Nel profondo della catena di fornitura, alcuni maghi trasformano la sabbia in perfetti dischi di cristallo di silicio con una struttura simile al diamante, essenziali per l'intera catena di fornitura dei semiconduttori. Fanno parte della catena di fornitura dei semiconduttori che aumenta il valore della "sabbia di silicio" di quasi mille volte. Il debole bagliore che si vede sulla spiaggia è silicio. Il silicio è un cristallo complesso con fragilità e proprietà simili a quelle di un metallo solido (proprietà metalliche e non metalliche). Il silicio è ovunque.
Il silicio è il secondo materiale più comune sulla Terra, dopo l'ossigeno, e il settimo materiale più comune nell'universo. Il silicio è un semiconduttore, il che significa che presenta proprietà elettriche intermedie tra conduttori (come il rame) e isolanti (come il vetro). Una piccola quantità di atomi estranei nella struttura del silicio può alterarne radicalmente il comportamento, quindi la purezza del silicio di grado semiconduttore deve essere incredibilmente elevata. La purezza minima accettabile per il silicio di grado elettronico è del 99,999999%.
Ciò significa che è consentito un solo atomo non di silicio ogni dieci miliardi di atomi. Un'acqua potabile di buona qualità contiene 40 milioni di molecole non d'acqua, ovvero 50 milioni di volte meno pure del silicio di grado semiconduttore.
I produttori di wafer di silicio grezzi devono convertire il silicio ad alta purezza in strutture monocristalline perfette. Ciò avviene introducendo un singolo cristallo madre nel silicio fuso alla temperatura appropriata. Man mano che nuovi cristalli figli iniziano a crescere attorno al cristallo madre, il lingotto di silicio si forma lentamente dal silicio fuso. Il processo è lento e può richiedere una settimana. Il lingotto di silicio finito pesa circa 100 chilogrammi e può produrre oltre 3.000 wafer.
I wafer vengono tagliati in fette sottili utilizzando un filo diamantato molto sottile. La precisione degli utensili da taglio in silicio è elevatissima e gli operatori devono essere costantemente monitorati, altrimenti inizieranno a usarli per fare cose assurde ai propri capelli. La breve introduzione alla produzione di wafer di silicio è troppo semplificata e non valorizza appieno i contributi dei geni; si spera tuttavia di fornire le basi per una comprensione più approfondita del settore dei wafer di silicio.
Il rapporto tra domanda e offerta di wafer di silicio
Il mercato dei wafer di silicio è dominato da quattro aziende. Per lungo tempo, il mercato è stato in un delicato equilibrio tra domanda e offerta.
Il calo delle vendite di semiconduttori nel 2023 ha portato il mercato a una situazione di eccesso di offerta, con conseguenti elevati inventari interni ed esterni dei produttori di chip. Tuttavia, si tratta solo di una situazione temporanea. Con la ripresa del mercato, il settore tornerà presto al limite della sua capacità produttiva e dovrà soddisfare la domanda aggiuntiva generata dalla rivoluzione dell'intelligenza artificiale. La transizione dall'architettura tradizionale basata su CPU al calcolo accelerato avrà un impatto sull'intero settore, poiché ciò potrebbe avere un impatto sui segmenti a basso valore dell'industria dei semiconduttori.
Le architetture delle unità di elaborazione grafica (GPU) richiedono più area di silicio
Con l'aumento della domanda di prestazioni, i produttori di GPU devono superare alcune limitazioni di progettazione per ottenere prestazioni più elevate. Ovviamente, aumentare le dimensioni del chip è un modo per ottenere prestazioni più elevate, poiché gli elettroni non amano percorrere lunghe distanze tra i diversi chip, il che ne limita le prestazioni. Tuttavia, esiste un limite pratico alle dimensioni del chip, noto come "limite retina".
Il limite litografico si riferisce alla dimensione massima di un chip che può essere esposto in un singolo passaggio in una macchina litografica utilizzata nella produzione di semiconduttori. Questa limitazione è determinata dalla dimensione massima del campo magnetico dell'apparecchiatura litografica, in particolare dello stepper o dello scanner utilizzato nel processo. Per le tecnologie più recenti, il limite della maschera è solitamente di circa 858 millimetri quadrati. Questa limitazione dimensionale è molto importante perché determina l'area massima che può essere modellata sul wafer in una singola esposizione. Se il wafer è più grande di questo limite, saranno necessarie più esposizioni per modellarlo completamente, il che è impraticabile per la produzione di massa a causa della complessità e delle difficoltà di allineamento. Il nuovo GB200 supererà questa limitazione combinando due substrati di chip con limitazioni dimensionali delle particelle in un interstrato di silicio, formando un substrato con limitazioni di superparticelle di dimensioni doppie. Altre limitazioni prestazionali sono la quantità di memoria e la distanza da tale memoria (ovvero la larghezza di banda della memoria). Le nuove architetture GPU superano questo problema utilizzando memoria a banda larga (HBM) impilata, installata sullo stesso interposer di silicio con due chip GPU. Dal punto di vista del silicio, il problema con l'HBM è che ogni bit di silicio occupa il doppio dell'area di una DRAM tradizionale, a causa dell'interfaccia ad alta parallelità richiesta per un'elevata larghezza di banda. L'HBM integra inoltre un chip di controllo logico in ogni stack, aumentando l'area di silicio. Un calcolo approssimativo mostra che l'area di silicio utilizzata nell'architettura GPU 2.5D è da 2,5 a 3 volte superiore a quella dell'architettura 2.0D tradizionale. Come accennato in precedenza, a meno che le aziende produttrici di chip non siano preparate a questo cambiamento, la capacità dei wafer di silicio potrebbe tornare a essere molto limitata.
Capacità futura del mercato dei wafer di silicio
La prima delle tre leggi della produzione di semiconduttori è che è necessario investire il massimo quando la quantità disponibile è minima. Ciò è dovuto alla natura ciclica del settore, e le aziende produttrici di semiconduttori hanno difficoltà a seguire questa regola. Come mostrato in figura, la maggior parte dei produttori di wafer di silicio ha riconosciuto l'impatto di questo cambiamento e ha quasi triplicato le spese in conto capitale trimestrali totali negli ultimi trimestri. Nonostante le difficili condizioni di mercato, questo è ancora vero. Ciò che è ancora più interessante è che questa tendenza è in atto da molto tempo. Le aziende produttrici di wafer di silicio sono fortunate o sanno qualcosa che gli altri ignorano. La catena di fornitura dei semiconduttori è una macchina del tempo in grado di predire il futuro. Il tuo futuro potrebbe essere il passato di qualcun altro. Anche se non sempre riceviamo risposte, quasi sempre riceviamo domande utili.
Data di pubblicazione: 17-06-2024