستند که ارزش «شن سیلیکونی» را تقریباً هزار برابر افزایش می‌دهند. درخشش کم‌نوری که در ساحل می‌بینید، سیلیکون است. سیلیکون یک کریستال پیچیده با شکنندگی و فلز جامد مانند (خواص فلزی و غیرفلزی) است. سیلیکون همه جا هست.
سیلیکون دومین ماده رایج روی زمین، پس از اکسیژن، و هفتمین ماده رایج در جهان است. سیلیکون یک نیمه‌رسانا است، به این معنی که خواص الکتریکی آن بین رساناها (مانند مس) و عایق‌ها (مانند شیشه) است. مقدار کمی اتم خارجی در ساختار سیلیکون می‌تواند رفتار آن را اساساً تغییر دهد، بنابراین خلوص سیلیکون درجه نیمه‌رسانا باید به طرز شگفت‌آوری بالا باشد. حداقل خلوص قابل قبول برای سیلیکون درجه الکترونیکی ۹۹.۹۹۹۹۹۹٪ است.
این بدان معناست که برای هر ده میلیارد اتم، تنها یک اتم غیر سیلیکونی مجاز است. آب آشامیدنی خوب، ۴۰ میلیون مولکول غیر آب را مجاز می‌داند که ۵۰ میلیون برابر کمتر از سیلیکون نیمه‌رسانا خالص است.
تولیدکنندگان ویفر سیلیکونی خام باید سیلیکون با خلوص بالا را به ساختارهای تک کریستالی کامل تبدیل کنند. این کار با وارد کردن یک کریستال مادر به سیلیکون مذاب در دمای مناسب انجام می‌شود. با شروع رشد کریستال‌های دختر جدید در اطراف کریستال مادر، شمش سیلیکون به آرامی از سیلیکون مذاب تشکیل می‌شود. این فرآیند کند است و ممکن است یک هفته طول بکشد. شمش سیلیکون نهایی حدود ۱۰۰ کیلوگرم وزن دارد و می‌تواند بیش از ۳۰۰۰ ویفر بسازد.
ویفرها با استفاده از سیم الماس بسیار ظریف به برش‌های نازک بریده می‌شوند. دقت ابزارهای برش سیلیکونی بسیار بالاست و اپراتورها باید دائماً تحت نظر باشند، در غیر این صورت شروع به استفاده از ابزارها برای انجام کارهای احمقانه با موهای خود خواهند کرد. مقدمه مختصر در مورد تولید ویفرهای سیلیکونی بیش از حد ساده شده است و به طور کامل به سهم نوابغ اعتبار نمی‌دهد؛ اما امید است زمینه‌ای برای درک عمیق‌تر از تجارت ویفر سیلیکونی فراهم کند.
رابطه عرضه و تقاضای ویفرهای سیلیکونی
بازار ویفر سیلیکونی تحت سلطه چهار شرکت است. مدت‌هاست که این بازار در تعادلی ظریف بین عرضه و تقاضا قرار دارد.
کاهش فروش نیمه‌هادی‌ها در سال ۲۰۲۳ باعث شده است که بازار در وضعیت مازاد عرضه قرار گیرد و موجودی داخلی و خارجی تولیدکنندگان تراشه بالا باشد. با این حال، این فقط یک وضعیت موقت است. با بهبود بازار، صنعت به زودی به مرز ظرفیت خود باز خواهد گشت و باید تقاضای اضافی ناشی از انقلاب هوش مصنوعی را برآورده کند. گذار از معماری سنتی مبتنی بر CPU به محاسبات شتاب‌یافته بر کل صنعت تأثیر خواهد گذاشت، زیرا با این حال، این ممکن است بر بخش‌های کم‌ارزش صنعت نیمه‌هادی تأثیر بگذارد.
معماری واحد پردازش گرافیکی (GPU) به مساحت سیلیکون بیشتری نیاز دارد
با افزایش تقاضا برای عملکرد، تولیدکنندگان پردازنده‌های گرافیکی (GPU) باید بر برخی محدودیت‌های طراحی غلبه کنند تا به عملکرد بالاتری از پردازنده‌های گرافیکی (GPU) دست یابند. بدیهی است که بزرگتر کردن تراشه یکی از راه‌های دستیابی به عملکرد بالاتر است، زیرا الکترون‌ها دوست ندارند مسافت‌های طولانی بین تراشه‌های مختلف را طی کنند و این باعث محدود شدن عملکرد می‌شود. با این حال، یک محدودیت عملی برای بزرگتر کردن تراشه وجود دارد که به عنوان "حد شبکیه" شناخته می‌شود.
