Tin tức 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 các đặc tính điện nằm giữa chất dẫn điện (như đồng) và chất cách điện (như thủy tinh). Một lượng nhỏ các nguyên tử lạ trong cấu trúc silicon có thể làm thay đổi cơ bản hành vi của nó, vì vậy độ tinh khiết của silicon dùng trong sản xuất bán dẫn phải cực kỳ cao. Độ tinh khiết tối thiểu chấp nhận được đối với silicon dùng trong điện tử là 99,999999%.

Điều này có nghĩa là cứ 10 tỷ nguyên tử thì chỉ được phép có một nguyên tử không phải silic. Nước uống đạt chuẩn cho phép có 40 triệu phân tử không phải nước, tức là độ tinh khiết thấp hơn 50 triệu lần so với silic dùng trong sản xuất chất bán dẫn.

Các nhà sản xuất tấm wafer silicon thô 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 duy nhất 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 sẽ dần 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 silicon được cắt thành những lát mỏng bằng dây kim cương rất mịn. Độ chính xác của các dụng cụ cắt silicon rất cao, và người vận hành phải được giám sát liên tục, nếu không họ sẽ bắt đầu sử dụng các dụng cụ để làm những việc ngớ ngẩn với tóc của mình. Phần giới thiệu ngắn gọn về sản xuất tấm silicon này quá đơn giản và không ghi nhận đầy đủ những đóng góp của các thiên tài; nhưng hy vọng nó sẽ cung cấp một nền tảng để hiểu sâu hơn về ngành kinh doanh tấm silicon.

Mối quan hệ cung cầu của tấm silicon

Thị trường tấm silicon bị chi phối bởi bốn công ty. Từ lâu, thị trường này luôn ở trong trạng thái cân bằng mong manh giữa cung và cầu.
Sự sụt giảm doanh số bán dẫn trong năm 2023 đã dẫn đến tình trạng dư cung trên thị trường, khiến lượng hàng tồn kho nội bộ và bên ngoài của các nhà sản xuất chip ở mức cao. Tuy nhiên, đây chỉ là tình trạng tạm thời. Khi thị trường phục hồi, ngành công nghiệp sẽ sớm quay trở lại trạng thái hoạt động quá tải và phải đáp ứng nhu cầu gia tăng do cuộc cách mạng trí tuệ nhân tạo (AI) mang lại. Sự chuyển đổi từ kiến ​​trúc dựa trên CPU truyền thống sang điện toán tăng tốc sẽ tác động đến toàn bộ ngành công nghiệp, và điều này có thể ảnh hưởng đến các phân khúc giá trị thấp của ngành công nghiệp bán dẫn.

Kiến trúc bộ xử lý đồ họa (GPU) đòi hỏi diện tích silicon lớn hơn.

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

Giới hạn quang khắc đề cập đến kích thước tối đa của một chip có thể được chiếu xạ trong một bước duy nhất trên máy quang khắc 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 quang khắc, đặc biệt là máy khắc bước hoặc máy quét được sử dụng trong quy trình quang khắc. Đối với công nghệ mới nhất, giới hạn mặt nạ thường vào 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 wafer trong một lần chiếu xạ. Nếu tấm wafer lớn hơn giới hạn này, sẽ cần nhiều lần chiếu xạ để tạo hình hoàn chỉnh trên tấm wafer, điều này không thực tế đối với sản xuất hàng loạt do độ phức tạp và những thách thức về căn chỉnh. GB200 mới sẽ khắc phục giới hạn này bằng cách kết hợp hai chất nền chip với giới hạn kích thước hạt vào một lớp silicon trung gian, tạo thành một chất nền siêu giới hạn hạt có kích thước gấp đôi. Các giới hạn hiệu năng khác là dung 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) xếp chồng được cài đặt trên cùng một bộ chuyển đổi silicon với hai chip GPU. Xét về khía cạnh silicon, vấn đề với HBM là mỗi bit diện tích silicon gấp đôi so với DRAM truyền thống do yêu cầu giao diện song song cao để đạt được băng thông lớn. HBM cũng tích hợp chip điều khiển logic vào mỗi chồng chip, làm tăng diện tích silicon. Một phép tính 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 sản xuất chip chuẩn bị cho sự thay đổi này, năng lực sản xuất wafer silicon có thể sẽ lại trở nên rất khan hiếm.

Năng lực sản xuất trong tương lai của thị trường tấm silicon

Nguyên tắc đầu tiên trong ba nguyên tắc của ngành sản xuất chất bán dẫn là cần đầu tư nhiều tiền nhất khi nguồn vốn sẵn có ít nhất. Điều này là do tính chất chu kỳ của ngành, và các công ty sản xuất chất bán dẫn rất khó tuân theo quy luật này. Như hình minh họa, hầu hết các nhà sản xuất tấm silicon đã nhận ra tác động của sự thay đổi này và đã tăng gần gấp ba tổng chi phí đầu tư vốn hàng quý trong vài quý gần đây. Bất chấp điều kiện thị trường khó khăn, tình hình vẫn tiếp diễn. Điều thú vị hơn nữa là xu hướng này đã diễn ra trong một thời gian dài. Các công ty sản xuất tấm silicon may mắn hoặc biết điều gì đó mà người khác không biết. Chuỗi cung ứng chất 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 ta không phải lúc nào cũng nhận được câu trả lời, nhưng hầu như luôn có những câu hỏi đáng giá.