أخبار الصناعة: وحدات معالجة الرسومات تزيد الطلب على رقائق السيليكون

يُعدّ السيليكون ثاني أكثر المواد شيوعًا على سطح الأرض بعد الأكسجين، وسابع أكثر المواد شيوعًا في الكون. وهو شبه موصل، أي أن خصائصه الكهربائية تقع بين خصائص الموصلات (مثل النحاس) والعوازل (مثل الزجاج). ويمكن لكمية ضئيلة من الذرات الغريبة في بنية السيليكون أن تُغيّر سلوكه جذريًا، لذا يجب أن تكون نقاوة السيليكون المستخدم في أشباه الموصلات عالية للغاية. ويبلغ الحد الأدنى المقبول لنقاوة السيليكون المستخدم في الإلكترونيات 99.999999%.

هذا يعني أنه لا يُسمح إلا بذرة واحدة غير سيليكونية لكل عشرة مليارات ذرة. بينما تسمح مياه الشرب الجيدة بوجود 40 مليون جزيء غير مائي، أي أقل نقاءً بخمسين مليون مرة من السيليكون المستخدم في صناعة أشباه الموصلات.

يجب على مصنعي رقائق السيليكون الخام تحويل السيليكون عالي النقاء إلى هياكل بلورية أحادية مثالية. ويتم ذلك بإدخال بلورة أم واحدة في السيليكون المنصهر عند درجة الحرارة المناسبة. ومع بدء نمو بلورات فرعية جديدة حول البلورة الأم، تتشكل سبيكة السيليكون ببطء من السيليكون المنصهر. هذه العملية بطيئة وقد تستغرق أسبوعًا. تزن سبيكة السيليكون النهائية حوالي 100 كيلوغرام، ويمكنها إنتاج أكثر من 3000 رقاقة.

تُقطع الرقائق إلى شرائح رقيقة باستخدام أسلاك ماسية دقيقة للغاية. تتميز أدوات قطع السيليكون بدقة عالية جدًا، ويجب مراقبة المشغلين باستمرار، وإلا سيبدأون باستخدام الأدوات لأغراض غير لائقة. المقدمة الموجزة لإنتاج رقائق السيليكون مبسطة للغاية ولا تُنصف إسهامات العباقرة بشكل كامل؛ ولكن يُؤمل أن تُوفر خلفية لفهم أعمق لصناعة رقائق السيليكون.

علاقة العرض والطلب على رقائق السيليكون

تهيمن أربع شركات على سوق رقائق السيليكون. ولطالما كان السوق في حالة توازن دقيق بين العرض والطلب.
أدى انخفاض مبيعات أشباه الموصلات في عام 2023 إلى فائض في العرض في السوق، مما تسبب في ارتفاع المخزونات الداخلية والخارجية لمصنعي الرقائق. مع ذلك، فإن هذا الوضع مؤقت. فمع تعافي السوق، ستعود الصناعة قريبًا إلى أقصى طاقتها الإنتاجية، وسيتعين عليها تلبية الطلب الإضافي الناجم عن ثورة الذكاء الاصطناعي. سيؤثر الانتقال من بنية المعالجات المركزية التقليدية إلى الحوسبة المُسرّعة على الصناعة بأكملها، وقد يؤثر أيضًا على قطاعات أشباه الموصلات ذات القيمة المنخفضة.

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

مع تزايد الطلب على الأداء العالي، يتعين على مصنعي وحدات معالجة الرسومات (GPU) التغلب على بعض القيود التصميمية لتحقيق أداء أفضل. من الواضح أن تكبير حجم الشريحة يُعدّ أحد السبل لتحقيق أداء أفضل، إذ لا تقطع الإلكترونات مسافات طويلة بين الشرائح المختلفة، مما يحدّ من الأداء. مع ذلك، ثمة قيد عملي على تكبير حجم الشريحة، يُعرف باسم "حدّ ريتينا".

