Au cœur de la chaîne d'approvisionnement, des magiciens transforment le sable en disques de cristal de silicium à la structure de diamant parfaite, essentiels à toute la chaîne d'approvisionnement des semi-conducteurs. Ils participent à cette chaîne 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 solide comme le métal (propriétés métalliques et non métalliques). Le silicium est omniprésent.
Le silicium est le deuxième matériau le plus répandu sur Terre, après l'oxygène, et le septième dans l'univers. Semi-conducteur, il possède des propriétés électriques comparables à celles des conducteurs (comme le cuivre) et des 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 autre que le silicium est autorisé pour dix milliards d'atomes. Une eau potable de qualité peut contenir 40 millions de molécules autres que l'eau, soit 50 millions de fois moins pure que le silicium de qualité semi-conducteur.
Les fabricants de plaquettes de silicium vierges doivent convertir du silicium de haute pureté en structures monocristallines parfaites. Pour ce faire, ils introduisent un cristal mère unique dans le silicium fondu à la température appropriée. À mesure que de nouveaux cristaux filles se développent autour du cristal mère, le lingot de silicium se forme lentement à partir du silicium fondu. Ce processus est lent et peut prendre une semaine. Le lingot de silicium fini pèse environ 100 kilogrammes et permet de fabriquer plus de 3 000 plaquettes.
Les plaquettes sont découpées en fines tranches à l'aide d'un fil diamanté très fin. La précision des outils de découpe du silicium est très élevée, et les opérateurs doivent être constamment surveillés, sous peine de se faire mal aux cheveux avec leurs outils. Cette brève introduction à la production de plaquettes de silicium est trop simpliste et ne rend pas pleinement hommage aux contributions de ces génies ; elle vise néanmoins à fournir les bases nécessaires à 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 entreprises. Depuis longtemps, le marché est en équilibre fragile entre l'offre et la demande.
La baisse des ventes de semi-conducteurs en 2023 a entraîné une surabondance du marché, entraînant des stocks internes et externes élevés chez les fabricants de puces. Cependant, cette situation n'est que temporaire. Avec la reprise du marché, l'industrie reviendra bientôt à la limite de ses capacités et devra répondre à la demande supplémentaire induite par la révolution de l'IA. La transition d'une architecture traditionnelle basée sur les processeurs vers le calcul accéléré aura un impact sur l'ensemble du secteur, notamment sur les segments à faible valeur ajoutée du secteur des semi-conducteurs.
Les architectures d'unité de traitement graphique (GPU) nécessitent plus de surface de silicium
Face à l'augmentation des exigences de performance, les fabricants de GPU doivent surmonter certaines limitations de conception pour obtenir des performances supérieures. Évidemment, agrandir la puce est un moyen d'obtenir de meilleures performances, car les électrons n'aiment pas parcourir de longues distances entre les différentes puces, ce qui limite les performances. Cependant, agrandir la puce présente une limite pratique, appelée « limite rétinienne ».
La limite de lithographie désigne la taille maximale d'une puce pouvant être exposée en une seule étape sur une machine de lithographie utilisée dans la fabrication de semi-conducteurs. Cette limite 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. Pour les technologies les plus récentes, la limite du masque est généralement d'environ 858 millimètres carrés. Cette limite de taille est essentielle car elle détermine la surface maximale pouvant être modelée sur le wafer en une seule exposition. Si le wafer est plus grand, plusieurs expositions seront nécessaires pour le modeler entièrement, ce qui est peu 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 présentant des limitations de taille de particules dans une couche intermédiaire de silicium, formant ainsi un substrat super-limité en particules deux fois plus grand. Les autres limitations de performances concernent la quantité de mémoire et la distance par rapport à cette mémoire (c'est-à-dire la bande passante mémoire). Les nouvelles architectures GPU résolvent ce problème en utilisant une mémoire haute bande passante (HBM) empilée, installée sur le même interposeur silicium que deux puces GPU. Du point de vue du silicium, le problème avec la HBM est que chaque bit de silicium occupe deux fois plus de surface que la DRAM traditionnelle, en raison de l'interface parallèle élevée requise pour une bande passante élevée. La 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 fondeurs ne soient préparés à ce changement, la capacité de production de plaquettes de silicium pourrait à nouveau devenir très limitée.
Capacité future du marché des plaquettes de silicium
La première des trois lois de la fabrication des semi-conducteurs est qu'il faut investir le plus d'argent possible lorsque les fonds disponibles sont les plus faibles. 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 pris conscience de 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, cette tendance se maintient. Plus intéressant encore, cette tendance perdure depuis longtemps. Les fabricants de plaquettes de silicium ont de la chance ou savent quelque chose que les autres ignorent. La chaîne d'approvisionnement des semi-conducteurs est une machine à remonter le temps capable de prédire l'avenir. Votre avenir pourrait être le passé de quelqu'un d'autre. Si nous n'obtenons pas toujours de réponses, nous recevons presque toujours des questions pertinentes.
Date de publication : 17 juin 2024