En lo más profundo de la cadena de suministro, algunos magos transforman la arena en discos de silicio cristalino con estructura de diamante, 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. El silicio está por todas partes.
El silicio es el segundo material más común en la Tierra, después del oxígeno, y el séptimo en el universo. Es un semiconductor, lo que significa que sus propiedades eléctricas se encuentran entre las de los conductores (como el cobre) y los aislantes (como el vidrio). Una pequeña cantidad de átomos extraños en su estructura puede alterar fundamentalmente su comportamiento, por lo que la pureza del silicio de grado semiconductor debe ser extraordinariamente alta. La pureza mínima aceptable para el silicio de grado electrónico es del 99,999999%.
Esto significa que solo se permite un átomo que no sea de silicio por cada diez mil millones de átomos. El agua potable de buena calidad permite 40 millones de moléculas que no son de agua, lo que equivale a 50 millones de veces menos pureza 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 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 durar una semana. El lingote de silicio terminado pesa aproximadamente 100 kilogramos y puede producir más de 3000 obleas.
Las obleas se cortan en láminas muy finas con hilo de diamante de gran precisión. La exactitud de las herramientas de corte de silicio es altísima, y los operarios deben ser supervisados constantemente, o podrían empezar a usarlas para cortarse el pelo. Esta breve introducción a la producción de obleas de silicio es demasiado simplificada y no reconoce plenamente las contribuciones de los genios; sin embargo, se espera que sirva de 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 mantenido un delicado equilibrio entre la oferta y la demanda.
La caída en las ventas de semiconductores en 2023 ha llevado al mercado a un estado de sobreoferta, lo que ha provocado altos niveles de inventario interno y externo de los fabricantes de chips. Sin embargo, esta 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, sin embargo, esto podría afectar a los segmentos de bajo valor de la industria de semiconductores.
Las arquitecturas de la unidad de procesamiento gráfico (GPU) requieren una mayor área de silicio.
A medida que aumenta la demanda de rendimiento, los fabricantes de GPU deben superar ciertas limitaciones de diseño para lograr un mayor rendimiento. Obviamente, aumentar el tamaño del chip es una forma de conseguirlo, ya que los electrones no suelen recorrer grandes 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 de litografía se refiere al tamaño máximo de un chip que se puede exponer en un solo paso en una máquina de litografía utilizada en la fabricación de semiconductores. Esta limitación está determinada por el tamaño máximo del campo magnético del equipo de litografía, especialmente el stepper o escáner utilizado en el proceso. Para la tecnología más reciente, el límite de la máscara suele ser de alrededor de 858 milímetros cuadrados. Esta limitación de tamaño es muy importante porque determina el área máxima que se puede modelar en la oblea en una sola exposición. Si la oblea es mayor que este límite, se necesitarán múltiples exposiciones para modelarla completamente, lo cual es poco práctico para la producción en masa debido a la complejidad y los desafíos de alineación. El nuevo GB200 superará esta limitación al combinar dos sustratos de chip con limitaciones de tamaño de partícula en una capa intermedia de silicio, formando un sustrato con superlimitación de 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 superan este problema al utilizar memoria de alto ancho de banda (HBM) apilada que se instala en el mismo interposer de silicio con dos chips GPU. Desde la perspectiva del silicio, el problema con HBM radica en que cada bit de silicio ocupa el doble de área que la DRAM tradicional debido a la interfaz de alto paralelismo necesaria para un ancho de banda elevado. 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 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 producción de 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 se debe invertir más dinero cuando se dispone de menos. Esto se debe a la naturaleza cíclica del sector, y a las empresas de semiconductores les resulta difícil cumplir 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, esta situación persiste. Lo 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 otras desconocen. La cadena de suministro de semiconductores es una máquina del tiempo que puede predecir el futuro. Tu futuro puede ser el pasado de otra persona. Si bien no siempre obtenemos respuestas, casi siempre obtenemos preguntas valiosas.
Fecha de publicación: 17 de junio de 2024