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 material mais comum no universo.O silício é um semicondutor, o que significa que possui propriedades elétricas 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, de modo que a pureza do silício de grau semicondutor deve ser surpreendentemente alta.A pureza mínima aceitável para silício de grau eletrônico é 99,999999%.

Isto significa que apenas um átomo não-silício é permitido para cada dez bilhões de átomos.A boa água potável permite a produção de 40 milhões de moléculas que não sejam de água, o que é 50 milhões de vezes menos puro que o silício de grau semicondutor.

Os fabricantes de wafers de silício em branco devem converter silício de alta pureza em estruturas monocristalinas perfeitas.Isto é feito através da introdução de um único cristal-mãe no silício fundido à temperatura apropriada.À medida que novos cristais filhos começam a crescer em torno 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 acabado pesa cerca de 100 kg e pode produzir mais de 3.000 wafers.

As bolachas são cortadas em fatias finas com fio diamantado muito fino.A precisão das ferramentas de corte de silicone é muito alta e os operadores devem ser monitorados constantemente, ou começarão a usar as ferramentas para fazer coisas bobas com os cabelos.A breve introdução à produção de pastilhas de silício é muito simplificada e não dá crédito total às contribuições dos gênios;mas espera-se que forneça uma base para uma compreensão mais profunda do negócio de pastilhas de silício.

A relação de oferta e demanda de wafers de silício

O mercado de wafer de silício é dominado por quatro empresas.Durante muito tempo, o mercado esteve num delicado equilíbrio entre oferta e procura.
O declínio nas vendas de semicondutores em 2023 levou o mercado a um estado de excesso de oferta, fazendo com que os estoques internos e externos dos fabricantes de chips fossem elevados.No entanto, esta é apenas uma situação temporária.À medida que o mercado recupera, a indústria regressará em breve ao limite da capacidade e terá de satisfazer a procura adicional provocada pela revolução da IA.A transição da arquitetura tradicional baseada em CPU para a computação acelerada terá um impacto em toda a indústria, uma vez que, no entanto, poderá ter um impacto nos segmentos de baixo valor da indústria de semicondutores.

Arquiteturas de unidades de processamento gráfico (GPU) exigem mais área de silício

À medida que a demanda por desempenho aumenta, os fabricantes de GPU devem superar algumas limitações de design para obter maior desempenho das GPUs.Obviamente, aumentar o chip é uma forma de obter maior desempenho, pois os elétrons não gostam de percorrer longas distâncias entre chips diferentes, o que limita o desempenho.No entanto, existe uma limitação prática para aumentar o chip, conhecida como “limite de 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.Esta limitação é determinada pelo tamanho máximo do campo magnético do equipamento de litografia, especialmente do stepper ou scanner utilizado no processo de litografia.Para a tecnologia mais recente, o limite da máscara geralmente fica em torno de 858 milímetros quadrados.Esta 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, serão necessárias múltiplas exposições 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 por 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 empilhada de alta largura de banda (HBM) instalada no mesmo interposer de silício com dois chips de GPU.Do ponto de vista 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 GPU 2,5D é 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 esta mudança, a capacidade das pastilhas de silício poderá tornar-se novamente muito limitada.

Capacidade futura do mercado de wafer de silício

A primeira das três leis da fabricação de semicondutores é que é necessário investir mais dinheiro quando há menos dinheiro disponível.Isto se deve à natureza cíclica da indústria, e as empresas de semicondutores têm dificuldade em seguir esta regra.Conforme mostrado na figura, a maioria dos fabricantes de wafers de silício reconheceram o impacto desta mudança e quase triplicaram o total das suas despesas de capital trimestrais nos últimos trimestres.Apesar das difíceis condições de mercado, este 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 outras não sabem.A cadeia de fornecimento 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 que valem a pena.