Tief in der Lieferkette verwandeln einige Zauberer Sand in perfekte Siliziumkristallscheiben mit Diamantstruktur, die für die gesamte Halbleiterlieferkette von entscheidender Bedeutung sind.Sie sind Teil der Halbleiter-Lieferkette, die den Wert von „Siliziumsand“ um fast das Tausendfache steigert.Das schwache Leuchten, das Sie am Strand sehen, ist Silikon.Silizium ist ein komplexer Kristall mit Sprödigkeit und feststoffartigem Metall (metallische und nichtmetallische Eigenschaften).Silizium ist überall.
Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Material auf der Erde und das siebthäufigste Material im Universum.Silizium ist ein Halbleiter, das heißt, es verfügt über elektrische Eigenschaften zwischen Leitern (z. B. Kupfer) und Isolatoren (z. B. Glas).Eine kleine Menge Fremdatome in der Siliziumstruktur kann ihr Verhalten grundlegend verändern, daher muss die Reinheit von Silizium in Halbleiterqualität erstaunlich hoch sein.Die akzeptable Mindestreinheit für Silizium in Elektronikqualität beträgt 99,999999 %.
Das bedeutet, dass auf zehn Milliarden Atome nur ein Nicht-Silizium-Atom kommen darf.Gutes Trinkwasser ermöglicht die Aufnahme von 40 Millionen Nichtwassermolekülen, was 50 Millionen Mal weniger rein ist als Silizium in Halbleiterqualität.
Hersteller von Rohsiliziumwafern müssen hochreines Silizium in perfekte Einkristallstrukturen umwandeln.Dies geschieht durch Einbringen eines einzelnen Mutterkristalls in geschmolzenes Silizium bei der entsprechenden Temperatur.Während um den Mutterkristall herum neue Tochterkristalle zu wachsen beginnen, bildet sich aus dem geschmolzenen Silizium langsam der Siliziumbarren.Der Vorgang ist langsam und kann eine Woche dauern.Der fertige Siliziumblock wiegt etwa 100 Kilogramm und kann zu über 3.000 Wafern verarbeitet werden.
Die Waffeln werden mit sehr feinem Diamantdraht in dünne Scheiben geschnitten.Die Präzision der Silikon-Schneidwerkzeuge ist sehr hoch und die Bediener müssen ständig überwacht werden, sonst beginnen sie, mit den Werkzeugen dumme Dinge mit ihren Haaren zu machen.Die kurze Einführung in die Herstellung von Siliziumwafern ist zu vereinfacht und berücksichtigt die Beiträge der Genies nicht in vollem Umfang;Es besteht jedoch die Hoffnung, Hintergrundinformationen für ein tieferes Verständnis des Siliziumwafergeschäfts zu liefern.
Das Verhältnis von Angebot und Nachfrage von Siliziumwafern
Der Siliziumwafermarkt wird von vier Unternehmen dominiert.Der Markt befand sich seit langem in einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage.
Der Rückgang der Halbleiterverkäufe im Jahr 2023 hat zu einem Überangebot auf dem Markt geführt, was zu hohen internen und externen Lagerbeständen der Chiphersteller geführt hat.Dies ist jedoch nur eine vorübergehende Situation.Wenn sich der Markt erholt, wird die Branche bald wieder an den Rand ihrer Kapazitäten gelangen und muss die zusätzliche Nachfrage befriedigen, die durch die KI-Revolution entsteht.Der Übergang von der traditionellen CPU-basierten Architektur zum beschleunigten Computing wird Auswirkungen auf die gesamte Branche haben, jedoch möglicherweise auch auf die geringwertigen Segmente der Halbleiterindustrie.
