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

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

Điều này có nghĩa là chỉ có một nguyên tử không silicon được phép cho mỗi mười tỷ nguyên tử. Nước uống tốt cho phép 40 triệu phân tử không nước, ít tinh khiết hơn 50 triệu lần so với silicon cấp bán dẫn.

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

Các tấm wafer được cắt thành những lát mỏng bằng dây kim cương rất mịn. Độ chính xác của các công cụ cắt silicon rất cao và các nhà khai thác phải được theo dõi liên tục, hoặc chúng sẽ bắt đầu sử dụng các công cụ để làm những việc ngớ ngẩn với tóc của họ. Giới thiệu ngắn gọn về việc sản xuất các tấm silicon quá đơn giản và không hoàn toàn ghi nhận những đóng góp của các thiên tài; Nhưng người ta hy vọng sẽ cung cấp một nền tảng cho sự hiểu biết sâu sắc hơn về hoạt động kinh doanh silicon wafer.

Mối quan hệ cung và cầu của các tấm silicon

Thị trường Silicon Wafer bị chi phối bởi bốn công ty. Trong một thời gian dài, thị trường đã có sự cân bằng tinh tế giữa cung và cầu.
Sự suy giảm doanh số bán dẫn vào năm 2023 đã khiến thị trường ở trong tình trạng cung cấp quá mức, khiến hàng tồn kho bên trong và bên ngoài của các nhà sản xuất chip phải cao. Tuy nhiên, đây chỉ là một tình huống tạm thời. Khi thị trường phục hồi, ngành công nghiệp sẽ sớm trở lại lợi thế của năng lực 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 tính toán tăng tốc sẽ có tác động đến toàn bộ ngành công nghiệp, tuy nhiên, điều này có thể có tác động đến các phân khúc giá trị thấp của ngành công nghiệp bán dẫn.

Kiến trúc đơn vị xử lý đồ họa (GPU) yêu cầu nhiều khu vực silicon hơn

Khi nhu cầu về hiệu suất tăng lên, các nhà sản xuất GPU phải vượt qua một số hạn chế thiết kế để đạt được hiệu suất cao hơn từ GPU. Rõ ràng, làm cho 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 chip khác nhau, điều này hạn chế hiệu suất. Tuy nhiên, có một giới hạn thực tế để làm cho 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 bày trong một bước duy nhất trong một 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 bước hoặc máy quét được sử dụng trong quá 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 là rất quan trọng vì nó xác định diện tích tối đa có thể được mô hình hóa trên wafer trong một lần phơi sáng. Nếu wafer lớn hơn giới hạn này, sẽ cần nhiều phơi nhiễm để mô hình đầy đủ wafer, điều này không thực tế cho sản xuất hàng loạt do các thách thức phức tạp và căn chỉnh. GB200 mới sẽ khắc phục giới hạn này bằng cách kết hợp hai chất nền chip với các giới hạn kích thước hạt vào một lớp silicon, tạo thành một chất nền bị giới hạn siêu nhỏ gấp đôi. Các giới hạn hiệu suất khác là lượng bộ nhớ và khoảng cách đến bộ nhớ đó (tức là băng thông bộ nhớ). Các kiến ​​trúc GPU mới khắc phục vấn đề này bằng cách sử dụng bộ nhớ băng thông cao (HBM) được cài đặt trên cùng một bộ giao thông silicon với hai chip GPU. Từ góc độ silicon, vấn đề với HBM là mỗi bit diện tích silicon gấp đôi so với bộ phim truyền thống do giao diện song song cao cần thiết cho băng thông cao. HBM cũng tích hợp chip điều khiển logic vào mỗi ngăn xếp, tăng diện tích silicon. Một tính toán sơ bộ cho thấy diện tích silicon được sử dụng trong kiến ​​trúc GPU 2,5D là 2,5 đến 3 lần so với kiến ​​trúc 2.0D truyền thống. Như đã đề cập trước đó, trừ khi các công ty Foundry được chuẩn bị cho sự thay đổi này, dung lượng wafer silicon có thể trở nên rất chặt chẽ trở lại.

Năng lực trong tương lai của thị trường wafer silicon

Đầu tiên trong ba định luật sản xuất chất bán dẫn là cần phải đầu tư nhiều tiền nhất khi có số tiền ít nhất có sẵn. Điều này là do bản chất theo chu kỳ của ngành và các công ty bán dẫn có một thời gian khó khăn theo quy tắc này. Như thể hiện trong hình, hầu hết các nhà sản xuất wafer silicon đã nhận ra tác động của sự thay đổi này và gần như tăng gấp ba lần tổng chi phí vốn hàng quý của họ trong vài quý vừa qua. Mặc dù điều kiện thị trường khó khăn, đây vẫn là trường hợp. Điều thú vị hơn nữa là xu hướng này đã diễn ra trong một thời gian dài. Các công ty wafer silicon may mắn hoặc biết điều gì đó mà người khác không làm. Chuỗi cung ứng bán dẫn là một cỗ máy thời gian có thể dự đoán tương lai. Tương lai của bạn có thể là quá khứ của người khác. Mặc dù chúng tôi không luôn nhận được câu trả lời, nhưng chúng tôi hầu như luôn nhận được những câu hỏi đáng giá.