Branchennews: GPUs treiben die Nachfrage nach Siliziumwafern an

Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element auf der Erde und das siebthäufigste im Universum. Es ist ein Halbleiter, d. h. seine elektrischen Eigenschaften liegen zwischen denen von Leitern (wie Kupfer) und Isolatoren (wie Glas). Schon geringe Mengen fremder Atome in der Siliziumstruktur können sein Verhalten grundlegend verändern. Daher muss die Reinheit von Silizium in Halbleiterqualität extrem hoch sein. Die Mindestreinheit für Silizium in Elektronikqualität beträgt 99,999999 %.

Das bedeutet, dass nur ein Nicht-Silizium-Atom pro zehn Milliarden Atome zulässig ist. Gutes Trinkwasser enthält 40 Millionen Nicht-Wasser-Moleküle und ist damit 50 Millionen Mal weniger rein als Silizium in Halbleiterqualität.

Hersteller von Siliziumwafern müssen hochreines Silizium in perfekte Einkristallstrukturen umwandeln. Dies geschieht, indem ein einzelner Mutterkristall in geschmolzenes Silizium bei der entsprechenden Temperatur eingebracht wird. Während neue Tochterkristalle um den Mutterkristall herum wachsen, formt sich langsam aus dem geschmolzenen Silizium der Siliziumblock. Dieser Prozess ist langsam und kann bis zu einer Woche dauern. Der fertige Siliziumblock wiegt etwa 100 Kilogramm und kann zur Herstellung von über 3.000 Wafern verwendet werden.

Die Wafer werden mit feinstem Diamantdraht in dünne Scheiben geschnitten. Die Präzision der Silizium-Schneidwerkzeuge ist sehr hoch, und die Bediener müssen ständig überwacht werden, sonst fangen sie an, die Werkzeuge für allerlei Unsinn zu benutzen. Die kurze Einführung in die Siliziumwafer-Produktion ist zu vereinfacht und würdigt die Leistungen der Experten nicht ausreichend; sie soll aber ein besseres Verständnis der Siliziumwafer-Branche ermöglichen.

Das Angebots- und Nachfrageverhältnis von Siliziumwafern

Der Markt für Siliziumwafer wird von vier Unternehmen dominiert. Lange Zeit herrschte auf dem Markt ein fragiles Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage.
Der Rückgang der Halbleiterverkäufe im Jahr 2023 hat zu einem Überangebot am Markt geführt, wodurch die internen und externen Lagerbestände der Chiphersteller hoch sind. Dies ist jedoch nur eine vorübergehende Situation. Mit der Markterholung wird die Branche bald wieder an ihre Kapazitätsgrenzen stoßen und die durch die KI-Revolution entstehende zusätzliche Nachfrage decken müssen. Der Übergang von der traditionellen CPU-basierten Architektur zu beschleunigtem Rechnen wird die gesamte Branche beeinflussen. Dies könnte sich jedoch insbesondere auf die margenschwachen Segmente der Halbleiterindustrie auswirken.

Grafikprozessoren (GPUs) benötigen mehr Siliziumfläche.

Mit steigenden Leistungsanforderungen müssen GPU-Hersteller einige Designbeschränkungen überwinden, um höhere GPU-Leistungen zu erzielen. Eine Möglichkeit hierfür ist die Vergrößerung des Chips, da Elektronen nur ungern lange Strecken zwischen verschiedenen Chips zurücklegen, was die Leistung begrenzt. Allerdings stößt die Vergrößerung des Chips an eine praktische Grenze, die als „Retina-Grenze“ bekannt ist.

Die Lithografiegrenze bezeichnet die maximale Chipgröße, die in einem einzigen Belichtungsschritt einer Lithografieanlage in der Halbleiterfertigung belichtet werden kann. Diese Grenze wird durch die maximale Magnetfeldstärke der Lithografieanlage, insbesondere des im Lithografieprozess verwendeten Steppers oder Scanners, bestimmt. Bei der neuesten Technologie liegt die Maskengrenze üblicherweise bei etwa 858 Quadratmillimetern. Diese Größenbegrenzung ist von großer Bedeutung, da sie die maximale Fläche bestimmt, die in einer einzigen Belichtung auf dem Wafer strukturiert werden kann. Ist der Wafer größer als diese Grenze, sind mehrere Belichtungen erforderlich, um ihn vollständig zu strukturieren. Dies ist aufgrund der Komplexität und der Ausrichtungsschwierigkeiten für die Massenproduktion unpraktisch. Der neue GB200 überwindet diese Grenze, indem er zwei Chipsubstrate mit Partikelgrößenbeschränkungen in einer Silizium-Zwischenschicht kombiniert. Dadurch entsteht ein Substrat mit superpartikelbegrenzter Struktur, das doppelt so groß ist. Weitere Leistungsbeschränkungen sind die Speicherkapazität und die Entfernung zu diesem Speicher (d. h. die Speicherbandbreite). Neuere GPU-Architekturen lösen dieses Problem durch die Verwendung von gestapeltem High-Bandwidth Memory (HBM), das auf demselben Silizium-Interposer wie zwei GPU-Chips installiert ist. Aus Siliziumperspektive besteht das Problem bei HBM darin, dass jedes Bit aufgrund der für die hohe Bandbreite erforderlichen hochparallelen Schnittstelle die doppelte Siliziumfläche herkömmlicher DRAMs benötigt. HBM integriert zudem einen Logik-Steuerchip in jeden Stack, was die Siliziumfläche weiter erhöht. Eine grobe Berechnung zeigt, dass die in der 2,5D-GPU-Architektur verwendete Siliziumfläche 2,5- bis 3-mal so groß ist wie die der herkömmlichen 2,0D-Architektur. Wie bereits erwähnt, könnten die Kapazitäten für Siliziumwafer erneut stark ansteigen, falls die Foundry-Unternehmen nicht auf diese Umstellung vorbereitet sind.

Zukünftige Kapazität des Siliziumwafer-Marktes

Das erste der drei Gesetze der Halbleiterfertigung besagt, dass am meisten investiert werden muss, wenn am wenigsten Kapital zur Verfügung steht. Dies liegt an der zyklischen Natur der Branche, und Halbleiterunternehmen tun sich schwer, diese Regel zu befolgen. Wie die Abbildung zeigt, haben die meisten Siliziumwafer-Hersteller die Auswirkungen dieser Veränderung erkannt und ihre gesamten vierteljährlichen Investitionsausgaben in den letzten Quartalen fast verdreifacht. Trotz der schwierigen Marktbedingungen gilt dies weiterhin. Noch interessanter ist, dass dieser Trend schon lange anhält. Siliziumwafer-Unternehmen haben Glück oder wissen etwas, was anderen verborgen bleibt. Die Halbleiterlieferkette ist eine Zeitmaschine, die die Zukunft vorhersagen kann. Ihre Zukunft mag die Vergangenheit eines anderen sein. Auch wenn wir nicht immer Antworten finden, erhalten wir fast immer wertvolle Fragen.