업계 뉴스: GPU로 실리콘 웨이퍼 수요 증가

실리콘은 지구상에서 산소 다음으로 가장 흔한 물질이며, 우주에서는 7번째로 흔한 물질입니다.실리콘은 반도체입니다. 즉, 도체(예: 구리)와 절연체(예: 유리) 사이에 전기적 특성이 있습니다.실리콘 구조에 소량의 외부 원자가 있으면 그 동작이 근본적으로 바뀔 수 있으므로 반도체 등급 실리콘의 순도는 놀라울 정도로 높아야 합니다.전자 등급 실리콘에 허용되는 최소 순도는 99.999999%입니다.

이는 100억 개의 원자마다 단 하나의 비실리콘 원자만 허용된다는 의미입니다.좋은 식수는 물이 아닌 분자 4천만 개를 허용하는데, 이는 반도체 등급 실리콘보다 5천만 배 덜 순수합니다.

블랭크 실리콘 웨이퍼 제조업체는 고순도 실리콘을 완벽한 단결정 구조로 전환해야 합니다.이는 적절한 온도에서 용융 실리콘에 단일 모결정을 도입함으로써 수행됩니다.새로운 딸 결정이 모결정 주변에서 성장하기 시작하면 용융된 실리콘에서 실리콘 잉곳이 천천히 형성됩니다.프로세스가 느리고 일주일 정도 걸릴 수 있습니다.완성된 실리콘 잉곳의 무게는 약 100kg이며 3,000개 이상의 웨이퍼를 만들 수 있습니다.

웨이퍼는 매우 가는 다이아몬드 와이어를 사용하여 얇은 조각으로 절단됩니다.실리콘 절단 도구의 정밀도는 매우 높으며 작업자는 지속적으로 모니터링해야 합니다. 그렇지 않으면 도구를 사용하여 머리카락에 어리석은 짓을 하기 시작합니다.실리콘 웨이퍼 생산에 대한 간략한 소개는 너무 단순화되어 있으며 천재들의 공헌을 충분히 인정하지 않습니다.하지만 실리콘 웨이퍼 사업에 대한 더 깊은 이해를 위한 배경 지식을 제공할 것으로 기대됩니다.

실리콘 웨이퍼의 수요와 공급 관계

실리콘 웨이퍼 시장은 4개 기업이 장악하고 있다.오랫동안 시장은 수요와 공급의 미묘한 균형을 유지해 왔습니다.
2023년 반도체 판매량 감소로 인해 시장은 공급 과잉 상태에 빠졌고, 이로 인해 칩 제조업체의 내부 및 외부 재고가 높아졌습니다.그러나 이는 일시적인 상황일 뿐입니다.시장이 회복되면서 업계는 곧 한계 수준으로 돌아갈 것이며 AI 혁명으로 인한 추가 수요를 충족해야 합니다.전통적인 CPU 기반 아키텍처에서 가속 컴퓨팅으로의 전환은 다음과 같이 전체 산업에 영향을 미칠 것입니다. 그러나 이는 반도체 산업의 저부가가치 부문에 영향을 미칠 수 있습니다.

GPU(그래픽 처리 장치) 아키텍처에는 더 많은 실리콘 영역이 필요합니다.

성능에 대한 요구가 증가함에 따라 GPU 제조업체는 GPU에서 더 높은 성능을 달성하기 위해 일부 설계 제한을 극복해야 합니다.분명히 칩을 더 크게 만드는 것은 더 높은 성능을 달성하는 한 가지 방법입니다. 전자는 서로 다른 칩 사이의 장거리 이동을 좋아하지 않아 성능이 제한되기 때문입니다.그러나 칩을 더 크게 만드는 데에는 "망막 한계"라고 알려진 실질적인 제한이 있습니다.

리소그래피 한계란 반도체 제조에 사용되는 리소그래피 기계에서 한 단계로 노출될 수 있는 칩의 최대 크기를 말한다.이러한 제한은 리소그래피 장비, 특히 리소그래피 공정에 사용되는 스테퍼 또는 스캐너의 최대 자기장 크기에 따라 결정됩니다.최신 기술의 경우 마스크 제한은 일반적으로 약 858제곱밀리미터입니다.이 크기 제한은 단일 노출로 웨이퍼에 패턴화할 수 있는 최대 영역을 결정하기 때문에 매우 중요합니다.웨이퍼가 이 제한보다 크면 웨이퍼를 완전히 패턴화하기 위해 다중 노출이 필요하며 이는 복잡성과 정렬 문제로 인해 대량 생산에 비현실적입니다.새로운 GB200은 입자 크기 제한이 있는 두 개의 칩 기판을 실리콘 중간층에 결합하여 두 배 더 큰 초입자 제한 기판을 형성함으로써 이러한 한계를 극복합니다.기타 성능 제한은 메모리 양과 해당 메모리까지의 거리(예: 메모리 대역폭)입니다.새로운 GPU 아키텍처는 두 개의 GPU 칩이 있는 동일한 실리콘 인터포저에 설치된 스택형 고대역폭 메모리(HBM)를 사용하여 이 문제를 극복합니다.실리콘 관점에서 HBM의 문제점은 높은 대역폭에 필요한 고병렬 인터페이스로 인해 실리콘 영역의 각 비트가 기존 DRAM의 두 배라는 것입니다.HBM은 또한 로직 제어 칩을 각 스택에 통합하여 실리콘 면적을 늘립니다.대략적인 계산에 따르면 2.5D GPU 아키텍처에 사용되는 실리콘 영역은 기존 2.0D 아키텍처의 2.5~3배입니다.앞서 언급한 것처럼 파운드리 업체들이 이러한 변화에 대비하지 않는 한 실리콘 웨이퍼 생산능력은 다시 매우 타이트해질 수 있다.

실리콘 웨이퍼 시장의 미래 역량

반도체 제조의 3대 법칙 중 첫 번째는 최소한의 돈이 있을 때 가장 많은 돈을 투자해야 한다는 것입니다.이는 업계의 순환적 특성에 따른 것으로, 반도체 업체들은 이 규칙을 따르기 어렵다.그림에서 볼 수 있듯이 대부분의 실리콘 웨이퍼 제조업체는 이러한 변화의 영향을 인식하고 지난 몇 분기 동안 분기별 총 자본 지출을 거의 3배로 늘렸습니다.어려운 시장 상황에도 불구하고 여전히 그렇습니다.더욱 흥미로운 점은 이러한 추세가 오랫동안 지속되어 왔다는 것입니다.실리콘 웨이퍼 회사들은 운이 좋거나 다른 회사들이 모르는 것을 알고 있습니다.반도체 공급망은 미래를 예측할 수 있는 타임머신이다.당신의 미래는 다른 사람의 과거가 될 수도 있습니다.항상 답을 얻을 수는 없지만 거의 항상 가치 있는 질문을 받습니다.