Au plus profond de la chaîne d'approvisionnement, certains magiciens transforment le sable en disques de cristaux de silicium parfaitement structurés en diamant, essentiels à l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement des semi-conducteurs.Ils font partie de la chaîne d’approvisionnement en semi-conducteurs qui multiplie par près de mille la valeur du « sable de silicium ».La faible lueur que vous voyez sur la plage est du silicium.Le silicium est un cristal complexe, fragile et semblable à un métal solide (propriétés métalliques et non métalliques).Le silicium est partout.
Le silicium est le deuxième matériau le plus répandu sur Terre, après l'oxygène, et le septième matériau le plus répandu dans l'univers.Le silicium est un semi-conducteur, ce qui signifie qu'il possède des propriétés électriques entre les conducteurs (comme le cuivre) et les isolants (comme le verre).Une petite quantité d’atomes étrangers dans la structure du silicium peut modifier fondamentalement son comportement. La pureté du silicium de qualité semi-conducteur doit donc être étonnamment élevée.La pureté minimale acceptable pour le silicium de qualité électronique est de 99,999999 %.
Cela signifie qu’un seul atome non silicium est autorisé pour dix milliards d’atomes.Une bonne eau potable permet la production de 40 millions de molécules non aqueuses, soit 50 millions de fois moins pure que le silicium de qualité semi-conducteur.
Les fabricants de plaquettes de silicium vierges doivent convertir le silicium de haute pureté en structures monocristallines parfaites.Cela se fait en introduisant un seul cristal mère dans du silicium fondu à la température appropriée.À mesure que de nouveaux cristaux filles commencent à se développer autour du cristal mère, le lingot de silicium se forme lentement à partir du silicium fondu.Le processus est lent et peut prendre une semaine.Le lingot de silicium fini pèse environ 100 kilogrammes et peut fabriquer plus de 3 000 tranches.
Les plaquettes sont découpées en fines tranches à l'aide d'un fil diamanté très fin.La précision des outils de coupe en silicone est très élevée et les opérateurs doivent être constamment surveillés, sinon ils commenceront à utiliser les outils pour faire des bêtises avec leurs cheveux.La brève introduction à la production de plaquettes de silicium est trop simplifiée et ne rend pas pleinement compte des contributions des génies ;mais on espère qu'il fournira les bases d'une compréhension plus approfondie du secteur des plaquettes de silicium.
La relation entre l'offre et la demande de plaquettes de silicium
Le marché des plaquettes de silicium est dominé par quatre sociétés.Depuis longtemps, le marché est dans un équilibre délicat entre l’offre et la demande.
La baisse des ventes de semi-conducteurs en 2023 a conduit le marché à se retrouver dans un état d'offre excédentaire, ce qui a entraîné un niveau élevé des stocks internes et externes des fabricants de puces.Il ne s’agit toutefois que d’une situation temporaire.À mesure que le marché se redresse, l’industrie reviendra bientôt à la limite de sa capacité et devra répondre à la demande supplémentaire provoquée par la révolution de l’IA.La transition d'une architecture traditionnelle basée sur un processeur vers un calcul accéléré aura un impact sur l'ensemble du secteur, tout comme cela pourrait toutefois avoir un impact sur les segments à faible valeur ajoutée de l'industrie des semi-conducteurs.
Les architectures d'unités de traitement graphique (GPU) nécessitent plus de surface de silicium
À mesure que la demande de performances augmente, les fabricants de GPU doivent surmonter certaines limitations de conception pour obtenir des performances supérieures avec les GPU.De toute évidence, agrandir la puce est un moyen d’obtenir des performances plus élevées, car les électrons n’aiment pas parcourir de longues distances entre les différentes puces, ce qui limite les performances.Cependant, il existe une limite pratique à l'agrandissement de la puce, connue sous le nom de « limite rétine ».
La limite de lithographie fait référence à la taille maximale d'une puce pouvant être exposée en une seule étape dans une machine de lithographie utilisée dans la fabrication de semi-conducteurs.Cette limitation est déterminée par la taille maximale du champ magnétique de l'équipement de lithographie, en particulier du moteur pas à pas ou du scanner utilisé dans le processus de lithographie.Pour les technologies les plus récentes, la limite du masque est généralement d’environ 858 millimètres carrés.Cette limitation de taille est très importante car elle détermine la zone maximale qui peut être modelée sur la tranche en une seule exposition.Si la plaquette est plus grande que cette limite, plusieurs expositions seront nécessaires pour modeler entièrement la plaquette, ce qui n'est pas pratique pour la production de masse en raison de la complexité et des problèmes d'alignement.Le nouveau GB200 surmontera cette limitation en combinant deux substrats de puce avec des limitations de taille de particules dans une couche intermédiaire de silicium, formant un substrat limité en superparticules qui est deux fois plus grand.D'autres limitations de performances sont la quantité de mémoire et la distance jusqu'à cette mémoire (c'est-à-dire la bande passante mémoire).Les nouvelles architectures GPU résolvent ce problème en utilisant une mémoire empilée à large bande passante (HBM) installée sur le même interposeur en silicium avec deux puces GPU.Du point de vue du silicium, le problème avec HBM est que chaque bit de surface de silicium est deux fois supérieur à celui d'une DRAM traditionnelle en raison de l'interface hautement parallèle requise pour une bande passante élevée.HBM intègre également une puce de contrôle logique dans chaque pile, augmentant ainsi la surface de silicium.Un calcul approximatif montre que la surface de silicium utilisée dans l'architecture GPU 2.5D est 2,5 à 3 fois supérieure à celle de l'architecture 2.0D traditionnelle.Comme mentionné précédemment, à moins que les fonderies ne soient préparées à ce changement, la capacité de production de plaquettes de silicium pourrait redevenir très limitée.
Capacité future du marché des plaquettes de silicium
La première des trois lois de la fabrication de semi-conducteurs est que le plus d’argent doit être investi lorsque le moins d’argent disponible est disponible.Cela est dû à la nature cyclique du secteur et les fabricants de semi-conducteurs ont du mal à suivre cette règle.Comme le montre la figure, la plupart des fabricants de plaquettes de silicium ont reconnu l'impact de ce changement et ont presque triplé leurs dépenses d'investissement trimestrielles totales au cours des derniers trimestres.Malgré les conditions de marché difficiles, c’est toujours le cas.Ce qui est encore plus intéressant, c’est que cette tendance dure depuis longtemps.Les fabricants de plaquettes de silicium ont de la chance ou savent quelque chose que d'autres ignorent.La chaîne d’approvisionnement des semi-conducteurs est une machine à voyager dans le temps qui peut prédire l’avenir.Votre avenir est peut-être le passé de quelqu'un d'autre.Même si nous n’obtenons pas toujours de réponses, nous recevons presque toujours des questions intéressantes.
Heure de publication : 17 juin 2024