Syvällä toimitusketjussa jotkut taikurit muuttavat hiekasta täydellisiä timanttirakenteisia piikidelevyjä, jotka ovat välttämättömiä koko puolijohdetoimitusketjulle. He ovat osa puolijohdetoimitusketjua, joka lisää "piihiekan" arvoa lähes tuhatkertaisesti. Rannalla näkyvä himmeä hehku on piitä. Pii on monimutkainen kide, jolla on haurautta ja kiinteän aineen kaltaista metallia (metallisia ja ei-metallisia ominaisuuksia). Piitä on kaikkialla.
Pii on maapallon toiseksi yleisin materiaali hapen jälkeen ja seitsemänneksi yleisin materiaali maailmankaikkeudessa. Pii on puolijohde, mikä tarkoittaa, että sillä on sähköisiä ominaisuuksia johtimien (kuten kuparin) ja eristeiden (kuten lasin) välillä. Pieni määrä vieraita atomeja piirakenteessa voi muuttaa sen käyttäytymistä perustavanlaatuisesti, joten puolijohdelaatuisen piin puhtauden on oltava hämmästyttävän korkea. Elektroniikkalaatuisen piin hyväksyttävä vähimmäispuhtaus on 99,999999 %.
Tämä tarkoittaa, että jokaista kymmentä miljardia atomia kohden sallitaan vain yksi muu kuin piiatomi. Hyvässä juomavedessä sallitaan 40 miljoonaa muuta kuin vettä olevaa molekyyliä, mikä on 50 miljoonaa kertaa vähemmän puhdasta kuin puolijohdelaatuisessa piissä.
Tyhjien piikiekkojen valmistajien on muutettava erittäin puhdasta piitä täydellisiksi yksikiteisiksi rakenteiksi. Tämä tehdään lisäämällä yksi emokide sulaan piihin sopivassa lämpötilassa. Kun uusia tytärkiteitä alkaa kasvaa emokiteen ympärille, piiharkko muodostuu hitaasti sulasta piistä. Prosessi on hidas ja voi kestää viikon. Valmis piiharkko painaa noin 100 kilogrammaa ja siitä voidaan tehdä yli 3 000 kiekkoa.
Kiekot leikataan ohuiksi viipaleiksi erittäin hienolla timanttilangalla. Piinleikkaustyökalujen tarkkuus on erittäin korkea, ja käyttäjiä on valvottava jatkuvasti, tai he alkavat käyttää työkaluja tyhmyyksiin hiuksilleen. Lyhyt johdanto piikiekkojen tuotantoon on liian yksinkertaistettu eikä anna täyttä tunnustusta nerojen panokselle, mutta sen toivotaan tarjoavan taustaa piikiekkoliiketoiminnan syvemmälle ymmärtämiselle.
Piikiekkojen kysynnän ja tarjonnan suhde
Piikiekkojen markkinoita hallitsee neljä yritystä. Markkinat ovat pitkään olleet herkässä tasapainossa kysynnän ja tarjonnan välillä.
Puolijohdemyynnin lasku vuonna 2023 on johtanut markkinoiden ylitarjontaan, mikä on aiheuttanut siruvalmistajien sisäisten ja ulkoisten varastojen nousun. Tämä on kuitenkin vain väliaikainen tilanne. Markkinoiden elpyessä teollisuus palaa pian kapasiteetin äärirajoille ja sen on vastattava tekoälyvallankumouksen mukanaan tuomaan lisäkysyntään. Siirtyminen perinteisestä CPU-pohjaisesta arkkitehtuurista nopeutettuun laskentaan vaikuttaa koko toimialaan, sillä tällä voi kuitenkin olla vaikutusta puolijohdeteollisuuden alhaisen arvon segmentteihin.
