Notícias do setor: GPU aumenta a demanda por wafers de silício

O silício é o segundo material mais comum na Terra, depois do oxigênio, e o sétimo mais comum no universo. O silício é um semicondutor, o que significa que possui propriedades elétricas intermediárias entre condutores (como o cobre) e isolantes (como o vidro). Uma pequena quantidade de átomos estranhos na estrutura do silício pode alterar fundamentalmente seu comportamento, portanto, a pureza do silício de grau semicondutor deve ser surpreendentemente alta. A pureza mínima aceitável para silício de grau eletrônico é de 99,999999%.

Isso significa que apenas um átomo não-silício é permitido para cada dez bilhões de átomos. Água potável de boa qualidade permite 40 milhões de moléculas não-aquosas, o que é 50 milhões de vezes menos puro do que o silício de grau semicondutor.

Os fabricantes de wafers de silício em branco precisam converter silício de alta pureza em estruturas monocristalinas perfeitas. Isso é feito pela introdução de um único cristal-mãe em silício fundido à temperatura adequada. À medida que novos cristais-filhos começam a crescer ao redor do cristal-mãe, o lingote de silício se forma lentamente a partir do silício fundido. O processo é lento e pode levar uma semana. O lingote de silício finalizado pesa cerca de 100 quilos e pode produzir mais de 3.000 wafers.

Os wafers são cortados em fatias finas usando um fio diamantado muito fino. A precisão das ferramentas de corte de silício é altíssima, e os operadores precisam ser constantemente monitorados, ou começarão a usar as ferramentas para fazer coisas estranhas com os cabelos. A breve introdução à produção de wafers de silício é muito simplista e não dá crédito total às contribuições dos gênios; mas espera-se que forneça uma base para uma compreensão mais aprofundada do negócio de wafers de silício.

A relação entre oferta e demanda de wafers de silício

O mercado de wafers de silício é dominado por quatro empresas. Há muito tempo, o mercado vive em um delicado equilíbrio entre oferta e demanda.
A queda nas vendas de semicondutores em 2023 levou o mercado a um estado de excesso de oferta, resultando em altos estoques internos e externos dos fabricantes de chips. No entanto, esta é apenas uma situação temporária. À medida que o mercado se recupera, a indústria em breve retornará ao limite de sua capacidade e precisará atender à demanda adicional gerada pela revolução da IA. A transição da arquitetura tradicional baseada em CPU para a computação acelerada terá um impacto em toda a indústria, mas pode afetar os segmentos de baixo valor da indústria de semicondutores.

As arquiteturas de Unidade de Processamento Gráfico (GPU) requerem mais área de silício

À medida que a demanda por desempenho aumenta, os fabricantes de GPUs precisam superar algumas limitações de design para obter um desempenho superior. Obviamente, aumentar o tamanho do chip é uma maneira de alcançar um desempenho superior, já que os elétrons não gostam de viajar longas distâncias entre os chips, o que limita o desempenho. No entanto, existe uma limitação prática para aumentar o tamanho do chip, conhecida como "limite da retina".

O limite de litografia refere-se ao tamanho máximo de um chip que pode ser exposto em uma única etapa em uma máquina de litografia usada na fabricação de semicondutores. Essa limitação é determinada pelo tamanho máximo do campo magnético do equipamento de litografia, especialmente o stepper ou scanner usado no processo de litografia. Para a tecnologia mais recente, o limite de máscara é geralmente em torno de 858 milímetros quadrados. Essa limitação de tamanho é muito importante porque determina a área máxima que pode ser padronizada no wafer em uma única exposição. Se o wafer for maior que esse limite, múltiplas exposições serão necessárias para padronizar completamente o wafer, o que é impraticável para produção em massa devido à complexidade e aos desafios de alinhamento. O novo GB200 superará essa limitação combinando dois substratos de chip com limitações de tamanho de partícula em uma camada intermediária de silício, formando um substrato superlimitado em partículas que é duas vezes maior. Outras limitações de desempenho são a quantidade de memória e a distância até essa memória (ou seja, largura de banda da memória). Novas arquiteturas de GPU superam esse problema usando memória de alta largura de banda (HBM) empilhada, instalada no mesmo interposer de silício com dois chips de GPU. Da perspectiva do silício, o problema com a HBM é que cada bit de área de silício é o dobro da DRAM tradicional, devido à interface altamente paralela necessária para alta largura de banda. A HBM também integra um chip de controle lógico em cada pilha, aumentando a área de silício. Um cálculo aproximado mostra que a área de silício usada na arquitetura de GPU 2.5D é de 2,5 a 3 vezes maior que a da arquitetura 2.0D tradicional. Como mencionado anteriormente, a menos que as empresas de fundição estejam preparadas para essa mudança, a capacidade dos wafers de silício pode se tornar muito limitada novamente.

Capacidade futura do mercado de wafers de silício

A primeira das três leis da fabricação de semicondutores é que o máximo de dinheiro precisa ser investido quando o mínimo de dinheiro está disponível. Isso se deve à natureza cíclica do setor, e as empresas de semicondutores têm dificuldade em seguir essa regra. Como mostrado na figura, a maioria dos fabricantes de wafers de silício reconheceu o impacto dessa mudança e quase triplicou seus gastos de capital trimestrais totais nos últimos trimestres. Apesar das difíceis condições de mercado, esse ainda é o caso. O que é ainda mais interessante é que essa tendência já existe há muito tempo. As empresas de wafers de silício têm sorte ou sabem algo que as outras não sabem. A cadeia de suprimentos de semicondutores é uma máquina do tempo que pode prever o futuro. Seu futuro pode ser o passado de outra pessoa. Embora nem sempre obtenhamos respostas, quase sempre recebemos perguntas valiosas.