Nas profundezas da cadeia de suprimentos, alguns especialistas transformam areia em discos de cristal de silício com estrutura de diamante perfeita, essenciais para toda a cadeia de suprimentos de semicondutores. Eles fazem parte da cadeia de suprimentos de semicondutores que aumenta o valor da "areia de silício" em quase mil vezes. O brilho tênue que você vê na praia é silício. O silício é um cristal complexo com fragilidade e propriedades semelhantes às de um metal sólido (propriedades metálicas e não metálicas). O silício está em toda parte.
O silício é o segundo material mais abundante na Terra, depois do oxigênio, e o sétimo mais abundante no universo. O silício é um semicondutor, o que significa que possui propriedades elétricas intermediárias entre as de 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 extremamente alta. A pureza mínima aceitável para silício de grau eletrônico é de 99,999999%.
Isso significa que apenas um átomo que não seja de silício é permitido para cada dez bilhões de átomos. A água potável de boa qualidade permite 40 milhões de moléculas que não sejam de água, 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 introduzindo um único cristal-mãe em silício fundido na 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 render mais de 3.000 wafers.
Os wafers são cortados em fatias finas usando um fio de diamante muito fino. A precisão das ferramentas de corte de silício é altíssima, e os operadores precisam ser constantemente monitorados, caso contrário, podem começar a usar as ferramentas para fazer coisas imprudentes com o cabelo. Esta breve introdução à produção de wafers de silício é simplificada demais e não faz jus à genialidade dos envolvidos; porém, espera-se que sirva como base para uma compreensão mais aprofundada do setor 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 se encontra 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, essa é apenas uma situação temporária. À medida que o mercado se recupera, a indústria logo 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, podendo afetar principalmente os segmentos de baixo valor agregado do setor de semicondutores.
As arquiteturas de Unidade de Processamento Gráfico (GPU) requerem mais área de silício.
Com o aumento da demanda por desempenho, os fabricantes de GPUs precisam superar algumas limitações de projeto para alcançar um desempenho superior. Obviamente, aumentar o tamanho do chip é uma maneira de obter maior desempenho, já que os elétrons não gostam de percorrer longas distâncias entre diferentes 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. Para a tecnologia mais recente, o limite da máscara geralmente gira 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, serão necessárias múltiplas exposições para padronizá-lo completamente, o que é impraticável para a 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, a largura de banda da memória). As novas arquiteturas de GPU superam esse problema utilizando memória de alta largura de banda (HBM) empilhada, instalada no mesmo interposer de silício que 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 área da DRAM tradicional, devido à interface de alto paralelismo necessária para a 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 utilizada 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 de produção de wafers de silício poderá voltar a ficar bastante limitada.
Capacidade futura do mercado de wafers de silício
A primeira das três leis da fabricação de semicondutores é que o máximo de investimento deve ser feito quando o mínimo de recursos disponíveis é menor. Isso se deve à natureza cíclica do setor, e as empresas de semicondutores têm dificuldade em seguir essa regra. Como mostra a figura, a maioria dos fabricantes de wafers de silício reconheceu o impacto dessa mudança e quase triplicou seus investimentos de capital trimestrais nos últimos trimestres. Apesar das difíceis condições de mercado, essa situação persiste. O mais interessante é que essa tendência já dura há muito tempo. As empresas de wafers de silício têm a sorte de saber 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 surgem perguntas valiosas.
Data da publicação: 17 de junho de 2024