أخبار الصناعة: تعمل وحدة معالجة الرسومات على زيادة الطلب على رقائق السيليكون

يعد السيليكون ثاني أكثر المواد شيوعًا على الأرض، بعد الأكسجين، وسابع أكثر المواد شيوعًا في الكون.السيليكون هو شبه موصل، وهذا يعني أنه يحتوي على خصائص كهربائية بين الموصلات (مثل النحاس) والعوازل (مثل الزجاج).يمكن لكمية صغيرة من الذرات الغريبة في بنية السيليكون أن تغير سلوكها بشكل أساسي، لذلك يجب أن تكون درجة نقاء السيليكون من فئة أشباه الموصلات عالية بشكل مدهش.الحد الأدنى المقبول للنقاء للسيليكون من الدرجة الإلكترونية هو 99.999999%.

وهذا يعني أنه مسموح بذرة واحدة فقط من غير السيليكون لكل عشرة مليارات ذرة.تسمح مياه الشرب الجيدة بوجود 40 مليون جزيء غير مائي، وهو أقل نقاء بمقدار 50 مليون مرة من السيليكون شبه الموصل.

يجب على مصنعي رقائق السيليكون الفارغة تحويل السيليكون عالي النقاء إلى هياكل مثالية أحادية البلورة.ويتم ذلك عن طريق إدخال بلورة أم واحدة في السيليكون المنصهر عند درجة الحرارة المناسبة.عندما تبدأ البلورات الجديدة في النمو حول البلورة الأم، تتشكل سبيكة السيليكون ببطء من السيليكون المنصهر.العملية بطيئة وقد تستغرق أسبوعًا.تزن سبيكة السيليكون النهائية حوالي 100 كيلوغرام ويمكنها تصنيع أكثر من 3000 رقاقة.

يتم تقطيع الرقاقات إلى شرائح رفيعة باستخدام سلك ماسي ناعم جدًا.دقة أدوات قطع السيليكون عالية جدًا، ويجب مراقبة المشغلين باستمرار، وإلا سيبدأون في استخدام الأدوات للقيام بأشياء سخيفة بشعرهم.إن المقدمة الموجزة لإنتاج رقائق السيليكون مبسطة للغاية ولا تنسب الفضل بالكامل إلى مساهمات العباقرة؛ولكن من المأمول أن يوفر خلفية لفهم أعمق لأعمال رقائق السيليكون.

علاقة العرض والطلب لرقائق السيليكون

تهيمن أربع شركات على سوق رقائق السيليكون.لفترة طويلة، كان السوق في توازن دقيق بين العرض والطلب.
أدى انخفاض مبيعات أشباه الموصلات في عام 2023 إلى دخول السوق في حالة من العرض الزائد، مما تسبب في ارتفاع المخزونات الداخلية والخارجية لمصنعي الرقائق.ومع ذلك، هذه ليست سوى حالة مؤقتة.ومع تعافي السوق، ستعود الصناعة قريبًا إلى حافة طاقتها الإنتاجية ويجب أن تلبي الطلب الإضافي الناجم عن ثورة الذكاء الاصطناعي.سيكون للانتقال من البنية التقليدية المعتمدة على وحدة المعالجة المركزية (CPU) إلى الحوسبة المتسارعة تأثير على الصناعة بأكملها، ومع ذلك، قد يكون لهذا تأثير على القطاعات منخفضة القيمة في صناعة أشباه الموصلات.

تتطلب بنيات وحدة معالجة الرسومات (GPU) مساحة أكبر من السيليكون

مع زيادة الطلب على الأداء، يجب على الشركات المصنعة لوحدة معالجة الرسومات التغلب على بعض قيود التصميم لتحقيق أداء أعلى من وحدات معالجة الرسومات.ومن الواضح أن جعل الشريحة أكبر هو إحدى الطرق لتحقيق أداء أعلى، حيث أن الإلكترونات لا تحب السفر لمسافات طويلة بين الرقائق المختلفة، مما يحد من الأداء.ومع ذلك، هناك قيود عملية على جعل الشريحة أكبر حجمًا، تُعرف باسم "حد شبكية العين".

