ข่าวอุตสาหกรรม: GPU เพิ่มความต้องการเวเฟอร์ซิลิคอน

ซิลิคอนเป็นวัสดุที่พบมากเป็นอันดับสองของโลก รองจากออกซิเจน และเป็นวัสดุที่พบมากเป็นอันดับเจ็ดในจักรวาล ซิลิคอนเป็นสารกึ่งตัวนำ ซึ่งหมายความว่ามีคุณสมบัติทางไฟฟ้าระหว่างตัวนำ (เช่น ทองแดง) และฉนวน (เช่น แก้ว) อะตอมแปลกปลอมจำนวนเล็กน้อยในโครงสร้างซิลิคอนสามารถเปลี่ยนพฤติกรรมโดยพื้นฐานได้ ดังนั้นความบริสุทธิ์ของซิลิคอนเกรดเซมิคอนดักเตอร์จึงต้องสูงอย่างน่าประหลาดใจ ความบริสุทธิ์ขั้นต่ำที่ยอมรับได้สำหรับซิลิคอนเกรดอิเล็กทรอนิกส์คือ 99.999999%

ซึ่งหมายความว่าอนุญาตให้มีอะตอมที่ไม่ใช่ซิลิคอนเพียงอะตอมเดียวต่อทุกๆ หมื่นล้านอะตอม น้ำดื่มที่ดีทำให้เกิดโมเลกุลที่ไม่ใช่น้ำได้ถึง 40 ล้านโมเลกุล ซึ่งมีความบริสุทธิ์น้อยกว่าซิลิคอนเกรดเซมิคอนดักเตอร์ถึง 50 ล้านเท่า

ผู้ผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนเปล่าต้องแปลงซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูงให้เป็นโครงสร้างผลึกเดี่ยวที่สมบูรณ์แบบ ทำได้โดยการใส่ผลึกแม่เดี่ยวเข้าไปในซิลิคอนหลอมเหลวที่อุณหภูมิที่เหมาะสม เมื่อคริสตัลลูกสาวใหม่เริ่มเติบโตรอบๆ คริสตัลแม่ แท่งซิลิคอนจะค่อยๆ ก่อตัวจากซิลิคอนที่หลอมละลาย กระบวนการนี้ช้าและอาจใช้เวลาหนึ่งสัปดาห์ แท่งซิลิคอนสำเร็จรูปมีน้ำหนักประมาณ 100 กิโลกรัม และสามารถทำเวเฟอร์ได้มากกว่า 3,000 ชิ้น

เวเฟอร์ถูกตัดเป็นชิ้นบาง ๆ โดยใช้ลวดเพชรที่ละเอียดมาก เครื่องมือตัดซิลิคอนมีความแม่นยำสูงมาก และผู้ปฏิบัติงานต้องได้รับการตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง ไม่เช่นนั้นพวกเขาจะเริ่มใช้เครื่องมือเพื่อทำสิ่งไร้สาระกับเส้นผมของพวกเขา การแนะนำสั้น ๆ เกี่ยวกับการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนนั้นง่ายเกินไปและไม่ได้ให้เครดิตการมีส่วนร่วมของอัจฉริยะอย่างเต็มที่ แต่หวังว่าจะเป็นพื้นฐานสำหรับความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับธุรกิจเวเฟอร์ซิลิคอน

ความสัมพันธ์ระหว่างอุปสงค์และอุปทานของเวเฟอร์ซิลิคอน

ตลาดเวเฟอร์ซิลิคอนถูกครอบงำโดยบริษัทสี่แห่ง เป็นเวลานานแล้วที่ตลาดอยู่ในสมดุลที่ละเอียดอ่อนระหว่างอุปสงค์และอุปทาน
ยอดขายเซมิคอนดักเตอร์ที่ลดลงในปี 2566 ส่งผลให้ตลาดอยู่ในภาวะล้นตลาด ส่งผลให้สินค้าคงคลังภายในและภายนอกของผู้ผลิตชิปมีสูง อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเพียงสถานการณ์ชั่วคราวเท่านั้น เมื่อตลาดฟื้นตัว ในไม่ช้าอุตสาหกรรมก็จะกลับไปสู่ขีดสุดของขีดความสามารถ และจะต้องตอบสนองความต้องการเพิ่มเติมที่เกิดจากการปฏิวัติ AI การเปลี่ยนจากสถาปัตยกรรมที่ใช้ CPU แบบดั้งเดิมไปเป็นการประมวลผลแบบเร่งความเร็วจะมีผลกระทบต่ออุตสาหกรรมทั้งหมด เนื่องจากอย่างไรก็ตาม สิ่งนี้อาจส่งผลกระทบต่อส่วนที่มีมูลค่าต่ำของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

สถาปัตยกรรมหน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) ต้องการพื้นที่ซิลิคอนมากขึ้น

เนื่องจากความต้องการประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น ผู้ผลิต GPU จึงต้องเอาชนะข้อจำกัดด้านการออกแบบบางประการเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นจาก GPU แน่นอนว่าการทำให้ชิปมีขนาดใหญ่ขึ้นเป็นวิธีหนึ่งในการบรรลุประสิทธิภาพที่สูงขึ้น เนื่องจากอิเล็กตรอนไม่ชอบการเดินทางระยะไกลระหว่างชิปต่างๆ ซึ่งจะจำกัดประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม มีข้อจำกัดในทางปฏิบัติในการทำให้ชิปมีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งเรียกว่า "ขีดจำกัดเรตินา"

