उद्योग समाचार: जीपीयू के कारण सिलिकॉन वेफर्स की मांग में वृद्धि हुई

सिलिकॉन पृथ्वी पर ऑक्सीजन के बाद दूसरा सबसे आम पदार्थ है और ब्रह्मांड में सातवां सबसे आम पदार्थ है। सिलिकॉन एक अर्धचालक है, जिसका अर्थ है कि इसके विद्युत गुण चालकों (जैसे तांबा) और कुचालकों (जैसे कांच) के बीच के होते हैं। सिलिकॉन की संरचना में थोड़ी मात्रा में भी बाहरी परमाणु इसकी व्यवहारिकता को मौलिक रूप से बदल सकते हैं, इसलिए अर्धचालक-श्रेणी के सिलिकॉन की शुद्धता अत्यंत उच्च होनी चाहिए। इलेक्ट्रॉनिक-श्रेणी के सिलिकॉन के लिए स्वीकार्य न्यूनतम शुद्धता 99.999999% है।

इसका अर्थ यह है कि प्रत्येक दस अरब परमाणुओं में केवल एक गैर-सिलिकॉन परमाणु की अनुमति है। शुद्ध पेयजल में 40 मिलियन गैर-जलीय अणु हो सकते हैं, जो अर्धचालक-श्रेणी के सिलिकॉन की तुलना में 50 मिलियन गुना कम शुद्ध होता है।

सिलिकॉन वेफर बनाने वाली कंपनियों को उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन को पूर्ण एकल-क्रिस्टल संरचनाओं में परिवर्तित करना होता है। यह प्रक्रिया उपयुक्त तापमान पर पिघले हुए सिलिकॉन में एक मूल क्रिस्टल को डालकर की जाती है। जैसे-जैसे मूल क्रिस्टल के चारों ओर नए क्रिस्टल बनने लगते हैं, पिघले हुए सिलिकॉन से धीरे-धीरे सिलिकॉन पिंड का निर्माण होता है। यह प्रक्रिया धीमी है और इसमें एक सप्ताह तक का समय लग सकता है। तैयार सिलिकॉन पिंड का वजन लगभग 100 किलोग्राम होता है और इससे 3,000 से अधिक वेफर बनाए जा सकते हैं।

सिलिकॉन वेफर्स को बेहद महीन हीरे के तार से पतली स्लाइस में काटा जाता है। सिलिकॉन काटने वाले औजारों की सटीकता बहुत अधिक होती है, और ऑपरेटरों पर लगातार नज़र रखनी पड़ती है, वरना वे औजारों का इस्तेमाल अपने बालों के साथ अजीबोगरीब हरकतें करने लग सकते हैं। सिलिकॉन वेफर्स के उत्पादन का यह संक्षिप्त परिचय बहुत सरल है और इसमें उन प्रतिभाशाली लोगों के योगदान को पूरी तरह से शामिल नहीं किया गया है; लेकिन उम्मीद है कि यह सिलिकॉन वेफर व्यवसाय की गहरी समझ के लिए एक पृष्ठभूमि प्रदान करेगा।

सिलिकॉन वेफर्स की आपूर्ति और मांग का संबंध

सिलिकॉन वेफर बाजार में चार कंपनियों का दबदबा है। लंबे समय से, बाजार में आपूर्ति और मांग के बीच एक नाजुक संतुलन बना हुआ है।
2023 में सेमीकंडक्टर की बिक्री में गिरावट के कारण बाजार में अतिरिक्त आपूर्ति की स्थिति उत्पन्न हो गई है, जिससे चिप निर्माताओं के आंतरिक और बाहरी भंडार में भारी वृद्धि हुई है। हालांकि, यह स्थिति केवल अस्थायी है। बाजार में सुधार होने पर, उद्योग जल्द ही अपनी अधिकतम क्षमता तक पहुंच जाएगा और कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI) क्रांति के कारण उत्पन्न अतिरिक्त मांग को पूरा करना होगा। पारंपरिक CPU-आधारित आर्किटेक्चर से त्वरित कंप्यूटिंग की ओर संक्रमण का पूरे उद्योग पर प्रभाव पड़ेगा, हालांकि, इसका प्रभाव सेमीकंडक्टर उद्योग के कम मूल्य वाले क्षेत्रों पर भी पड़ सकता है।

ग्राफिक्स प्रोसेसिंग यूनिट (जीपीयू) आर्किटेक्चर को अधिक सिलिकॉन क्षेत्र की आवश्यकता होती है।

जैसे-जैसे परफॉर्मेंस की मांग बढ़ती है, GPU निर्माताओं को GPU से बेहतर परफॉर्मेंस प्राप्त करने के लिए कुछ डिज़ाइन संबंधी सीमाओं को दूर करना होगा। जाहिर है, चिप का आकार बढ़ाना बेहतर परफॉर्मेंस प्राप्त करने का एक तरीका है, क्योंकि इलेक्ट्रॉन अलग-अलग चिप्स के बीच लंबी दूरी तय करना पसंद नहीं करते, जिससे परफॉर्मेंस सीमित हो जाती है। हालांकि, चिप का आकार बढ़ाने की एक व्यावहारिक सीमा भी है, जिसे "रेटिना सीमा" कहा जाता है।