حد لیتوگرافی به حداکثر اندازه تراشه‌ای اشاره دارد که می‌تواند در یک مرحله در دستگاه لیتوگرافی مورد استفاده در تولید نیمه‌هادی‌ها، در معرض نور قرار گیرد. این محدودیت با حداکثر اندازه میدان مغناطیسی تجهیزات لیتوگرافی، به ویژه استپر یا اسکنر مورد استفاده در فرآیند لیتوگرافی، تعیین می‌شود. برای جدیدترین فناوری، حد ماسک معمولاً حدود ۸۵۸ میلی‌متر مربع است. این محدودیت اندازه بسیار مهم است زیرا حداکثر مساحتی را که می‌توان در یک نوردهی واحد روی ویفر الگوبرداری کرد، تعیین می‌کند. اگر ویفر بزرگتر از این حد باشد، برای الگوبرداری کامل ویفر، به چندین نوردهی نیاز خواهد بود که به دلیل پیچیدگی و چالش‌های ترازبندی برای تولید انبوه غیرعملی است. GB200 جدید با ترکیب دو زیرلایه تراشه با محدودیت‌های اندازه ذرات در یک لایه میانی سیلیکونی، بر این محدودیت غلبه خواهد کرد و یک زیرلایه با محدودیت فوق ذره‌ای تشکیل می‌دهد که دو برابر بزرگتر است. سایر محدودیت‌های عملکرد، میزان حافظه و فاصله تا آن حافظه (یعنی پهنای باند حافظه) است. معماری‌های جدید GPU با استفاده از حافظه پهنای باند بالا (HBM) انباشته شده که روی یک اینترپوزر سیلیکونی با دو تراشه GPU نصب می‌شود، بر این مشکل غلبه می‌کنند. از دیدگاه سیلیکون، مشکل HBM این است که به دلیل رابط موازی بالا که برای پهنای باند بالا مورد نیاز است، هر بیت از مساحت سیلیکون دو برابر DRAM سنتی است. HBM همچنین یک تراشه کنترل منطقی را در هر پشته ادغام می‌کند و مساحت سیلیکون را افزایش می‌دهد. یک محاسبه تقریبی نشان می‌دهد که مساحت سیلیکون مورد استفاده در معماری GPU 2.5D، 2.5 تا 3 برابر معماری سنتی 2.0D است. همانطور که قبلاً ذکر شد، مگر اینکه شرکت‌های ریخته‌گری برای این تغییر آماده باشند، ظرفیت ویفر سیلیکونی ممکن است دوباره بسیار محدود شود.
ظرفیت آینده بازار ویفر سیلیکونی
اولین قانون از سه قانون تولید نیمه‌رساناها این است که بیشترین پول باید زمانی سرمایه‌گذاری شود که کمترین مقدار پول در دسترس باشد. این به دلیل ماهیت چرخه‌ای این صنعت است و شرکت‌های نیمه‌رسانا در پیروی از این قانون با مشکل مواجه هستند. همانطور که در شکل نشان داده شده است، اکثر تولیدکنندگان ویفر سیلیکونی تأثیر این تغییر را تشخیص داده‌اند و تقریباً کل هزینه‌های سرمایه‌ای سه‌ماهه خود را در چند فصل گذشته سه برابر کرده‌اند. با وجود شرایط دشوار بازار، این وضعیت هنوز هم ادامه دارد. نکته جالب‌تر این است که این روند مدت‌هاست که ادامه داشته است. شرکت‌های ویفر سیلیکونی خوش‌شانس هستند یا چیزی می‌دانند که دیگران نمی‌دانند. زنجیره تأمین نیمه‌رساناها یک ماشین زمان است که می‌تواند آینده را پیش‌بینی کند. آینده شما ممکن است گذشته شخص دیگری باشد. در حالی که ما همیشه به پاسخ‌ها نمی‌رسیم، تقریباً همیشه سوالات ارزشمندی دریافت می‌کنیم.
زمان ارسال: ۱۷ ژوئن ۲۰۲۴