Grafiikkaprosessorien (GPU) arkkitehtuurit vaativat enemmän piipinta-alaa
Suorituskykyvaatimusten kasvaessa näytönohjainten valmistajien on voitettava joitakin suunnittelurajoituksia saavuttaakseen näytönohjaimista paremman suorituskyvyn. Yksi tapa saavuttaa parempi suorituskyky on luonnollisesti sirun koon kasvattaminen, koska elektronit eivät halua kulkea pitkiä matkoja eri sirujen välillä, mikä rajoittaa suorituskykyä. Sirun koon kasvattamiseen liittyy kuitenkin käytännön rajoitus, jota kutsutaan "verkkokalvon rajaksi".
Litografian raja viittaa sirun enimmäiskokoon, joka voidaan valottaa yhdessä vaiheessa puolijohdevalmistuksessa käytettävässä litografiakoneessa. Tämä rajoitus määräytyy litografialaitteiston, erityisesti litografiaprosessissa käytettävän askelluslaitteen tai skannerin, suurimman magneettikentän koon mukaan. Uusimmassa teknologiassa maskin raja on yleensä noin 858 neliömillimetriä. Tämä kokorajoitus on erittäin tärkeä, koska se määrittää kiekolle yhdellä valotuksella kuvioitavan enimmäisalueen. Jos kiekko on tätä rajaa suurempi, kiekon täydelliseen kuviointiin tarvitaan useita valotuksia, mikä on epäkäytännöllistä massatuotannossa monimutkaisuuden ja kohdistushaasteiden vuoksi. Uusi GB200 ratkaisee tämän rajoituksen yhdistämällä kaksi hiukkaskokorajoitettua sirusubstraattia piikerrokseksi, jolloin muodostuu kaksi kertaa suurempi superhiukkasrajoitettu substraatti. Muita suorituskykyrajoituksia ovat muistin määrä ja etäisyys muistiin (eli muistin kaistanleveys). Uudet GPU-arkkitehtuurit ratkaisevat tämän ongelman käyttämällä pinottua suuren kaistanleveyden muistia (HBM), joka asennetaan samalle piivälittimelle kahden GPU-sirun kanssa. Piipiirin näkökulmasta HBM:n ongelmana on, että jokainen piipiirin bitti on kaksinkertainen perinteiseen DRAMiin verrattuna suuren kaistanleveyden edellyttämän rinnakkaisliitännän vuoksi. HBM integroi myös logiikkaohjaussirun jokaiseen pinoon, mikä lisää piipiirin pinta-alaa. Karkea laskelma osoittaa, että 2,5D-grafiikkasuoritinarkkitehtuurissa käytetty piipiirin pinta-ala on 2,5–3 kertaa suurempi kuin perinteisessä 2,0D-arkkitehtuurissa. Kuten aiemmin mainittiin, elleivät valimoyritykset ole varautuneet tähän muutokseen, piikiekkojen kapasiteetti voi jälleen käydä hyvin tiukaksi.
Piikiekkojen markkinoiden tuleva kapasiteetti
Puolijohdevalmistuksen kolmesta laista ensimmäinen on, että eniten rahaa on investoitava silloin, kun käytettävissä on vähiten rahaa. Tämä johtuu alan syklisestä luonteesta, ja puolijohdeyrityksillä on vaikeuksia noudattaa tätä sääntöä. Kuten kuvasta käy ilmi, useimmat piikiekkojen valmistajat ovat tunnistaneet tämän muutoksen vaikutuksen ja ovat lähes kolminkertaistaneet neljännesvuosittaiset kokonaisinvestointinsa viimeisten neljännesten aikana. Vaikeista markkinaolosuhteista huolimatta tilanne on edelleen tämä. Vielä mielenkiintoisempaa on, että tämä trendi on jatkunut jo pitkään. Piikiekkojen yritykset ovat onnekkaita tai tietävät jotain, mitä muut eivät. Puolijohteiden toimitusketju on aikakone, joka voi ennustaa tulevaisuutta. Sinun tulevaisuutesi voi olla jonkun toisen menneisyyttä. Vaikka emme aina saa vastauksia, saamme lähes aina arvokkaita kysymyksiä.
Julkaisun aika: 17. kesäkuuta 2024