ขีดจำกัดการพิมพ์หินหมายถึงขนาดสูงสุดของชิปที่สามารถสัมผัสได้ในขั้นตอนเดียวในเครื่องพิมพ์หินที่ใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ข้อจำกัดนี้ถูกกำหนดโดยขนาดสนามแม่เหล็กสูงสุดของอุปกรณ์การพิมพ์หิน โดยเฉพาะสเต็ปเปอร์หรือเครื่องสแกนที่ใช้ในกระบวนการพิมพ์หิน สำหรับเทคโนโลยีล่าสุด ขีดจำกัดการสวมหน้ากากมักจะอยู่ที่ประมาณ 858 ตารางมิลลิเมตร ข้อจำกัดขนาดนี้มีความสำคัญมากเนื่องจากจะกำหนดพื้นที่สูงสุดที่สามารถสร้างลวดลายบนแผ่นเวเฟอร์ได้ในครั้งเดียว หากแผ่นเวเฟอร์มีขนาดใหญ่กว่าขีดจำกัดนี้ จำเป็นต้องมีการสัมผัสหลายครั้งเพื่อจัดรูปแบบแผ่นเวเฟอร์ให้สมบูรณ์ ซึ่งไม่สามารถทำได้สำหรับการผลิตจำนวนมากเนื่องจากความท้าทายด้านความซับซ้อนและการจัดตำแหน่ง GB200 ใหม่จะเอาชนะข้อจำกัดนี้โดยการรวมซับสเตรตของชิปสองตัวที่มีข้อจำกัดด้านขนาดอนุภาคเข้าไว้ในชั้นซิลิคอนอินเตอร์เลเยอร์ ซึ่งจะกลายเป็นซับสเตรตที่มีจำกัดอนุภาคยิ่งยวดซึ่งมีขนาดใหญ่เป็นสองเท่า ข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพอื่นๆ คือจำนวนหน่วยความจำและระยะห่างจากหน่วยความจำนั้น (เช่น แบนด์วิธหน่วยความจำ) สถาปัตยกรรม GPU ใหม่เอาชนะปัญหานี้ได้โดยใช้หน่วยความจำแบนด์วิดธ์สูงแบบสแต็ก (HBM) ที่ติดตั้งบนซิลิคอนอินเตอร์โพเซอร์ตัวเดียวกันกับชิป GPU สองตัว จากมุมมองของซิลิคอน ปัญหาของ HBM คือพื้นที่ซิลิคอนแต่ละบิตมีค่าเป็นสองเท่าของ DRAM แบบดั้งเดิม เนื่องจากอินเทอร์เฟซแบบขนานสูงซึ่งจำเป็นสำหรับแบนด์วิธสูง นอกจากนี้ HBM ยังรวมชิปควบคุมลอจิกลงในแต่ละสแต็ก เพื่อเพิ่มพื้นที่ซิลิคอน การคำนวณคร่าวๆ แสดงให้เห็นว่าพื้นที่ซิลิคอนที่ใช้ในสถาปัตยกรรม 2.5D GPU นั้นเป็น 2.5 ถึง 3 เท่าของสถาปัตยกรรม 2.0D แบบดั้งเดิม ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น เว้นแต่บริษัทโรงหล่อจะเตรียมพร้อมสำหรับการเปลี่ยนแปลงนี้ กำลังการผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนอาจกลับมาแน่นแฟ้นอีกครั้ง

กำลังการผลิตในอนาคตของตลาดเวเฟอร์ซิลิคอน

กฎข้อแรกในสามข้อของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์คือต้องใช้เงินมากที่สุดเมื่อมีเงินน้อยที่สุด นี่เป็นเพราะธรรมชาติของอุตสาหกรรมเป็นวัฏจักร และบริษัทเซมิคอนดักเตอร์ประสบปัญหาในการปฏิบัติตามกฎนี้ ดังที่แสดงในภาพ ผู้ผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนส่วนใหญ่ตระหนักถึงผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงนี้ และได้เพิ่มรายจ่ายฝ่ายทุนรายไตรมาสเกือบสามเท่าในช่วงสองสามไตรมาสที่ผ่านมา แม้ว่าสภาวะตลาดจะยากลำบาก แต่ก็ยังเป็นเช่นนั้น สิ่งที่น่าสนใจยิ่งกว่าคือเทรนด์นี้มีมายาวนาน บริษัทซิลิคอนเวเฟอร์โชคดีหรือรู้อะไรบางอย่างที่คนอื่นไม่รู้ ห่วงโซ่อุปทานเซมิคอนดักเตอร์เป็นเครื่องย้อนเวลาที่สามารถทำนายอนาคตได้ อนาคตของคุณอาจเป็นอดีตของคนอื่น แม้ว่าเราจะไม่ได้คำตอบเสมอไป แต่เรามักจะได้รับคำถามที่คุ้มค่าเสมอไป