ลึกเข้าไปในห่วงโซ่อุปทาน มีผู้เชี่ยวชาญบางกลุ่มเปลี่ยนทรายให้กลายเป็นแผ่นผลึกซิลิคอนที่มีโครงสร้างเหมือนเพชรอย่างสมบูรณ์แบบ ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับห่วงโซ่อุปทานเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมด สิ่งเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของห่วงโซ่อุปทานเซมิคอนดักเตอร์ที่เพิ่มมูลค่าของ "ทรายซิลิคอน" ขึ้นเกือบพันเท่า แสงเรืองๆ ที่คุณเห็นบนชายหาดคือซิลิคอน ซิลิคอนเป็นผลึกที่ซับซ้อน มีความเปราะและมีคุณสมบัติคล้ายโลหะ (ทั้งคุณสมบัติโลหะและอโลหะ) ซิลิคอนมีอยู่ทุกหนทุกแห่ง
ซิลิคอนเป็นวัสดุที่พบมากเป็นอันดับสองบนโลก รองจากออกซิเจน และเป็นวัสดุที่พบมากเป็นอันดับเจ็ดในจักรวาล ซิลิคอนเป็นสารกึ่งตัวนำ หมายความว่ามันมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำ (เช่น ทองแดง) และฉนวน (เช่น แก้ว) อะตอมแปลกปลอมเพียงเล็กน้อยในโครงสร้างของซิลิคอนสามารถเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของมันได้อย่างสิ้นเชิง ดังนั้นความบริสุทธิ์ของซิลิคอนเกรดสารกึ่งตัวนำจึงต้องสูงมาก ความบริสุทธิ์ขั้นต่ำที่ยอมรับได้สำหรับซิลิคอนเกรดอิเล็กทรอนิกส์คือ 99.999999%
นั่นหมายความว่าจะมีอะตอมที่ไม่ใช่ซิลิคอนได้เพียงหนึ่งอะตอมต่ออะตอมทั้งหมดสิบพันล้านอะตอม น้ำดื่มที่ดีจะต้องมีโมเลกุลที่ไม่ใช่น้ำถึง 40 ล้านโมเลกุล ซึ่งมีความบริสุทธิ์น้อยกว่าซิลิคอนเกรดเซมิคอนดักเตอร์ถึง 50 ล้านเท่า
ผู้ผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนเปล่าต้องเปลี่ยนซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูงให้เป็นโครงสร้างผลึกเดี่ยวที่สมบูรณ์แบบ โดยทำได้โดยการนำผลึกแม่เดี่ยวใส่ลงในซิลิคอนหลอมเหลวที่อุณหภูมิเหมาะสม เมื่อผลึกลูกใหม่เริ่มเติบโตล้อมรอบผลึกแม่ แท่งซิลิคอนก็จะค่อยๆ ก่อตัวขึ้นจากซิลิคอนหลอมเหลว กระบวนการนี้ช้าและอาจใช้เวลาหนึ่งสัปดาห์ แท่งซิลิคอนที่ได้จะมีน้ำหนักประมาณ 100 กิโลกรัม และสามารถผลิตเวเฟอร์ได้มากกว่า 3,000 แผ่น
แผ่นเวเฟอร์ถูกตัดเป็นชิ้นบางๆ โดยใช้ลวดเพชรละเอียดมาก ความแม่นยำสูงของเครื่องมือตัดซิลิคอนนั้นสูงมาก และผู้ปฏิบัติงานจะต้องได้รับการตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง มิเช่นนั้นพวกเขาอาจจะเริ่มใช้เครื่องมือเหล่านั้นทำเรื่องไร้สาระกับผมของตนเอง บทนำโดยย่อเกี่ยวกับการผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนนั้นเรียบง่ายเกินไปและไม่ได้ให้เครดิตอย่างเต็มที่แก่ผลงานของอัจฉริยะเหล่านั้น แต่หวังว่าจะให้ข้อมูลพื้นฐานเพื่อความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับธุรกิจแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน
ความสัมพันธ์ระหว่างอุปสงค์และอุปทานของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน
ตลาดแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนถูกครอบงำโดยบริษัทเพียงสี่แห่ง และเป็นเวลานานแล้วที่ตลาดนี้อยู่ในภาวะสมดุลที่เปราะบางระหว่างอุปทานและอุปสงค์
การลดลงของยอดขายเซมิคอนดักเตอร์ในปี 2023 ส่งผลให้ตลาดอยู่ในภาวะสินค้าล้นตลาด ทำให้ผู้ผลิตชิปมีสินค้าคงคลังทั้งภายในและภายนอกสูง อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเพียงสถานการณ์ชั่วคราว เมื่อตลาดฟื้นตัว อุตสาหกรรมจะกลับเข้าสู่ภาวะกำลังการผลิตไม่เพียงพออีกครั้ง และต้องตอบสนองความต้องการเพิ่มเติมที่เกิดจากการปฏิวัติ AI การเปลี่ยนผ่านจากสถาปัตยกรรมแบบ CPU ดั้งเดิมไปสู่การประมวลผลแบบเร่งความเร็วจะมีผลกระทบต่ออุตสาหกรรมทั้งหมด อย่างไรก็ตาม อาจส่งผลกระทบต่อกลุ่มผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าต่ำในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ด้วย
สถาปัตยกรรมหน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) ต้องการพื้นที่ซิลิคอนมากกว่า
