Nel cuore della catena di approvvigionamento, alcuni maghi trasformano la sabbia in dischi di cristallo di silicio con una struttura a diamante perfetta, essenziali per l'intera filiera dei semiconduttori. Fanno parte di quella filiera che moltiplica 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 che possiede fragilità e 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 più comune nell'universo. Il silicio è un semiconduttore, ovvero possiede proprietà elettriche intermedie tra quelle dei conduttori (come il rame) e degli isolanti (come il vetro). Anche una piccola quantità di atomi estranei nella struttura del silicio può alterarne radicalmente il comportamento, pertanto la purezza del silicio di grado semiconduttore deve essere estremamente 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. L'acqua potabile di buona qualità può contenere 40 milioni di molecole non d'acqua, il che la rende 50 milioni di volte meno pura del silicio utilizzato nei semiconduttori.
I produttori di wafer di silicio vergine devono convertire il silicio ad alta purezza in strutture monocristalline perfette. Questo processo avviene introducendo un singolo cristallo madre nel silicio fuso alla temperatura appropriata. Man mano che nuovi cristalli secondari 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 sottilissime utilizzando un filo diamantato finissimo. La precisione degli strumenti per il taglio del silicio è altissima e gli operatori devono essere costantemente monitorati, altrimenti potrebbero iniziare a usarli per fare sciocchezze ai propri capelli. Questa breve introduzione alla produzione di wafer di silicio è troppo semplificata e non rende pienamente giustizia al contributo di questi geni; tuttavia, si spera che possa fornire un contesto 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. Da tempo, il mercato si trova 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, causando un aumento delle scorte interne ed esterne 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, ma potrebbe avere ripercussioni sui segmenti a basso valore aggiunto dell'industria dei semiconduttori.
Le architetture delle unità di elaborazione grafica (GPU) richiedono una maggiore area di silicio
Con l'aumento della domanda di prestazioni, i produttori di GPU devono superare alcuni limiti di progettazione per ottenere prestazioni superiori. Ovviamente, ingrandire il chip è un modo per raggiungere prestazioni maggiori, poiché gli elettroni non amano percorrere lunghe distanze tra chip diversi, il che limita le prestazioni. Tuttavia, esiste un limite pratico all'ingrandimento del chip, noto come "limite retina".
Il limite di litografia si riferisce alla dimensione massima di un chip che può essere esposto in un singolo passaggio in una macchina per litografia utilizzata nella produzione di semiconduttori. Questa limitazione è determinata dalla dimensione massima del campo magnetico dell'apparecchiatura di litografia, in particolare dello stepper o dello scanner utilizzati nel processo di litografia. 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 modellare completamente il wafer, 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 di dimensione delle particelle in un interstrato di silicio, formando un substrato super-limitato di particelle che è il doppio più grande. Altri limiti 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 memorie ad alta larghezza di banda (HBM) impilate, installate sullo stesso interposer di silicio insieme a due chip GPU. Dal punto di vista del silicio, il problema con le HBM è che ogni bit di area di silicio occupa il doppio rispetto alla DRAM tradizionale, a causa dell'interfaccia ad alta parallelizzazione necessaria per ottenere un'elevata larghezza di banda. Le HBM integrano inoltre un chip di controllo logico in ogni stack, aumentando ulteriormente 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 della tradizionale architettura 2.0D. Come accennato in precedenza, a meno che le fonderie non siano preparate a questo cambiamento, la capacità produttiva di 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 afferma che è necessario investire di più quando le risorse finanziarie sono più limitate. Ciò è dovuto alla natura ciclica del settore e le aziende produttrici di semiconduttori faticano a rispettare 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 proprie spese in conto capitale trimestrali negli ultimi trimestri. Nonostante le difficili condizioni di mercato, questa tendenza persiste. Ancora più interessante è il fatto che questo trend si protragga da tempo. Le aziende produttrici di wafer di silicio sono fortunate o sanno qualcosa che le altre ignorano. La catena di approvvigionamento dei semiconduttori è una macchina del tempo in grado di prevedere il futuro. Il tuo futuro potrebbe essere il passato di qualcun altro. Anche se non sempre otteniamo risposte, quasi sempre ci vengono poste domande pertinenti.
Data di pubblicazione: 17 giugno 2024