يشير حد الطباعة الحجرية إلى أقصى حجم لشريحة يمكن تعريضها في خطوة واحدة في آلة الطباعة الحجرية المستخدمة في تصنيع أشباه الموصلات. ويُحدد هذا الحد بواسطة أقصى حجم للمجال المغناطيسي لمعدات الطباعة الحجرية، وخاصةً جهاز المسح الضوئي أو الماسح الضوئي المستخدم في عملية الطباعة الحجرية. بالنسبة لأحدث التقنيات، يبلغ حد القناع عادةً حوالي 858 مليمترًا مربعًا. يُعد هذا الحد الحجمي بالغ الأهمية لأنه يُحدد أقصى مساحة يمكن نقشها على الرقاقة في عملية تعريض واحدة. إذا كانت الرقاقة أكبر من هذا الحد، فسيلزم إجراء عمليات تعريض متعددة لنقش الرقاقة بالكامل، وهو أمر غير عملي للإنتاج الضخم نظرًا للتعقيد وتحديات المحاذاة. سيتغلب جهاز GB200 الجديد على هذا الحد من خلال دمج ركيزتين للرقاقة مع قيود على حجم الجسيمات في طبقة وسيطة من السيليكون، مما يُشكل ركيزة فائقة الحد من الجسيمات بحجم مضاعف. تشمل قيود الأداء الأخرى سعة الذاكرة والمسافة إلى تلك الذاكرة (أي عرض نطاق الذاكرة). تتغلب بنى وحدات معالجة الرسومات الجديدة على هذه المشكلة باستخدام ذاكرة عالية النطاق الترددي (HBM) مكدسة، مثبتة على نفس شريحة السيليكون البينية مع شريحتين من وحدات معالجة الرسومات. من منظور السيليكون، تكمن مشكلة HBM في أن مساحة كل بت من السيليكون تبلغ ضعف مساحة ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية التقليدية (DRAM) نظرًا للواجهة عالية التوازي المطلوبة للنطاق الترددي العالي. كما تدمج HBM شريحة تحكم منطقية في كل مكدس، مما يزيد من مساحة السيليكون. تُظهر حسابات تقريبية أن مساحة السيليكون المستخدمة في بنية وحدة معالجة الرسومات ثنائية الأبعاد ونصف (2.5D) تتراوح بين 2.5 و3 أضعاف مساحة السيليكون المستخدمة في البنية التقليدية ثنائية الأبعاد (2.0D). وكما ذُكر سابقًا، ما لم تكن شركات تصنيع الرقائق مستعدة لهذا التغيير، فقد تصبح سعة رقائق السيليكون محدودة للغاية مرة أخرى.

القدرة المستقبلية لسوق رقائق السيليكون

ينص القانون الأول من قوانين صناعة أشباه الموصلات الثلاثة على ضرورة استثمار أكبر قدر من المال عندما يكون المال المتاح في أدنى مستوياته. ويعود ذلك إلى الطبيعة الدورية لهذه الصناعة، حيث تواجه شركات أشباه الموصلات صعوبة في الالتزام بهذه القاعدة. وكما هو موضح في الشكل، فقد أدركت معظم شركات تصنيع رقائق السيليكون تأثير هذا التغيير، وضاعفت نفقاتها الرأسمالية الفصلية الإجمالية ثلاث مرات تقريبًا خلال الفصول القليلة الماضية. وعلى الرغم من ظروف السوق الصعبة، لا يزال هذا هو الحال. والأكثر إثارة للاهتمام هو أن هذا التوجه مستمر منذ فترة طويلة. فشركات رقائق السيليكون محظوظة، أو أنها تمتلك معرفة لا يمتلكها غيرها. إن سلسلة توريد أشباه الموصلات أشبه بآلة زمنية قادرة على التنبؤ بالمستقبل. قد يكون مستقبلك ماضيًا لغيرك. وبينما لا نحصل دائمًا على إجابات، فإننا غالبًا ما نتلقى أسئلة قيّمة.