GPU-Architekturen (Graphics Processing Unit) benötigen mehr Siliziumfläche
Da der Leistungsbedarf steigt, müssen GPU-Hersteller einige Designeinschränkungen überwinden, um eine höhere Leistung der GPUs zu erzielen.Offensichtlich ist die Vergrößerung des Chips eine Möglichkeit, eine höhere Leistung zu erzielen, da Elektronen nicht gerne lange Distanzen zwischen verschiedenen Chips zurücklegen, was die Leistung einschränkt.Es gibt jedoch eine praktische Einschränkung bei der Vergrößerung des Chips, die sogenannte „Retina-Grenze“.
Die Lithographiegrenze bezieht sich auf die maximale Größe eines Chips, die in einem einzigen Schritt in einer Lithographiemaschine belichtet werden kann, die in der Halbleiterfertigung eingesetzt wird.Diese Einschränkung wird durch die maximale Magnetfeldgröße der Lithographieausrüstung bestimmt, insbesondere des im Lithographieprozess verwendeten Steppers oder Scanners.Bei der neuesten Technologie liegt die Maskengrenze normalerweise bei etwa 858 Quadratmillimetern.Diese Größenbeschränkung ist sehr wichtig, da sie die maximale Fläche bestimmt, die in einer einzigen Belichtung auf dem Wafer strukturiert werden kann.Wenn der Wafer größer als diese Grenze ist, sind mehrere Belichtungen erforderlich, um den Wafer vollständig zu strukturieren, was für die Massenproduktion aufgrund der Komplexität und der Herausforderungen bei der Ausrichtung unpraktisch ist.Der neue GB200 wird diese Einschränkung überwinden, indem er zwei Chip-Substrate mit Partikelgrößenbeschränkungen in einer Silizium-Zwischenschicht kombiniert und so ein Superpartikel-begrenztes Substrat bildet, das doppelt so groß ist.Weitere Leistungseinschränkungen sind die Größe des Speichers und die Entfernung zu diesem Speicher (dh die Speicherbandbreite).Neue GPU-Architekturen überwinden dieses Problem, indem sie gestapelten Speicher mit hoher Bandbreite (HBM) verwenden, der auf demselben Silizium-Interposer wie zwei GPU-Chips installiert ist.Aus Siliziumsicht besteht das Problem bei HBM darin, dass jedes Bit Siliziumfläche doppelt so groß ist wie bei herkömmlichem DRAM, da für eine hohe Bandbreite eine hochparallele Schnittstelle erforderlich ist.HBM integriert außerdem einen Logiksteuerungschip in jeden Stapel, wodurch die Siliziumfläche vergrößert wird.Eine grobe Berechnung zeigt, dass die in der 2,5D-GPU-Architektur genutzte Siliziumfläche 2,5- bis 3-mal so groß ist wie die der herkömmlichen 2,0D-Architektur.Wie bereits erwähnt, könnten die Kapazitäten für Siliziumwafer wieder sehr knapp werden, wenn die Gießereiunternehmen nicht auf diese Änderung vorbereitet sind.
Zukünftige Kapazität des Siliziumwafermarktes
Das erste der drei Gesetze der Halbleiterfertigung besagt, dass das meiste Geld investiert werden muss, wenn am wenigsten Geld zur Verfügung steht.Dies ist auf die zyklische Natur der Branche zurückzuführen, und Halbleiterunternehmen haben Schwierigkeiten, dieser Regel zu folgen.Wie die Abbildung zeigt, haben die meisten Siliziumwaferhersteller die Auswirkungen dieser Änderung erkannt und ihre gesamten vierteljährlichen Investitionsausgaben in den letzten Quartalen fast verdreifacht.Trotz der schwierigen Marktbedingungen ist dies immer noch der Fall.Noch interessanter ist, dass dieser Trend schon seit langem anhält.Siliziumwafer-Unternehmen haben Glück oder wissen etwas, was andere nicht wissen.Die Halbleiterlieferkette ist eine Zeitmaschine, die die Zukunft vorhersagen kann.Ihre Zukunft könnte die Vergangenheit eines anderen sein.Obwohl wir nicht immer Antworten bekommen, bekommen wir fast immer wertvolle Fragen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 17. Juni 2024