लिथोग्राफी सीमा से तात्पर्य सेमीकंडक्टर निर्माण में प्रयुक्त लिथोग्राफी मशीन में एक ही चरण में एक्सपोज़ किए जा सकने वाले चिप के अधिकतम आकार से है। यह सीमा लिथोग्राफी उपकरण, विशेष रूप से लिथोग्राफी प्रक्रिया में प्रयुक्त स्टेपर या स्कैनर के अधिकतम चुंबकीय क्षेत्र के आकार द्वारा निर्धारित होती है। नवीनतम तकनीक के लिए, मास्क सीमा आमतौर पर लगभग 858 वर्ग मिलीमीटर होती है। यह आकार सीमा बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह उस अधिकतम क्षेत्रफल को निर्धारित करती है जिसे एक ही एक्सपोज़र में वेफर पर पैटर्न किया जा सकता है। यदि वेफर इस सीमा से बड़ा है, तो वेफर को पूरी तरह से पैटर्न करने के लिए कई एक्सपोज़र की आवश्यकता होगी, जो जटिलता और संरेखण संबंधी चुनौतियों के कारण बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए अव्यावहारिक है। नया GB200 कण आकार सीमाओं वाले दो चिप सबस्ट्रेट्स को एक सिलिकॉन इंटरलेयर में मिलाकर इस सीमा को दूर करेगा, जिससे एक सुपर-पार्टिकल-लिमिटेड सबस्ट्रेट बनेगा जो आकार में दोगुना बड़ा होगा। अन्य प्रदर्शन सीमाएं मेमोरी की मात्रा और उस मेमोरी की दूरी (यानी मेमोरी बैंडविड्थ) हैं। नए GPU आर्किटेक्चर इस समस्या को दूर करने के लिए स्टैक्ड हाई-बैंडविड्थ मेमोरी (HBM) का उपयोग करते हैं, जिसे दो GPU चिप्स के साथ एक ही सिलिकॉन इंटरपोज़र पर स्थापित किया जाता है। सिलिकॉन के दृष्टिकोण से, HBM की समस्या यह है कि उच्च बैंडविड्थ के लिए आवश्यक उच्च-समानांतर इंटरफ़ेस के कारण सिलिकॉन क्षेत्र का प्रत्येक बिट पारंपरिक DRAM की तुलना में दोगुना होता है। HBM प्रत्येक स्टैक में एक लॉजिक कंट्रोल चिप को भी एकीकृत करता है, जिससे सिलिकॉन क्षेत्र बढ़ जाता है। एक मोटे अनुमान के अनुसार, 2.5D GPU आर्किटेक्चर में उपयोग किया जाने वाला सिलिकॉन क्षेत्र पारंपरिक 2.0D आर्किटेक्चर की तुलना में 2.5 से 3 गुना अधिक है। जैसा कि पहले बताया गया है, यदि फाउंड्री कंपनियां इस बदलाव के लिए तैयार नहीं होती हैं, तो सिलिकॉन वेफर की क्षमता फिर से बहुत कम हो सकती है।

सिलिकॉन वेफर बाजार की भविष्य की क्षमता

सेमीकंडक्टर निर्माण के तीन नियमों में से पहला नियम यह है कि सबसे अधिक निवेश तब करना चाहिए जब उपलब्ध धन सबसे कम हो। उद्योग की चक्रीय प्रकृति के कारण ऐसा होता है, और सेमीकंडक्टर कंपनियों के लिए इस नियम का पालन करना मुश्किल होता है। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, अधिकांश सिलिकॉन वेफर निर्माताओं ने इस बदलाव के प्रभाव को पहचान लिया है और पिछले कुछ तिमाहियों में अपने कुल त्रैमासिक पूंजीगत व्यय को लगभग तीन गुना बढ़ा दिया है। कठिन बाजार परिस्थितियों के बावजूद, स्थिति अभी भी बनी हुई है। इससे भी अधिक रोचक बात यह है कि यह प्रवृत्ति लंबे समय से चली आ रही है। सिलिकॉन वेफर कंपनियां भाग्यशाली हैं या उन्हें कुछ ऐसा पता है जो दूसरों को नहीं पता। सेमीकंडक्टर आपूर्ति श्रृंखला एक समय मशीन है जो भविष्य की भविष्यवाणी कर सकती है। आपका भविष्य किसी और का अतीत हो सकता है। हालांकि हमें हमेशा जवाब नहीं मिलते, लेकिन हमें लगभग हमेशा सार्थक प्रश्न मिलते हैं।