เมื่อความต้องการประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น ผู้ผลิต GPU ต้องเอาชนะข้อจำกัดด้านการออกแบบบางประการเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นจาก GPU เห็นได้ชัดว่า การทำให้ชิปมีขนาดใหญ่ขึ้นเป็นวิธีหนึ่งที่จะเพิ่มประสิทธิภาพ เนื่องจากอิเล็กตรอนไม่ชอบเดินทางเป็นระยะทางไกลระหว่างชิปต่างๆ ซึ่งจะจำกัดประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม มีข้อจำกัดในทางปฏิบัติในการทำให้ชิปมีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งรู้จักกันในชื่อ "ขีดจำกัดเรตินา"
ข้อจำกัดด้านลิโทกราฟี หมายถึง ขนาดสูงสุดของชิปที่สามารถฉายแสงได้ในขั้นตอนเดียวในเครื่องลิโทกราฟีที่ใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ข้อจำกัดนี้ถูกกำหนดโดยขนาดสนามแม่เหล็กสูงสุดของอุปกรณ์ลิโทกราฟี โดยเฉพาะอย่างยิ่งสเต็ปเปอร์หรือสแกนเนอร์ที่ใช้ในกระบวนการลิโทกราฟี สำหรับเทคโนโลยีล่าสุด ข้อจำกัดของมาสก์มักอยู่ที่ประมาณ 858 ตารางมิลลิเมตร ข้อจำกัดด้านขนาดนี้มีความสำคัญมาก เพราะเป็นตัวกำหนดพื้นที่สูงสุดที่สามารถสร้างลวดลายบนเวเฟอร์ได้ในการฉายแสงเพียงครั้งเดียว หากเวเฟอร์มีขนาดใหญ่กว่าขีดจำกัดนี้ จะต้องทำการฉายแสงหลายครั้งเพื่อสร้างลวดลายบนเวเฟอร์อย่างสมบูรณ์ ซึ่งไม่สามารถทำได้จริงในการผลิตจำนวนมากเนื่องจากความซับซ้อนและความท้าทายในการจัดตำแหน่ง GB200 รุ่นใหม่จะเอาชนะข้อจำกัดนี้ได้โดยการรวมซับสเตรตชิปสองแผ่นที่มีข้อจำกัดด้านขนาดอนุภาคเข้าไว้ในชั้นซิลิคอนตรงกลาง ทำให้เกิดซับสเตรตที่มีข้อจำกัดด้านอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้นเป็นสองเท่า ข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพอื่นๆ ได้แก่ ปริมาณหน่วยความจำและระยะทางไปยังหน่วยความจำนั้น (เช่น แบนด์วิดท์ของหน่วยความจำ) สถาปัตยกรรม GPU รุ่นใหม่แก้ปัญหานี้ได้โดยใช้หน่วยความจำแบนด์วิดท์สูงแบบเรียงซ้อน (HBM) ที่ติดตั้งอยู่บนแผ่นซิลิคอนตัวกลางเดียวกันกับชิป GPU สองตัว จากมุมมองของซิลิคอน ปัญหาของ HBM คือพื้นที่ซิลิคอนแต่ละบิตมีขนาดเป็นสองเท่าของ DRAM แบบดั้งเดิม เนื่องจากอินเทอร์เฟซแบบขนานสูงที่จำเป็นสำหรับแบนด์วิดท์สูง นอกจากนี้ HBM ยังรวมชิปควบคุมตรรกะไว้ในแต่ละชั้น ทำให้พื้นที่ซิลิคอนเพิ่มขึ้น การคำนวณอย่างคร่าวๆ แสดงให้เห็นว่าพื้นที่ซิลิคอนที่ใช้ในสถาปัตยกรรม GPU 2.5D มีขนาดเป็น 2.5 ถึง 3 เท่าของสถาปัตยกรรม 2.0D แบบดั้งเดิม ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น หากบริษัทผู้ผลิตชิปไม่เตรียมพร้อมสำหรับการเปลี่ยนแปลงนี้ กำลังการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนอาจตึงตัวอีกครั้ง
ศักยภาพในอนาคตของตลาดแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน
กฎข้อแรกจากสามข้อของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์คือ ต้องลงทุนมากที่สุดเมื่อมีเงินทุนน้อยที่สุด เนื่องจากลักษณะที่เป็นวัฏจักรของอุตสาหกรรม และบริษัทเซมิคอนดักเตอร์มักปฏิบัติตามกฎนี้ได้ยาก ดังแสดงในรูป บริษัทผู้ผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนส่วนใหญ่ตระหนักถึงผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงนี้ และได้เพิ่มค่าใช้จ่ายด้านเงินทุนรวมรายไตรมาสเกือบสามเท่าในช่วงไม่กี่ไตรมาสที่ผ่านมา แม้ว่าสภาวะตลาดจะยากลำบาก แต่ก็ยังคงเป็นเช่นนั้น สิ่งที่น่าสนใจยิ่งกว่าคือ แนวโน้มนี้เกิดขึ้นมานานแล้ว บริษัทผู้ผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนอาจโชคดีหรือรู้บางสิ่งบางอย่างที่คนอื่นไม่รู้ ห่วงโซ่อุปทานเซมิคอนดักเตอร์เปรียบเสมือนเครื่องย้อนเวลาที่สามารถทำนายอนาคตได้ อนาคตของคุณอาจเป็นอดีตของคนอื่น แม้ว่าเราจะไม่ได้รับคำตอบเสมอไป แต่เรามักจะได้รับคำถามที่มีคุณค่าเสมอ
วันที่เผยแพร่: 17 มิถุนายน 2024