Berita Industri: GPU mendorong peningkatan permintaan wafer silikon

Silikon adalah material paling umum kedua di Bumi, setelah oksigen, dan material paling umum ketujuh di alam semesta. Silikon adalah semikonduktor, artinya ia memiliki sifat listrik di antara konduktor (seperti tembaga) dan isolator (seperti kaca). Sejumlah kecil atom asing dalam struktur silikon dapat secara fundamental mengubah perilakunya, sehingga kemurnian silikon kelas semikonduktor harus sangat tinggi. Kemurnian minimum yang dapat diterima untuk silikon kelas elektronik adalah 99,999999%.

Ini berarti hanya satu atom non-silikon yang diperbolehkan untuk setiap sepuluh miliar atom. Air minum yang baik memungkinkan adanya 40 juta molekul non-air, yang berarti 50 juta kali lebih kurang murni daripada silikon kelas semikonduktor.

Produsen wafer silikon kosong harus mengubah silikon dengan kemurnian tinggi menjadi struktur kristal tunggal yang sempurna. Hal ini dilakukan dengan memasukkan kristal induk tunggal ke dalam silikon cair pada suhu yang sesuai. Saat kristal anak baru mulai tumbuh di sekitar kristal induk, ingot silikon perlahan terbentuk dari silikon cair. Proses ini lambat dan dapat memakan waktu seminggu. Ingot silikon yang sudah jadi memiliki berat sekitar 100 kilogram dan dapat menghasilkan lebih dari 3.000 wafer.

Pelat silikon dipotong menjadi irisan tipis menggunakan kawat berlian yang sangat halus. Presisi alat pemotong silikon sangat tinggi, dan operator harus terus dipantau, atau mereka akan mulai menggunakan alat tersebut untuk melakukan hal-hal konyol pada rambut mereka. Pengantar singkat tentang produksi pelat silikon terlalu disederhanakan dan tidak sepenuhnya menghargai kontribusi para jenius; tetapi diharapkan dapat memberikan latar belakang untuk pemahaman yang lebih dalam tentang bisnis pelat silikon.

Hubungan penawaran dan permintaan wafer silikon

Pasar wafer silikon didominasi oleh empat perusahaan. Selama ini, pasar tersebut berada dalam keseimbangan yang rapuh antara penawaran dan permintaan.
Penurunan penjualan semikonduktor pada tahun 2023 telah menyebabkan pasar mengalami kelebihan pasokan, sehingga persediaan internal dan eksternal produsen chip menjadi tinggi. Namun, ini hanya situasi sementara. Seiring pulihnya pasar, industri akan segera kembali ke batas kapasitas dan harus memenuhi permintaan tambahan yang disebabkan oleh revolusi AI. Transisi dari arsitektur berbasis CPU tradisional ke komputasi yang dipercepat akan berdampak pada seluruh industri, namun hal ini mungkin berdampak pada segmen bernilai rendah dalam industri semikonduktor.

Arsitektur Unit Pemrosesan Grafis (GPU) membutuhkan area silikon yang lebih besar.

Seiring meningkatnya permintaan akan performa, produsen GPU harus mengatasi beberapa keterbatasan desain untuk mencapai performa yang lebih tinggi dari GPU. Jelas, membuat chip lebih besar adalah salah satu cara untuk mencapai performa yang lebih tinggi, karena elektron tidak suka menempuh jarak jauh antar chip yang berbeda, yang membatasi performa. Namun, ada batasan praktis untuk membuat chip lebih besar, yang dikenal sebagai "batas retina".

Batasan litografi mengacu pada ukuran maksimum chip yang dapat diekspos dalam satu langkah pada mesin litografi yang digunakan dalam manufaktur semikonduktor. Batasan ini ditentukan oleh ukuran medan magnet maksimum peralatan litografi, terutama stepper atau scanner yang digunakan dalam proses litografi. Untuk teknologi terbaru, batasan mask biasanya sekitar 858 milimeter persegi. Batasan ukuran ini sangat penting karena menentukan area maksimum yang dapat dipola pada wafer dalam satu kali paparan. Jika wafer lebih besar dari batasan ini, beberapa paparan akan diperlukan untuk mempolakan wafer sepenuhnya, yang tidak praktis untuk produksi massal karena kompleksitas dan tantangan penyelarasan. GB200 yang baru akan mengatasi batasan ini dengan menggabungkan dua substrat chip dengan batasan ukuran partikel ke dalam lapisan silikon, membentuk substrat super-terbatas partikel yang dua kali lebih besar. Batasan kinerja lainnya adalah jumlah memori dan jarak ke memori tersebut (yaitu bandwidth memori). Arsitektur GPU baru mengatasi masalah ini dengan menggunakan memori bandwidth tinggi (HBM) bertumpuk yang dipasang pada interposer silikon yang sama dengan dua chip GPU. Dari perspektif silikon, masalah dengan HBM adalah setiap bit area silikon dua kali lebih besar daripada DRAM tradisional karena antarmuka paralel tinggi yang dibutuhkan untuk bandwidth tinggi. HBM juga mengintegrasikan chip kontrol logika ke dalam setiap tumpukan, sehingga meningkatkan area silikon. Perhitungan kasar menunjukkan bahwa area silikon yang digunakan dalam arsitektur GPU 2.5D adalah 2,5 hingga 3 kali lipat dari arsitektur 2.0D tradisional. Seperti yang disebutkan sebelumnya, kecuali perusahaan foundry siap menghadapi perubahan ini, kapasitas wafer silikon mungkin akan kembali sangat terbatas.

Kapasitas pasar wafer silikon di masa depan

Hukum pertama dari tiga hukum manufaktur semikonduktor adalah bahwa investasi terbesar perlu dilakukan ketika ketersediaan dana paling sedikit. Hal ini disebabkan oleh sifat siklus industri, dan perusahaan semikonduktor kesulitan mengikuti aturan ini. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, sebagian besar produsen wafer silikon telah menyadari dampak perubahan ini dan hampir melipatgandakan total pengeluaran modal triwulanan mereka dalam beberapa kuartal terakhir. Terlepas dari kondisi pasar yang sulit, hal ini masih terjadi. Yang lebih menarik lagi adalah tren ini telah berlangsung lama. Perusahaan wafer silikon beruntung atau mengetahui sesuatu yang tidak diketahui orang lain. Rantai pasokan semikonduktor adalah mesin waktu yang dapat memprediksi masa depan. Masa depan Anda mungkin adalah masa lalu orang lain. Meskipun kita tidak selalu mendapatkan jawaban, kita hampir selalu mendapatkan pertanyaan yang berharga.