En lo profundo de la cadena de suministro, algunos magos convierten la arena en discos de cristal de silicio con una estructura de diamante perfecta, esenciales para toda la cadena de suministro de semiconductores. Forman parte de la cadena de suministro de semiconductores que multiplica por casi mil el valor de la "arena de silicio". El tenue brillo que se ve en la playa es silicio. El silicio es un cristal complejo, frágil y con propiedades metálicas y no metálicas similares a las de un metal sólido. El silicio está en todas partes.
El silicio es el segundo material más común en la Tierra, después del oxígeno, y el séptimo más común en el universo. Es un semiconductor, lo que significa que posee propiedades eléctricas intermedias entre conductores (como el cobre) y aislantes (como el vidrio). Una pequeña cantidad de átomos extraños en la estructura del silicio puede alterar radicalmente su comportamiento, por lo que la pureza del silicio de grado semiconductor debe ser asombrosamente alta. La pureza mínima aceptable para el silicio de grado electrónico es del 99,999999 %.
Esto significa que solo se permite un átomo de silicio por cada diez mil millones de átomos. El agua potable de buena calidad permite 40 millones de moléculas de silicio, lo que es 50 millones de veces menos puro que el silicio de grado semiconductor.
Los fabricantes de obleas de silicio en blanco deben convertir silicio de alta pureza en estructuras monocristalinas perfectas. Esto se logra introduciendo un único cristal madre en silicio fundido a la temperatura adecuada. A medida que nuevos cristales hijos comienzan a crecer alrededor del cristal madre, el lingote de silicio se forma lentamente a partir del silicio fundido. El proceso es lento y puede tardar una semana. El lingote de silicio terminado pesa unos 100 kilogramos y permite fabricar más de 3000 obleas.
Las obleas se cortan en láminas finas con hilo de diamante muy fino. La precisión de las herramientas de corte de silicio es muy alta, y los operadores deben estar bajo supervisión constante, ya que podrían usarlas para hacer tonterías. La breve introducción a la producción de obleas de silicio es demasiado simplista y no reconoce plenamente las contribuciones de los genios; sin embargo, se espera que proporcione una base para una comprensión más profunda del negocio de las obleas de silicio.
La relación entre la oferta y la demanda de obleas de silicio
El mercado de obleas de silicio está dominado por cuatro empresas. Durante mucho tiempo, el mercado ha estado en un delicado equilibrio entre la oferta y la demanda.
La caída en las ventas de semiconductores en 2023 ha provocado un exceso de oferta en el mercado, lo que ha provocado que los inventarios internos y externos de los fabricantes de chips sean elevados. Sin embargo, esto es solo una situación temporal. A medida que el mercado se recupere, la industria pronto volverá al límite de su capacidad y deberá satisfacer la demanda adicional generada por la revolución de la IA. La transición de la arquitectura tradicional basada en CPU a la computación acelerada tendrá un impacto en toda la industria, ya que podría afectar a los segmentos de bajo valor de la industria de los semiconductores.
Las arquitecturas de unidad de procesamiento gráfico (GPU) requieren más área de silicio
A medida que aumenta la demanda de rendimiento, los fabricantes de GPU deben superar algunas limitaciones de diseño para lograr un mayor rendimiento. Obviamente, aumentar el tamaño del chip es una forma de lograr un mayor rendimiento, ya que a los electrones no les gusta recorrer largas distancias entre diferentes chips, lo que limita el rendimiento. Sin embargo, existe una limitación práctica para aumentar el tamaño del chip, conocida como el "límite de la retina".
El límite litográfico se refiere al tamaño máximo de un chip que puede exponerse en un solo paso en una máquina litográfica utilizada en la fabricación de semiconductores. Esta limitación está determinada por el tamaño máximo del campo magnético del equipo litográfico, especialmente el motor paso a paso o el escáner utilizado en el proceso litográfico. Para la tecnología más reciente, el límite de máscara suele rondar los 858 milímetros cuadrados. Esta limitación de tamaño es muy importante porque determina el área máxima que puede modelarse en la oblea en una sola exposición. Si la oblea es más grande que este límite, se necesitarán múltiples exposiciones para modelarla por completo, lo cual no es práctico para la producción en masa debido a la complejidad y los desafíos de alineación. El nuevo GB200 superará esta limitación combinando dos sustratos de chip con limitaciones de tamaño de partícula en una capa intermedia de silicio, formando un sustrato superlimitado en partículas que es el doble de grande. Otras limitaciones de rendimiento son la cantidad de memoria y la distancia a esa memoria (es decir, el ancho de banda de la memoria). Las nuevas arquitecturas de GPU solucionan este problema mediante el uso de memoria apilada de alto ancho de banda (HBM), instalada en el mismo intercalador de silicio con dos chips de GPU. Desde la perspectiva del silicio, el problema con la HBM radica en que cada bit de silicio duplica el área de la DRAM tradicional debido a la interfaz de alto paralelo requerida para un alto ancho de banda. La HBM también integra un chip de control lógico en cada pila, lo que aumenta el área de silicio. Un cálculo aproximado muestra que el área de silicio utilizada en la arquitectura de GPU 2.5D es de 2.5 a 3 veces mayor que la de la arquitectura 2.0D tradicional. Como se mencionó anteriormente, a menos que las empresas de fundición estén preparadas para este cambio, la capacidad de las obleas de silicio podría volver a ser muy limitada.
Capacidad futura del mercado de obleas de silicio
La primera de las tres leyes de la fabricación de semiconductores establece que es necesario invertir la mayor cantidad de dinero cuando hay menos dinero disponible. Esto se debe a la naturaleza cíclica de la industria, y a las empresas de semiconductores les resulta difícil seguir esta regla. Como se muestra en la figura, la mayoría de los fabricantes de obleas de silicio han reconocido el impacto de este cambio y casi han triplicado sus gastos de capital trimestrales totales en los últimos trimestres. A pesar de las difíciles condiciones del mercado, esto sigue siendo así. Lo que es aún más interesante es que esta tendencia se ha mantenido durante mucho tiempo. Las empresas de obleas de silicio tienen la suerte de saber algo que otros desconocen. La cadena de suministro de semiconductores es una máquina del tiempo que puede predecir el futuro. Tu futuro puede ser el pasado de alguien más. Si bien no siempre obtenemos respuestas, casi siempre recibimos preguntas valiosas.
Hora de publicación: 17 de junio de 2024