業界ニュース：GPUがシリコンウェハーの需要を押し上げる

シリコンは、地球上で酸素に次いで2番目に多く存在する物質であり、宇宙全体では7番目に多く存在する物質です。シリコンは半導体であり、導体（銅など）と絶縁体（ガラスなど）の中間の電気的特性を持ちます。シリコン構造中にわずかな異種原子が混入するだけで、その性質が根本的に変化する可能性があるため、半導体グレードのシリコンは極めて高い純度が求められます。電子グレードのシリコンに求められる最低純度は99.999999%です。

これは、100億個の原子につき、シリコン以外の原子はたった1個しか許容されないことを意味する。良質な飲料水には4000万個の非水分子が含まれるが、これは半導体グレードのシリコンよりも純度が5000万倍低いことを意味する。

シリコンウェハー製造業者は、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、適切な温度に加熱された溶融シリコンに単一の母結晶を導入することによって行われます。母結晶の周囲に新しい娘結晶が成長し始めると、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り、1週間ほどかかる場合があります。完成したシリコンインゴットは約100キログラムの重さがあり、3,000枚以上のウェハーを製造できます。

シリコンウェハーは、非常に細いダイヤモンドワイヤーを使って薄くスライスされます。シリコン切断工具の精度は非常に高く、作業員は常に監視されていなければ、工具を使って髪の毛をいじったりするなど、とんでもないことをしてしまいます。シリコンウェハー製造に関するこの簡単な紹介は、あまりにも簡略化されており、天才たちの貢献を十分に評価しているとは言えませんが、シリコンウェハー事業へのより深い理解のための背景知識を提供することが期待されます。

シリコンウェーハの需給関係

シリコンウェハー市場は4社によって支配されている。長年にわたり、市場は供給と需要の微妙なバランスを保ってきた。
2023年の半導体販売の減少により、市場は供給過剰の状態となり、チップメーカーの内部および外部在庫が高水準にとどまっています。しかし、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達し、AI革命によってもたらされる追加需要に対応しなければなりません。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ますが、半導体業界の低価値セグメントには影響が出る可能性があります。

グラフィックス処理ユニット（GPU）アーキテクチャは、より広いシリコン面積を必要とする。

性能に対する要求が高まるにつれ、GPUメーカーはGPUの性能向上を実現するために、設計上の制約を克服しなければなりません。当然ながら、チップを大きくすることは性能向上の一つの方法です。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、性能が制限されるからです。しかし、チップを大きくすることには「網膜限界」と呼ばれる実際的な制約があります。

リソグラフィ限界とは、半導体製造で使用されるリソグラフィ装置で、1回の露光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、特にリソグラフィ工程で使用されるステッパーまたはスキャナの最大磁場サイズによって決まります。最新技術では、マスク限界は通常約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形成できる最大面積を決定するため、非常に重要です。ウェーハがこの制限よりも大きい場合、ウェーハを完全にパターン形成するには複数回の露光が必要となり、複雑さや位置合わせの課題から量産には不向きです。新しいGB200は、粒子サイズ制限のある2つのチップ基板をシリコン中間層に組み合わせることで、2倍の大きさの超粒子制限基板を形成し、この制限を克服します。その他の性能制限としては、メモリ容量とメモリまでの距離（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チップと同じシリコンインターポーザ上に搭載された高帯域幅メモリ（HBM）を積層することで、この問題を克服しています。シリコンの観点から見ると、HBMの問題点は、高帯域幅に必要な高並列インターフェースのため、各ビットのシリコン面積が従来のDRAMの2倍になることです。HBMは各スタックにロジック制御チップも統合しているため、シリコン面積が増加します。概算では、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。前述のとおり、ファウンドリ企業がこの変化に対応できなければ、シリコンウェハの生産能力は再び非常に逼迫する可能性があります。

シリコンウェハー市場の将来的な生産能力

半導体製造の3つの法則のうち最初の法則は、資金が最も少ない時にこそ、最も多く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、半導体企業はこの法則に従うのに苦労しています。図に示すように、ほとんどのシリコンウェハー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ごとの設備投資総額をほぼ3倍に増やしています。厳しい市場環境にもかかわらず、これは依然として当てはまります。さらに興味深いのは、この傾向が長期間続いていることです。シリコンウェハー企業は幸運であるか、あるいは他社が知らない何かを知っているのでしょう。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、他の誰かの過去かもしれません。私たちは常に答えを得られるわけではありませんが、ほとんどの場合、価値のある質問を得ることができます。