يشير حد الطباعة الحجرية إلى الحد الأقصى لحجم الشريحة التي يمكن تعريضها في خطوة واحدة في آلة الطباعة الحجرية المستخدمة في تصنيع أشباه الموصلات.يتم تحديد هذا القيد من خلال الحد الأقصى لحجم المجال المغناطيسي لمعدات الطباعة الحجرية، وخاصة السائر أو الماسح الضوئي المستخدم في عملية الطباعة الحجرية.بالنسبة لأحدث التقنيات، يبلغ الحد الأقصى للقناع عادةً حوالي 858 ملم مربع.يعد تحديد الحجم هذا مهمًا جدًا لأنه يحدد الحد الأقصى للمساحة التي يمكن نقشها على الرقاقة في تعريض ضوئي واحد.إذا كانت الرقاقة أكبر من هذا الحد، فستكون هناك حاجة إلى تعريضات متعددة لنمط الرقاقة بالكامل، وهو أمر غير عملي للإنتاج الضخم بسبب تحديات التعقيد والمحاذاة.سوف يتغلب جهاز GB200 الجديد على هذا القيد من خلال الجمع بين ركائزتين من الرقائق مع قيود حجم الجسيمات في طبقة بينية من السيليكون، مما يشكل ركيزة محدودة الجسيمات للغاية يبلغ حجمها ضعف حجمها.قيود الأداء الأخرى هي مقدار الذاكرة والمسافة إلى تلك الذاكرة (أي عرض النطاق الترددي للذاكرة).تتغلب بنيات GPU الجديدة على هذه المشكلة عن طريق استخدام ذاكرة النطاق الترددي العالي المكدسة (HBM) المثبتة على نفس وسيط السيليكون مع شريحتي GPU.من وجهة نظر السيليكون، تكمن مشكلة HBM في أن كل جزء من مساحة السيليكون يبلغ ضعف مساحة ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) التقليدية بسبب الواجهة عالية التوازي المطلوبة لعرض النطاق الترددي العالي.تقوم HBM أيضًا بدمج شريحة التحكم المنطقي في كل حزمة، مما يزيد من مساحة السيليكون.يُظهر الحساب التقريبي أن مساحة السيليكون المستخدمة في بنية وحدة معالجة الرسومات 2.5D تبلغ 2.5 إلى 3 أضعاف مساحة البنية التقليدية 2.0D.وكما ذكرنا سابقًا، ما لم تكن شركات المسبك مستعدة لهذا التغيير، فقد تصبح سعة رقائق السيليكون ضيقة جدًا مرة أخرى.

القدرة المستقبلية لسوق رقائق السيليكون

أول القوانين الثلاثة لتصنيع أشباه الموصلات هو أنه يجب استثمار أكبر قدر من المال عندما يتوفر أقل مبلغ من المال.ويرجع ذلك إلى الطبيعة الدورية للصناعة، وتواجه شركات أشباه الموصلات صعوبة في اتباع هذه القاعدة.وكما هو موضح في الشكل، فقد أدركت معظم الشركات المصنعة لرقائق السيليكون تأثير هذا التغيير وضاعفت إجمالي نفقاتها الرأسمالية الفصلية ثلاث مرات تقريبًا في الأرباع القليلة الماضية.وعلى الرغم من ظروف السوق الصعبة، لا يزال هذا هو الحال.والأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن هذا الاتجاه مستمر منذ فترة طويلة.شركات رقائق السيليكون محظوظة أو تعرف شيئًا لا يعرفه الآخرون.سلسلة توريد أشباه الموصلات هي آلة زمنية يمكنها التنبؤ بالمستقبل.قد يكون مستقبلك هو ماضي شخص آخر.على الرغم من أننا لا نحصل دائمًا على إجابات، إلا أننا دائمًا ما نحصل على أسئلة جديرة بالاهتمام.