أخبار الصناعة: وحدة معالجة الرسومات تقود الطلب على رقائق السيليكون

السيليكون هو ثاني أكثر المواد شيوعًا على الأرض ، بعد الأكسجين ، والمواد السابعة الأكثر شيوعًا في الكون. السيليكون هو أشباه الموصلات ، مما يعني أنه يحتوي على خصائص كهربائية بين الموصلات (مثل النحاس) والعوازل (مثل الزجاج). يمكن أن يغير كمية صغيرة من الذرات الأجنبية في بنية السيليكون سلوكها بشكل أساسي ، وبالتالي يجب أن تكون نقاء السيليكون شبه الموصلات مرتفعة بشكل مدهش. الحد الأدنى المقبول للنقاء للسيليكون من الدرجة الإلكترونية هو 99.999999 ٪.

هذا يعني أن ذرة واحدة فقط غير سيليكون مسموح بها لكل عشرة مليارات من الذرات. تسمح مياه الشرب الجيدة بنسبة 40 مليون جزيء غير مائي ، والتي تقل عن 50 مليون مرة من السيليكون من فئة أشباه الموصلات.

يجب أن يقوم مصنعو رقاقة السيليكون الفارغ بتحويل السيليكون عالي النقاء إلى هياكل مثالية للكلمة. يتم ذلك عن طريق إدخال بلورة أم واحدة في السيليكون المنصهر في درجة الحرارة المناسبة. عندما تبدأ بلورات الابنة الجديدة في النمو حول الكريستال الأم ، يتشكل سبيكة السيليكون ببطء من السيليكون المنصهر. العملية بطيئة وقد تستغرق أسبوعًا. يزن سبيكة السيليكون النهائية حوالي 100 كيلوغرام ويمكن أن يصنع أكثر من 3000 رقائق.

يتم قطع الرققات إلى شرائح رقيقة باستخدام سلك الماس الدقيق جدا. دقة أدوات قطع السيليكون عالية جدًا ، ويجب مراقبة المشغلين باستمرار ، أو سيبدأون في استخدام الأدوات اللازمة للقيام بأشياء سخيفة لشعرهم. إن المقدمة الموجزة لإنتاج رقائق السيليكون مبسطة للغاية ولا تنسب إلى مساهمات العباقرة تمامًا ؛ ولكن من المأمول توفير خلفية لفهم أعمق لأعمال رقاقة السيليكون.

علاقة العرض والطلب من رقائق السيليكون

يهيمن أربع شركات على سوق رقاقة السيليكون. لفترة طويلة ، كان السوق في توازن دقيق بين العرض والطلب.
أدى الانخفاض في مبيعات أشباه الموصلات في عام 2023 إلى أن يكون السوق في حالة من زيادة العرض ، مما تسبب في ارتفاع المخزونات الداخلية والخارجية لمصنعي الرقاقات. ومع ذلك ، هذا مجرد موقف مؤقت. مع تعافي السوق ، ستعود الصناعة قريبًا إلى حافة السعة ويجب أن تلبي الطلب الإضافي الناتج عن ثورة الذكاء الاصطناعي. سيكون للانتقال من الهندسة المعمارية التقليدية القائمة على وحدة المعالجة المركزية إلى الحوسبة المتسارعة تأثير على الصناعة بأكملها ، حيث أن هذا قد يكون له تأثير على القطاعات ذات القيمة المنخفضة في صناعة أشباه الموصلات.

تتطلب هياكل وحدة معالجة الرسومات (GPU) المزيد من منطقة السيليكون

مع زيادة الطلب على الأداء ، يجب على مصنعي GPU التغلب على بعض قيود التصميم لتحقيق أداء أعلى من وحدات معالجة الرسومات. من الواضح أن جعل الشريحة أكبر هو إحدى الطرق لتحقيق أداء أعلى ، لأن الإلكترونات لا تحب السفر لمسافات طويلة بين الرقائق المختلفة ، مما يحد من الأداء. ومع ذلك ، هناك قيود عملية لجعل الشريحة أكبر ، والمعروفة باسم "حد شبكية العين".

يشير حد الطباعة الحجرية إلى الحد الأقصى لحجم الشريحة التي يمكن تعرضها 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. للحصول على أحدث التقنيات ، يكون الحد الأقصى عادة حوالي 858 ملليمتر مربع. يعد هذا الحد من الحجم مهمًا جدًا لأنه يحدد الحد الأقصى للمساحة التي يمكن أن تنقش على الرقاقة في تعرض واحد. إذا كان الرقاقة أكبر من هذا الحد ، فستكون هناك حاجة إلى تعرضات متعددة لتصميم الويفر بالكامل ، وهو أمر غير عملي للإنتاج الضخم بسبب تحديات التعقيد والمحاذاة. سيتغلب GB200 الجديد على هذا القيد من خلال الجمع بين ركائز رقميين مع قيود حجم الجسيمات في طبقة بينية من السيليكون ، وتشكيل ركيزة محدودة الجسيمات فائقة الضعف. قيود الأداء الأخرى هي مقدار الذاكرة والمسافة إلى تلك الذاكرة (أي عرض النطاق الترددي للذاكرة). تتغلب بنيات GPU الجديدة على هذه المشكلة باستخدام ذاكرة النطاق الترددي العالي المكدسة (HBM) التي تم تثبيتها على نفس interposer السيليكون مع رقائق GPU. من منظور السيليكون ، تتمثل المشكلة في HBM في أن كل جزء من منطقة السيليكون هو ضعف من الدراما التقليدية بسبب الواجهة المتوازية العالية المطلوبة لعرض النطاق الترددي العالي. يدمج HBM أيضًا رقاقة التحكم المنطقية في كل مكدس ، مما يزيد من منطقة السيليكون. يوضح الحساب الخشن أن منطقة السيليكون المستخدمة في بنية وحدة معالجة الرسومات 2.5D هي 2.5 إلى 3 أضعاف من بنية 2.0D التقليدية. كما ذكرنا سابقًا ، ما لم تكن شركات المسبك مستعدة لهذا التغيير ، فقد تصبح سعة رقاقة السيليكون ضيقة للغاية مرة أخرى.

السعة المستقبلية لسوق رقاقة السيليكون

أول قوانين تصنيع أشباه الموصلات الثلاثة هي أن معظم الأموال يجب استثمارها عندما يتوفر أقل مبلغ من المال. ويرجع ذلك إلى الطبيعة الدورية للصناعة ، وشركات أشباه الموصلات تواجه صعوبة في اتباع هذه القاعدة. كما هو مبين في الشكل ، أدرك معظم الشركات المصنعة للرقاقة السيليكون تأثير هذا التغيير وقاموا بثلاثة أضعاف تقريبًا إجمالي نفقاتهم الرأسمالية الفصلية في الأرباع القليلة الماضية. على الرغم من ظروف السوق الصعبة ، لا يزال هذا هو الحال. الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن هذا الاتجاه مستمر لفترة طويلة. شركات رقاقة السيليكون محظوظة أو تعرف شيئًا لا يفعله الآخرون. سلسلة إمدادات أشباه الموصلات هي آلة زمنية يمكن أن تتنبأ بالمستقبل. قد يكون مستقبلك ماضي شخص آخر. على الرغم من أننا لا نحصل دائمًا على إجابات ، إلا أننا نحصل دائمًا على أسئلة جديرة بالاهتمام.