في أعماق سلسلة التوريد، يُحوّل بعض السحرة الرمال إلى أقراص بلورية سيليكونية مثالية ذات بنية ماسية، وهي ضرورية لسلسلة توريد أشباه الموصلات بأكملها. إنها جزء من سلسلة توريد أشباه الموصلات التي تزيد من قيمة "رمل السيليكون" بنحو ألف مرة. الوهج الخافت الذي تراه على الشاطئ هو السيليكون. السيليكون بلورة معقدة تتميز بهشاشتها وكونها معدنًا صلبًا (خصائص معدنية وغير معدنية). السيليكون موجود في كل مكان.
السيليكون هو ثاني أكثر المواد شيوعًا على الأرض بعد الأكسجين، وسابع أكثر المواد شيوعًا في الكون. السيليكون شبه موصل، أي أنه يتميز بخصائص كهربائية بين الموصلات (مثل النحاس) والعوازل (مثل الزجاج). يمكن لكمية صغيرة من الذرات الغريبة في بنية السيليكون أن تغير سلوكه جذريًا، لذا يجب أن تكون درجة نقاء السيليكون شبه الموصل عالية بشكل مذهل. الحد الأدنى المقبول لنقاء السيليكون الإلكتروني هو 99.999999%.
هذا يعني أنه يُسمح بوجود ذرة واحدة فقط غير سيليكونية لكل عشرة مليارات ذرة. تسمح مياه الشرب الجيدة بوجود 40 مليون جزيء غير مائي، وهو أقل نقاءً بخمسين مليون مرة من السيليكون شبه الموصل.
يتعين على مصنعي رقائق السيليكون الفارغة تحويل السيليكون عالي النقاء إلى هياكل بلورية أحادية مثالية. يتم ذلك بإدخال بلورة أم واحدة في السيليكون المصهور عند درجة الحرارة المناسبة. مع بدء نمو بلورات جديدة حول البلورة الأم، تتشكل سبيكة السيليكون ببطء من السيليكون المصهور. العملية بطيئة وقد تستغرق أسبوعًا. تزن سبيكة السيليكون النهائية حوالي 100 كيلوغرام، ويمكنها صنع أكثر من 3000 رقاقة.
تُقطّع الرقاقات إلى شرائح رقيقة باستخدام سلك ماسي دقيق للغاية. تتميز أدوات قطع السيليكون بدقة عالية، ويجب مراقبة المشغلين باستمرار، وإلا سيبدأون باستخدامها لإحداث فوضى في شعرهم. إن المقدمة الموجزة لإنتاج رقائق السيليكون مُبسّطة للغاية ولا تُقدّر مساهمات هؤلاء العباقرة تقديرًا كاملًا؛ ولكن يُؤمل أن تُوفّر خلفية لفهم أعمق لصناعة رقائق السيليكون.
العلاقة بين العرض والطلب على رقائق السيليكون
تُهيمن أربع شركات على سوق رقائق السيليكون. ولفترة طويلة، ظلّ السوق في حالة توازن دقيق بين العرض والطلب.
أدى انخفاض مبيعات أشباه الموصلات في عام ٢٠٢٣ إلى فائض في السوق، مما أدى إلى ارتفاع المخزونات الداخلية والخارجية لمصنعي الرقائق. ومع ذلك، فإن هذا الوضع مؤقت. فمع تعافي السوق، ستعود الصناعة قريبًا إلى حافة طاقتها الإنتاجية، وستضطر إلى تلبية الطلب الإضافي الناتج عن ثورة الذكاء الاصطناعي. سيؤثر الانتقال من بنية وحدات المعالجة المركزية التقليدية إلى الحوسبة المتسارعة على الصناعة بأكملها، كما قد يؤثر على القطاعات منخفضة القيمة في صناعة أشباه الموصلات.
تتطلب عمارة وحدة معالجة الرسومات (GPU) مساحة سيليكون أكبر
مع تزايد الطلب على الأداء، يتعين على مصنعي وحدات معالجة الرسومات تجاوز بعض قيود التصميم لتحقيق أداء أعلى. من البديهي أن تكبير حجم الشريحة يُعدّ إحدى طرق تحقيق أداء أعلى، إذ لا ترغب الإلكترونات في قطع مسافات طويلة بين الشرائح المختلفة، مما يحدّ من الأداء. ومع ذلك، هناك حدّ عملي لتكبير حجم الشريحة، يُعرف باسم "حد شبكية العين".
يشير حد الطباعة الحجرية إلى الحد الأقصى لحجم الشريحة الذي يمكن عرضه 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، وخاصةً المحرك المتدرج أو الماسح الضوئي المستخدم في عملية الطباعة الحجرية. بالنسبة لأحدث التقنيات، يكون حد القناع عادةً حوالي 858 مليمترًا مربعًا. يُعد هذا الحد من الحجم مهمًا للغاية لأنه يحدد أقصى مساحة يمكن نقشها على الرقاقة في تعرض واحد. إذا كانت الرقاقة أكبر من هذا الحد، فستكون هناك حاجة إلى تعرضات متعددة لنقش الرقاقة بالكامل، وهو أمر غير عملي للإنتاج الضخم بسبب تحديات التعقيد والمحاذاة. سيتغلب GB200 الجديد على هذا القيد من خلال دمج ركيزتين من الرقاقة مع قيود حجم الجسيمات في طبقة سيليكون داخلية، مما يشكل ركيزة محدودة للغاية بالجسيمات أكبر بمرتين. تتمثل قيود الأداء الأخرى في مقدار الذاكرة والمسافة إلى تلك الذاكرة (أي عرض نطاق الذاكرة). تتغلب بنيات وحدة معالجة الرسومات الجديدة على هذه المشكلة باستخدام ذاكرة مكدسة عالية النطاق الترددي (HBM) مثبتة على نفس شريحة السيليكون الوسيطة مع شريحتي وحدة معالجة الرسومات. من منظور السيليكون، تكمن مشكلة HBM في أن مساحة كل بت من السيليكون ضعف مساحة ذاكرة DRAM التقليدية، وذلك بسبب واجهة التوازي العالية المطلوبة لعرض النطاق الترددي العالي. كما تدمج HBM شريحة تحكم منطقي في كل كومة، مما يزيد من مساحة السيليكون. يُظهر حساب تقريبي أن مساحة السيليكون المستخدمة في بنية وحدة معالجة الرسومات ثنائية الأبعاد ونصف (2.5D) تتراوح بين 2.5 و3 أضعاف مساحة بنية ثنائية الأبعاد التقليدية. وكما ذُكر سابقًا، ما لم تكن شركات المسابك مستعدة لهذا التغيير، فقد تصبح سعة رقاقة السيليكون محدودة للغاية مرة أخرى.
القدرة المستقبلية لسوق رقائق السيليكون
أول القوانين الثلاثة لتصنيع أشباه الموصلات هو ضرورة استثمار أكبر قدر من المال عند توفر أقل قدر من المال. ويرجع ذلك إلى الطبيعة الدورية للصناعة، وتواجه شركات أشباه الموصلات صعوبة في اتباع هذه القاعدة. وكما هو موضح في الشكل، فقد أدرك معظم مصنعي رقائق السيليكون تأثير هذا التغيير وضاعفوا إجمالي نفقاتهم الرأسمالية الفصلية إلى ثلاثة أضعاف 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. إن 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. وبينما لا نحصل دائمًا على إجابات، فإننا دائمًا ما نتلقى أسئلة جديرة بالاهتمام.
وقت النشر: ١٧ يونيو ٢٠٢٤