Tin tức trong ngành: GPU thúc đẩy nhu cầu về tấm silicon

Silicon là vật liệu phổ biến thứ hai trên Trái đất, sau oxy và là vật liệu phổ biến thứ bảy trong vũ trụ.Silicon là chất bán dẫn, nghĩa là nó có tính chất điện giữa chất dẫn điện (như đồng) và chất cách điện (như thủy tinh).Một lượng nhỏ nguyên tử lạ trong cấu trúc silicon có thể thay đổi cơ bản hành vi của nó, do đó độ tinh khiết của silicon cấp bán dẫn phải cao đáng kinh ngạc.Độ tinh khiết tối thiểu có thể chấp nhận được đối với silicon cấp điện tử là 99,999999%.

Điều này có nghĩa là cứ mười tỷ nguyên tử thì chỉ được phép có một nguyên tử không phải silicon.Nước uống tốt cho phép tạo ra 40 triệu phân tử không phải nước, kém tinh khiết hơn 50 triệu lần so với silicon loại bán dẫn.

Các nhà sản xuất tấm wafer silicon trống phải chuyển đổi silicon có độ tinh khiết cao thành cấu trúc đơn tinh thể hoàn hảo.Điều này được thực hiện bằng cách đưa một tinh thể mẹ vào silicon nóng chảy ở nhiệt độ thích hợp.Khi các tinh thể con mới bắt đầu phát triển xung quanh tinh thể mẹ, thỏi silicon từ từ hình thành từ silicon nóng chảy.Quá trình này diễn ra chậm và có thể mất một tuần.Thỏi silicon thành phẩm nặng khoảng 100 kg và có thể tạo ra hơn 3.000 tấm wafer.

Các tấm wafer được cắt thành lát mỏng bằng dây kim cương rất mịn.Độ chính xác của dụng cụ cắt silicon rất cao và người vận hành phải được theo dõi liên tục, nếu không họ sẽ bắt đầu sử dụng công cụ này để làm những điều ngớ ngẩn với mái tóc của mình.Phần giới thiệu ngắn gọn về quá trình sản xuất tấm silicon quá đơn giản và không ghi nhận đầy đủ sự đóng góp của các thiên tài;nhưng nó được hy vọng sẽ cung cấp nền tảng để hiểu sâu hơn về hoạt động kinh doanh tấm bán dẫn silicon.

Mối quan hệ cung cầu của tấm silicon

Thị trường wafer silicon bị chi phối bởi bốn công ty.Trong một thời gian dài, thị trường luôn trong tình trạng cân bằng mong manh giữa cung và cầu.
Doanh số bán dẫn sụt giảm trong năm 2023 đã khiến thị trường rơi vào tình trạng dư cung, khiến hàng tồn kho trong và ngoài của các nhà sản xuất chip tăng cao.Tuy nhiên, đây chỉ là tình trạng tạm thời.Khi thị trường phục hồi, ngành này sẽ sớm quay trở lại giới hạn công suất và phải đáp ứng nhu cầu bổ sung do cuộc cách mạng AI mang lại.Việc chuyển đổi từ kiến ​​trúc dựa trên CPU truyền thống sang điện toán tăng tốc sẽ có tác động đến toàn bộ ngành, tuy nhiên, điều này có thể có tác động đến các phân khúc giá trị thấp của ngành bán dẫn.

Kiến trúc Bộ xử lý đồ họa (GPU) yêu cầu nhiều diện tích silicon hơn

Khi nhu cầu về hiệu suất tăng lên, các nhà sản xuất GPU phải khắc phục một số hạn chế về thiết kế để đạt được hiệu suất cao hơn từ GPU.Rõ ràng, làm cho con chip lớn hơn là một cách để đạt được hiệu suất cao hơn, vì các electron không thích di chuyển khoảng cách xa giữa các con chip khác nhau, điều này làm hạn chế hiệu suất.Tuy nhiên, có một hạn chế thực tế trong việc làm cho con chip lớn hơn, được gọi là "giới hạn võng mạc".

Giới hạn in thạch bản đề cập đến kích thước tối đa của một con chip có thể được phơi sáng trong một bước duy nhất trong máy in thạch bản được sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn.Giới hạn này được xác định bởi kích thước từ trường tối đa của thiết bị in thạch bản, đặc biệt là máy bước hoặc máy quét được sử dụng trong quy trình in thạch bản.Đối với công nghệ mới nhất, giới hạn mặt nạ thường là khoảng 858 mm vuông.Giới hạn kích thước này rất quan trọng vì nó xác định diện tích tối đa có thể được tạo hình trên tấm bán dẫn trong một lần phơi sáng.Nếu tấm bán dẫn lớn hơn giới hạn này, thì sẽ cần phải phơi sáng nhiều lần để tạo mẫu hoàn chỉnh cho tấm bán dẫn, điều này không thực tế để sản xuất hàng loạt do những thách thức về độ phức tạp và căn chỉnh.GB200 mới sẽ khắc phục hạn chế này bằng cách kết hợp hai đế chip có giới hạn kích thước hạt thành một lớp xen kẽ silicon, tạo thành đế siêu hạt giới hạn có kích thước lớn gấp đôi.Các hạn chế về hiệu suất khác là dung lượng bộ nhớ và khoảng cách tới bộ nhớ đó (tức là băng thông bộ nhớ).Kiến trúc GPU mới khắc phục vấn đề này bằng cách sử dụng bộ nhớ băng thông cao (HBM) xếp chồng được cài đặt trên cùng một bộ chuyển đổi silicon với hai chip GPU.Từ góc độ silicon, vấn đề với HBM là mỗi bit diện tích silicon gấp đôi so với DRAM truyền thống do giao diện song song cao cần thiết cho băng thông cao.HBM còn tích hợp chip điều khiển logic vào mỗi ngăn xếp, giúp tăng diện tích silicon.Tính toán sơ bộ cho thấy diện tích silicon được sử dụng trong kiến ​​trúc GPU 2.5D gấp 2,5 đến 3 lần so với kiến ​​trúc 2.0D truyền thống.Như đã đề cập trước đó, trừ khi các công ty đúc sẵn sàng cho sự thay đổi này, công suất tấm bán dẫn silicon có thể lại trở nên khan hiếm.

Năng lực tương lai của thị trường wafer silicon

Quy luật đầu tiên trong ba quy luật sản xuất chất bán dẫn là cần phải đầu tư nhiều tiền nhất khi có ít tiền nhất.Điều này là do tính chất chu kỳ của ngành và các công ty bán dẫn gặp khó khăn trong việc tuân theo quy tắc này.Như thể hiện trong hình, hầu hết các nhà sản xuất tấm bán dẫn silicon đã nhận ra tác động của sự thay đổi này và đã tăng gần gấp ba tổng chi phí vốn hàng quý của họ trong vài quý vừa qua.Bất chấp điều kiện thị trường khó khăn, điều này vẫn xảy ra.Điều thú vị hơn nữa là xu hướng này đã diễn ra từ rất lâu.Các công ty sản xuất tấm bán dẫn silicon thật may mắn hoặc biết điều gì đó mà những công ty khác không biết.Chuỗi cung ứng chất bán dẫn là cỗ máy thời gian có thể dự đoán tương lai.Tương lai của bạn có thể là quá khứ của người khác.Mặc dù không phải lúc nào chúng ta cũng nhận được câu trả lời nhưng chúng ta hầu như luôn nhận được những câu hỏi có giá trị.