業界ニュース: GPU によりシリコン ウェーハの需要が増加

シリコンは酸素に次いで地球上で 2 番目に一般的な物質であり、宇宙では 7 番目に一般的な物質です。シリコンは半導体です。つまり、導体 (銅など) と絶縁体 (ガラスなど) の間の電気的特性を持っています。シリコン構造内の少量の異物原子はその挙動を根本的に変える可能性があるため、半導体グレードのシリコンの純度は驚くほど高くなければなりません。電子グレードのシリコンの許容可能な最小純度は 99.999999% です。

これは、100 億原子ごとに非シリコン原子が 1 つだけ許可されることを意味します。良質な飲料水には 4,000 万個の非水分子が含まれていますが、これは半導体グレードのシリコンよりも純度が 5,000 万分の 1 です。

ブランクシリコンウェーハメーカーは、高純度シリコンを完全な単結晶構造に変換する必要があります。これは、適切な温度で単一の母結晶を溶融シリコンに導入することによって行われます。新しい娘結晶が母結晶の周りで成長し始めると、溶融シリコンからシリコンインゴットがゆっくりと形成されます。このプロセスは時間がかかるため、1 週間かかる場合があります。完成したシリコンインゴットの重さは約100キログラムで、3,000枚以上のウェーハを製造できる。

非常に細いダイヤモンドワイヤーを使用して、ウェーハを薄いスライスに切断します。シリコン切断ツールの精度は非常に高いため、オペレーターは常に監視されていなければなりません。そうしないと、ツールを使用して髪の毛におかしなことをし始めてしまいます。シリコン ウェーハの製造に関する簡単な紹介はあまりにも単純化されており、天才たちの貢献を完全に評価するものではありません。しかし、シリコンウェーハビジネスをより深く理解するための背景を提供することが期待されています。

シリコンウェーハの需給関係

シリコンウェーハ市場は4社が独占している。長い間、市場は需要と供給の微妙なバランスにありました。
2023年の半導体売上高の減少により市場は供給過剰状態に陥り、チップメーカーの社内外の在庫が高水準となっている。ただし、これは一時的な状況にすぎません。市場が回復するにつれて、業界はすぐに生産能力の限界に戻り、AI 革命によってもたらされる追加の需要に対応する必要があります。従来の CPU ベースのアーキテクチャからアクセラレーテッド コンピューティングへの移行は、業界全体に影響を与えるでしょう。ただし、これは半導体業界の低価値セグメントにも影響を与える可能性があります。

グラフィックス プロセッシング ユニット (GPU) アーキテクチャにはより多くのシリコン領域が必要

パフォーマンスに対する要求が高まるにつれ、GPU メーカーは、GPU からより高いパフォーマンスを達成するために、いくつかの設計制限を克服する必要があります。電子は異なるチップ間を長距離移動することを好まないため、パフォーマンスが制限されるため、チップを大きくすることがより高いパフォーマンスを達成する 1 つの方法であることは明らかです。ただし、チップを大きくするには「網膜限界」として知られる実際的な制限があります。

リソグラフィー限界とは、半導体製造で使用されるリソグラフィー装置で 1 つのステップで露光できるチップの最大サイズを指します。この制限は、リソグラフィ装置、特にリソグラフィ プロセスで使用されるステッパやスキャナの最大磁場サイズによって決まります。最新のテクノロジーの場合、マスクの限界は通常約 858 平方ミリメートルです。このサイズ制限は、1 回の露光でウェーハ上にパターン化できる最大領域を決定するため、非常に重要です。ウェハがこの制限より大きい場合、ウェハを完全にパターン化するには複数回の露光が必要になりますが、複雑さと位置合わせの課題により大量生産には現実的ではありません。新しい GB200 は、粒径制限のある 2 つのチップ基板をシリコン中間層に結合し、2 倍の大きさの超粒子制限基板を形成することで、この制限を克服します。その他のパフォーマンス制限には、メモリの量とそのメモリまでの距離 (つまり、メモリ帯域幅) があります。新しい GPU アーキテクチャは、2 つの GPU チップを備えた同じシリコン インターポーザーにインストールされたスタック型高帯域幅メモリ (HBM) を使用することで、この問題を解決します。シリコンの観点から見ると、HBM の問題は、高帯域幅に必要な高並列インターフェイスにより、シリコンの各ビットの面積が従来の DRAM の 2 倍になることです。HBM はまた、ロジック制御チップを各スタックに統合し、シリコン面積を増加させます。大まかな計算によると、2.5D GPU アーキテクチャで使用されるシリコン面積は、従来の 2.0D アーキテクチャの 2.5 ～ 3 倍になります。前述したように、ファウンドリ企業がこの変化に備えなければ、シリコンウェーハの生産能力は再び非常に逼迫する可能性があります。

シリコンウェーハ市場の将来能力

半導体製造の 3 つの法則のうちの 1 つ目は、利用可能な資金が最小限のときに最大限の資金を投資する必要があるということです。これは業界の周期的な性質によるもので、半導体企業はこのルールに従うのに苦労しています。図に示されているように、ほとんどのシリコン ウェーハ メーカーはこの変化の影響を認識しており、過去数四半期で四半期の設備投資総額がほぼ 3 倍になりました。厳しい市場環境にもかかわらず、これは依然として事実です。さらに興味深いのは、この傾向が長い間続いていることです。シリコンウェーハ企業は幸運に恵まれているか、他の企業が知らないことを知っています。半導体サプライチェーンは、未来を予測できるタイムマシンです。あなたの未来は他人の過去かもしれません。常に答えが得られるわけではありませんが、ほとんどの場合、価値のある質問が得られます。