공급망 깊숙한 곳에서는 모래를 완벽한 다이아몬드 구조의 실리콘 결정 디스크로 만드는 마술사들이 있는데, 이는 전체 반도체 공급망에 필수적인 요소입니다. 이들은 "실리콘 샌드"의 가치를 거의 천 배나 높이는 반도체 공급망의 일부입니다. 해변에서 희미하게 빛나는 것은 실리콘입니다. 실리콘은 취성을 지닌 복잡한 결정이며, 금속과 같은 고체 상태(금속성 및 비금속성)를 가지고 있습니다. 실리콘은 어디에나 존재합니다.
실리콘은 지구상에서 산소 다음으로 두 번째로 흔한 물질이며, 우주에서는 일곱 번째로 흔한 물질입니다. 실리콘은 반도체로, 도체(예: 구리)와 절연체(예: 유리) 사이에서 전기적 특성을 나타냅니다. 실리콘 구조에 소량의 이물질이 유입되어도 실리콘의 거동이 근본적으로 달라질 수 있으므로, 반도체급 실리콘의 순도는 놀라울 정도로 높아야 합니다. 전자급 실리콘의 최소 허용 순도는 99.999999%입니다.
즉, 100억 개의 원자 중 비실리콘 원자는 단 하나만 허용됩니다. 좋은 식수에는 4천만 개의 비수 분자가 허용되는데, 이는 반도체급 실리콘보다 5천만 배나 순도가 낮습니다.
블랭크 실리콘 웨이퍼 제조업체는 고순도 실리콘을 완벽한 단결정 구조로 변환해야 합니다. 이는 적절한 온도에서 용융된 실리콘에 단일 모결정을 주입하는 방식으로 이루어집니다. 모결정 주위로 새로운 자결정이 성장하기 시작하면 용융된 실리콘으로부터 실리콘 잉곳이 천천히 형성됩니다. 이 과정은 느리며 일주일이 걸릴 수 있습니다. 완성된 실리콘 잉곳의 무게는 약 100kg이며 3,000개 이상의 웨이퍼를 만들 수 있습니다.
웨이퍼는 매우 가는 다이아몬드 와이어를 사용하여 얇게 자릅니다. 실리콘 절삭 공구의 정밀도는 매우 높기 때문에 작업자는 지속적으로 모니터링되어야 합니다. 그렇지 않으면 공구를 사용하여 머리카락에 이상한 짓을 하게 될 것입니다. 실리콘 웨이퍼 생산에 대한 간략한 소개는 너무 단순화되어 있으며 천재들의 공헌을 충분히 인정하지 않습니다. 하지만 이 글이 실리콘 웨이퍼 산업에 대한 더 깊은 이해를 위한 배경 지식을 제공하기를 바랍니다.
실리콘 웨이퍼의 수요와 공급 관계
실리콘 웨이퍼 시장은 네 회사가 장악하고 있습니다. 오랫동안 시장은 수요와 공급의 미묘한 균형을 유지해 왔습니다.
2023년 반도체 매출 감소로 인해 시장은 공급 과잉 상태에 빠졌고, 이로 인해 칩 제조업체의 내외부 재고가 급증했습니다. 그러나 이는 일시적인 현상일 뿐입니다. 시장이 회복됨에 따라 업계는 곧 공급 한계에 도달하게 되며, AI 혁명으로 인한 추가 수요를 충족해야 합니다. 기존 CPU 기반 아키텍처에서 가속 컴퓨팅으로의 전환은 업계 전체에 영향을 미칠 것입니다. 특히, 이는 반도체 산업의 저부가가치 부문에 영향을 미칠 수 있습니다.
그래픽 처리 장치(GPU) 아키텍처에는 더 많은 실리콘 영역이 필요합니다.
성능에 대한 수요가 증가함에 따라, GPU 제조업체는 GPU의 성능 향상을 위해 몇 가지 설계 제약을 극복해야 합니다. 칩 크기를 키우는 것은 분명히 더 높은 성능을 달성하는 한 가지 방법입니다. 전자는 서로 다른 칩 간에 먼 거리를 이동하는 것을 좋아하지 않기 때문에 성능이 제한되기 때문입니다. 그러나 칩 크기를 키우는 데에는 "레티나 한계"라고 하는 실질적인 한계가 있습니다.
리소그래피 한계는 반도체 제조에 사용되는 리소그래피 기계에서 단일 단계로 노광할 수 있는 칩의 최대 크기를 나타냅니다. 이 한계는 리소그래피 장비, 특히 리소그래피 공정에 사용되는 스테퍼 또는 스캐너의 최대 자기장 크기에 따라 결정됩니다. 최신 기술의 경우 마스크 한계는 일반적으로 약 858제곱밀리미터입니다. 이 크기 제한은 단일 노광으로 웨이퍼에 패터닝할 수 있는 최대 면적을 결정하기 때문에 매우 중요합니다. 웨이퍼가 이 한계보다 크면 웨이퍼를 완전히 패터닝하기 위해 여러 번의 노광이 필요하며, 이는 복잡성과 정렬 문제로 인해 대량 생산에 비현실적입니다. 새로운 GB200은 입자 크기 제한이 있는 두 개의 칩 기판을 실리콘 중간층으로 결합하여 두 배 더 큰 초입자 제한 기판을 형성함으로써 이러한 한계를 극복합니다. 다른 성능 제한으로는 메모리 용량과 해당 메모리까지의 거리(즉, 메모리 대역폭)가 있습니다. 새로운 GPU 아키텍처는 두 개의 GPU 칩과 동일한 실리콘 인터포저에 설치된 적층형 고대역폭 메모리(HBM)를 사용하여 이 문제를 해결합니다. 실리콘 관점에서 HBM의 문제점은 고대역폭에 필요한 고병렬 인터페이스로 인해 실리콘 면적의 각 비트가 기존 DRAM의 두 배에 달한다는 것입니다. 또한 HBM은 각 스택에 로직 제어 칩을 통합하여 실리콘 면적을 증가시킵니다. 대략적인 계산에 따르면 2.5D GPU 아키텍처에 사용되는 실리콘 면적은 기존 2.0D 아키텍처의 2.5~3배에 달합니다. 앞서 언급했듯이 파운드리 기업들이 이러한 변화에 대비하지 않으면 실리콘 웨이퍼 생산 능력이 다시 매우 부족해질 수 있습니다.
실리콘 웨이퍼 시장의 미래 용량
반도체 제조의 세 가지 법칙 중 첫 번째는 가장 적은 자금이 있을 때 가장 많은 자금을 투자해야 한다는 것입니다. 이는 산업의 순환적 특성 때문이며, 반도체 회사는 이 규칙을 따르는 데 어려움을 겪습니다. 그림에서 볼 수 있듯이 대부분의 실리콘 웨이퍼 제조업체는 이러한 변화의 영향을 인식하고 지난 몇 분기 동안 총 분기별 자본 지출을 거의 세 배로 늘렸습니다. 어려운 시장 상황에도 불구하고 이는 여전히 사실입니다. 더욱 흥미로운 점은 이러한 추세가 오랫동안 지속되어 왔다는 것입니다. 실리콘 웨이퍼 회사는 운이 좋거나 다른 사람들이 모르는 것을 알고 있습니다. 반도체 공급망은 미래를 예측할 수 있는 타임머신입니다. 당신의 미래는 다른 누군가의 과거일 수 있습니다. 우리는 항상 답을 얻는 것은 아니지만 거의 항상 가치 있는 질문을 받습니다.
게시 시간: 2024년 6월 17일