Djúpt inni í framboðskeðjunni breyta sumir töframenn sandi í fullkomna demantsuppbyggða kísilkristalla, sem eru nauðsynlegir fyrir alla framboðskeðju hálfleiðara. Þeir eru hluti af framboðskeðjunni hálfleiðara sem eykur verðmæti „kísilands“ um næstum þúsundfalt. Daufur bjarmi sem þú sérð á ströndinni er kísill. Kísill er flókinn kristall með brothættni og fastan málm (með bæði málm- og málmleysingjaeiginleika). Kísill er alls staðar.

Kísill er næst algengasta efnið á jörðinni, á eftir súrefni, og sjöunda algengasta efnið í alheiminum. Kísill er hálfleiðari, sem þýðir að hann hefur rafmagnseiginleika milli leiðara (eins og kopars) og einangrara (eins og gler). Lítið magn af framandi atómum í kísilsbyggingu getur breytt hegðun þess grundvallaratriðum, þannig að hreinleiki kísils í hálfleiðaraflokki verður að vera ótrúlega hár. Lágmarkshreinleiki fyrir kísill í rafeindatækni er 99,999999%.
Þetta þýðir að aðeins eitt atóm sem ekki er kísill er leyfilegt fyrir hverja tíu milljarða atóma. Gott drykkjarvatn inniheldur 40 milljónir sameinda sem ekki eru vatnssameindir, sem er 50 milljón sinnum minna hreint en kísill í hálfleiðaraflokki.
Framleiðendur auða kísilskífa verða að breyta hágæða kísli í fullkomnar einkristallsbyggingar. Þetta er gert með því að setja einn móðurkristall í bráðið kísil við viðeigandi hitastig. Þegar nýir dótturkristallar byrja að vaxa í kringum móðurkristallinn myndast kísilstöngin hægt og rólega úr bráðna kíslinum. Ferlið er hægt og getur tekið viku. Fullbúin kísilstöng vegur um 100 kíló og hægt er að búa til yfir 3.000 skífur.
Skífurnar eru skornar í þunnar sneiðar með mjög fínum demantsvír. Nákvæmni kísillskurðartækjanna er mjög mikil og notendur verða að vera undir stöðugu eftirliti, annars byrja þeir að nota tækin til að gera kjánalega hluti við hárið á sér. Stutta kynningin á framleiðslu kísillskífa er of einfölduð og veitir ekki að fullu viðurkenningu fyrir framlag snillinganna; en vonast er til að hún veiti bakgrunn fyrir dýpri skilning á kísillskífuiðnaðinum.
Framboðs- og eftirspurnarsamband kísilþráða
Fjögur fyrirtæki ráða ríkjum í markaðnum fyrir kísilplötur. Lengi vel hefur markaðurinn verið í viðkvæmu jafnvægi milli framboðs og eftirspurnar.
Samdráttur í sölu hálfleiðara árið 2023 hefur leitt til þess að markaðurinn er í offramboði, sem veldur því að innri og ytri birgðir örgjörvaframleiðenda eru miklar. Þetta er þó aðeins tímabundið ástand. Þegar markaðurinn nær sér mun iðnaðurinn brátt ná sér á strik og verður að mæta aukinni eftirspurn sem gervigreindarbyltingin hefur í för með sér. Umskipti frá hefðbundinni örgjörvabyggðri arkitektúr yfir í hraðaða tölvuvinnslu munu hafa áhrif á alla iðnaðinn, þar sem þetta gæti þó haft áhrif á lágvirðishluta hálfleiðaraiðnaðarins.
Grafíkvinnslueiningar (GPU) arkitektúrar krefjast meira kísillflatarmáls
Þar sem kröfur um afköst aukast verða framleiðendur skjákorta að yfirstíga nokkrar hönnunartakmarkanir til að ná meiri afköstum frá skjákortum. Augljóslega er það að stækka örgjörvann ein leið til að ná meiri afköstum, þar sem rafeindir vilja ekki ferðast langar vegalengdir milli mismunandi örgjörva, sem takmarkar afköst. Hins vegar eru hagnýtar takmarkanir á því að stækka örgjörvann, þekktar sem „sjónhimnumörk“.
Litgrafíumörk vísa til hámarksstærðar flísar sem hægt er að sýna í einu skrefi í litgrafíuvél sem notuð er í framleiðslu hálfleiðara. Þessi takmörkun er ákvörðuð af hámarks segulsviðsstærð litgrafíubúnaðarins, sérstaklega skrefvélinni eða skannanum sem notaður er í litgrafíuferlinu. Fyrir nýjustu tækni er grímumörkin venjulega um 858 fermillimetrar. Þessi stærðartakmörkun er mjög mikilvæg þar sem hún ákvarðar hámarksflatarmálið sem hægt er að mynstra á skífunni í einni lýsingu. Ef skífan er stærri en þessi takmörk þarf margar lýsingar til að mynstra skífuna að fullu, sem er óframkvæmanlegt fyrir fjöldaframleiðslu vegna flækjustigs og röðunaráskorana. Nýja GB200 mun sigrast á þessari takmörkun með því að sameina tvö flísarundirlag með agnastærðartakmörkunum í kísill millilag, sem myndar ofur-agnatakmarkað undirlag sem er tvöfalt stærra. Aðrar afkastatakmarkanir eru magn minnis og fjarlægðin að því minni (þ.e. minnisbandbreidd). Nýjar GPU-arkitektúrar sigrast á þessu vandamáli með því að nota staflað hábandbreiddarminni (HBM) sem er sett upp á sama kísill millilagi með tveimur GPU-flögum. Frá sjónarhóli kísils er vandamálið með HBM að hver biti af kísilflatarmáli er tvöfalt stærra en hefðbundið DRAM vegna þess hve samsíða viðmótið er krafist fyrir mikla bandbreidd. HBM samþættir einnig rökstýringarflís í hverja stafla, sem eykur kísilflatarmálið. Gróf útreikningur sýnir að kísilflatarmálið sem notað er í 2.5D GPU arkitektúr er 2,5 til 3 sinnum stærra en hefðbundin 2.0D arkitektúr. Eins og áður hefur komið fram, nema steypufyrirtæki séu undirbúin fyrir þessa breytingu, gæti afkastageta kísilskífa orðið mjög þröng aftur.
Framtíðargeta markaðarins fyrir kísilskífur
Fyrsta af þremur lögmálum hálfleiðaraframleiðslu er að mestu fjármagni þarf að fjárfesta þegar minnst fjármagn er tiltækt. Þetta er vegna sveiflukenndrar eðlis iðnaðarins og hálfleiðarafyrirtæki eiga erfitt með að fylgja þessari reglu. Eins og sést á myndinni hafa flestir framleiðendur kísilskífa gert sér grein fyrir áhrifum þessarar breytingar og hafa næstum þrefaldað heildarfjármagnsútgjöld sín á undanförnum ársfjórðungum. Þrátt fyrir erfiðar markaðsaðstæður er þetta enn raunin. Það sem er enn áhugaverðara er að þessi þróun hefur verið í gangi í langan tíma. Fyrirtæki sem framleiða kísilskífur eru heppin eða vita eitthvað sem önnur vita ekki. Framboðskeðjan fyrir hálfleiðara er eins og tímavél sem getur spáð fyrir um framtíðina. Þín framtíð gæti verið fortíð einhvers annars. Þó að við fáum ekki alltaf svör, þá fáum við næstum alltaf verðugar spurningar.
Birtingartími: 17. júní 2024