（原标题：GPU引发硅晶圆需求增长）

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人工智能需要更多的硅产能

在供应链的深处，一些魔法师将沙子变成了完美的钻石结构硅晶体盘，这是整个半导体供应链所必需的。

它们是半导体供应链的一部分，使 “硅砂 ”的价值提高了近千倍。

你在沙滩上看到的微光就是硅。硅是一种复杂的晶体，具有脆性和固体类金属（金属和非金属特性）。硅无处不在。

硅是地球上仅次于氧气的第二大常见材料，也是宇宙中第七大常见材料。

硅是一种半导体，这意味着它具有介于导体（如铜）和绝缘体（如玻璃）之间的电特性。

硅结构中微量的外来原子就能从根本上改变其行为，因此半导体级硅的纯度必须高得惊人。电子级硅可接受的最低纯度为 99.9999999%。

这意味着每十亿个原子中只允许有一个非硅原子。

好的饮用水允许有 400 万个非水分子，比半导体级硅的纯度低 50 万倍。

空白硅片制造商必须将高纯度硅转化为完美的单晶结构。具体做法是在适当的温度下将单个母晶体导入熔融硅中。随着新的相同子晶体开始在母晶体周围生长，硅锭就从熔融硅中慢慢形成了。

这个过程很慢，可能需要一周的时间。成品硅锭重约 100 千克，可制作 3000 多个晶片。

用非常细的金刚石线将硅锭锯成两根头发丝宽的晶片。硅切割工具的精度非常高，操作员必须时刻接受监督，否则他们就会开始用工具对自己的头发做傻事。

硅切割工具操作员的头发

以上对生产硅晶圆的简单介绍过于简化，没有充分体现奇才们的功劳；但希望能为深入了解硅晶圆业务提供一个背景。

硅晶圆的供求关系

硅晶圆市场由以下四家公司主导。长期以来，市场一直处于供需之间微妙的边缘产能平衡状态。

2023 年半导体销售额的下滑使市场陷入供过于求的局面，导致芯片制造商的内部和外部库存居高不下。

然而，这只是暂时的情况。随着市场复苏，该行业将很快恢复到边缘产能，并必须满足人工智能革命带来的额外需求。

从基于传统 CPU 的架构向加速计算的转型将对整个行业产生影响，因为与过去的传统架构相比，这种转型需要更多的硅片面积。

Nvidia 和台积电将获得所需的硅晶圆，因为晶圆成本与系统总成本相比只是零头。不过，这可能会对半导体行业的低价值领域造成影响。

GPU架构需要更多的硅片面积

随着对性能要求的提高，GPU 制造商必须克服一些设计限制，才能从 GPU 中获得更高的性能。

将芯片做大显然是获得更高性能的一种方法，因为电子不喜欢在不同芯片之间进行长距离传输，这就限制了性能。然而，将芯片做大有一个实际限制，即 “视网膜极限”。

光刻极限是指在半导体制造中使用的光刻机上单步曝光的芯片的最大尺寸。这一限制由光刻设备的最大磁场尺寸决定，特别是光刻工艺中使用的步进器或扫描仪。就最新技术而言，网罩限制通常约为 858 平方毫米。

这一尺寸限制非常重要，因为它决定了一次曝光可在晶片上图案化的最大面积。如果裸片大于这个限制，则需要多次曝光才能完全图案化裸片，由于复杂性和对准挑战，这对于大批量生产是不切实际的。

新的 GB200 将克服这一限制，将两个受微粒限制的裸片组合在一个硅中间膜上，形成一个超微粒限制 2 倍的超级裸片。

其他性能限制是内存的数量和到内存的距离（即内存带宽）。新型 GPU 架构通过使用堆叠式高带宽内存（High Bandwith Memory）来克服这一问题，该内存与两个 GPU 芯片安装在相同的硅集成器上。

从硅的角度来看，HBM 的问题在于，由于创建高带宽所需的高并行接口，每比特的硅面积是传统 DRAM 的 2 倍。HBM 还在每个堆栈中集成了一个逻辑控制芯片，增加了硅面积。

粗略计算显示，2.5D GPU 架构使用的硅面积是传统 2.0D 架构的 2.5 至 3 倍。

如前所述，除非晶圆公司做好了应对这一变化的准备，否则硅晶圆的产能可能会再次非常紧张。

硅晶圆市场的未来容量

半导体制造业三大定律中的第一条就是：在拥有最少资金的时候，需要投入最多的资金。这是由于行业的周期性，半导体公司很难遵循这一规律。

从下图可以看出，大多数硅晶圆制造商都意识到了这一变化的影响，在过去几个季度里，他们的季度资本支出总额几乎膨胀了三倍。尽管硅晶圆公司面临着困难的市场条件，但情况依然如此。

更有趣的是，这种趋势很早就开始了。硅晶圆公司运气好，或者知道一些别人不知道的事情。

半导体供应链是一台可以预测未来的时光机。你的未来可能就是别人的过去。虽然我们并不总能得到答案，但我们几乎总能得到值得探究的问题。

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