공급망 깊숙한 곳에서, 마치 마법사처럼 모래를 완벽한 다이아몬드 구조의 실리콘 결정 디스크로 변형시키는데, 이는 전체 반도체 공급망에 필수적인 요소입니다. 이 실리콘 결정 디스크는 "실리콘 모래"의 가치를 거의 천 배 가까이 높이는 반도체 공급망의 일부입니다. 해변에서 희미하게 빛나는 것도 바로 실리콘입니다. 실리콘은 부서지기 쉬우면서도 금속처럼 단단한 성질(금속성 및 비금속성)을 지닌 복합 결정체입니다. 실리콘은 우리 주변 어디에나 존재합니다.
실리콘은 산소 다음으로 지구에서 두 번째로 흔한 물질이며, 우주 전체에서는 일곱 번째로 흔한 물질입니다. 실리콘은 반도체로서, 도체(예: 구리)와 절연체(예: 유리)의 중간 정도의 전기적 성질을 지닙니다. 실리콘 구조에 미량의 이종 원자가 존재하더라도 그 성질이 근본적으로 변할 수 있기 때문에 반도체 등급 실리콘의 순도는 매우 높아야 합니다. 전자 등급 실리콘의 최소 허용 순도는 99.999999%입니다.
이는 100억 개의 원자당 단 하나의 비실리콘 원자만 허용된다는 것을 의미합니다. 깨끗한 식수에는 4천만 개의 비물 분자가 포함될 수 있는데, 이는 반도체 등급 실리콘보다 5천만 배나 순도가 낮습니다.
실리콘 웨이퍼 제조업체는 고순도 실리콘을 완벽한 단결정 구조로 변환해야 합니다. 이는 적절한 온도에서 용융된 실리콘에 모결정 하나를 투입함으로써 이루어집니다. 모결정 주위로 새로운 자결정들이 자라나면서 용융된 실리콘이 서서히 실리콘 잉곳으로 굳어집니다. 이 과정은 느려서 일주일 정도 걸릴 수 있습니다. 완성된 실리콘 잉곳의 무게는 약 100kg이며, 이를 이용해 3,000개 이상의 웨이퍼를 만들 수 있습니다.
웨이퍼는 매우 가는 다이아몬드 와이어를 사용하여 얇게 절단됩니다. 실리콘 절단 도구의 정밀도는 매우 높아 작업자를 지속적으로 감독해야 합니다. 그렇지 않으면 작업자가 도구를 사용하여 머리카락을 엉뚱한 방향으로 자르는 등의 실수를 저지를 수 있습니다. 실리콘 웨이퍼 생산에 대한 간략한 소개는 지나치게 단순화되어 천재들의 공헌을 충분히 반영하지 못하지만, 실리콘 웨이퍼 사업에 대한 더 깊은 이해를 위한 배경 지식을 제공하기를 바랍니다.
실리콘 웨이퍼의 공급과 수요 관계
실리콘 웨이퍼 시장은 네 개의 회사가 주도하고 있습니다. 오랫동안 이 시장은 공급과 수요 사이의 미묘한 균형을 유지해 왔습니다.
2023년 반도체 판매 감소로 시장은 공급 과잉 상태에 빠졌고, 이로 인해 반도체 제조업체들의 내외부 재고가 높은 수준을 유지하고 있습니다. 하지만 이는 일시적인 현상일 뿐입니다. 시장이 회복됨에 따라 업계는 곧 생산 능력의 한계에 도달할 것이며, 인공지능(AI) 혁명으로 인한 추가 수요를 충족해야 할 것입니다. 기존 CPU 기반 아키텍처에서 가속 컴퓨팅으로의 전환은 업계 전체에 영향을 미칠 것이며, 특히 반도체 산업 내 저부가가치 부문에 악영향을 미칠 가능성이 있습니다.
그래픽 처리 장치(GPU) 아키텍처는 더 많은 실리콘 면적을 필요로 합니다.
성능에 대한 수요가 증가함에 따라 GPU 제조업체는 GPU에서 더 높은 성능을 구현하기 위해 몇 가지 설계상의 한계를 극복해야 합니다. 전자가 서로 다른 칩 사이를 장거리 이동하는 것을 좋아하지 않아 성능 저하를 초래하기 때문에 칩 크기를 키우는 것이 성능 향상의 한 가지 방법입니다. 그러나 칩 크기를 키우는 데에는 "레티나 한계"라고 알려진 실질적인 제약이 존재합니다.
리소그래피 한계는 반도체 제조에 사용되는 리소그래피 장비에서 단일 단계로 노광할 수 있는 칩의 최대 크기를 의미합니다. 이 한계는 리소그래피 장비, 특히 리소그래피 공정에 사용되는 스테퍼 또는 스캐너의 최대 자기장 크기에 의해 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 한계를 초과하면 웨이퍼 전체에 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 중간층에 결합하여 두 배 더 큰 초입자 제한 기판을 형성함으로써 이 한계를 극복합니다. 다른 성능 제한 요소로는 메모리 용량과 메모리까지의 거리(즉, 메모리 대역폭)가 있습니다. 새로운 GPU 아키텍처는 두 개의 GPU 칩과 동일한 실리콘 인터포저에 고대역폭 메모리(HBM)를 적층하여 이 문제를 해결합니다. 실리콘 관점에서 볼 때, HBM의 문제는 높은 대역폭을 위해 필요한 고병렬 인터페이스 때문에 비트당 실리콘 면적이 기존 DRAM의 두 배라는 점입니다. 또한 HBM은 각 스택에 로직 제어 칩을 통합하여 실리콘 면적을 증가시킵니다. 대략적인 계산에 따르면 2.5D GPU 아키텍처에 사용되는 실리콘 면적은 기존 2.0D 아키텍처보다 2.5배에서 3배 더 큽니다. 앞서 언급했듯이 파운드리 업체들이 이러한 변화에 대비하지 못한다면 실리콘 웨이퍼 생산 능력이 다시 매우 부족해질 수 있습니다.
실리콘 웨이퍼 시장의 미래 생산 능력
반도체 제조의 세 가지 법칙 중 첫 번째는 자금이 가장 부족할 때 가장 많은 투자를 해야 한다는 것입니다. 이는 업계의 경기 순환적 특성 때문이며, 반도체 기업들은 이 법칙을 따르기가 어렵습니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 대부분의 실리콘 웨이퍼 제조업체들은 이러한 변화의 영향을 인식하고 지난 몇 분기 동안 분기별 총 자본 지출을 거의 세 배로 늘렸습니다. 어려운 시장 상황에도 불구하고 이러한 추세는 여전히 지속되고 있습니다. 더욱 흥미로운 점은 이러한 추세가 오랫동안 이어져 왔다는 것입니다. 실리콘 웨이퍼 기업들은 운이 좋거나 다른 기업들이 모르는 무언가를 알고 있는 것 같습니다. 반도체 공급망은 미래를 예측할 수 있는 타임머신과 같습니다. 당신의 미래가 다른 누군가의 과거일 수도 있습니다. 항상 정답을 얻을 수는 없지만, 거의 항상 가치 있는 질문을 얻을 수 있습니다.
게시 시간: 2024년 6월 17일