AI 晶片需要更大矽晶圓，矽晶圓供應商迎接重大市場轉變
面對人工智慧 (AI) 時代對晶片的需求高度成長，使矽晶圓需求增加。然要生產純度足以製造晶片的矽晶圓過程複雜繁瑣，接下來半導體產業復甦，加上人工智慧市場需求，矽晶圓供應可能呈現供不應求。
Semi Wiki 專文說明，雖然戲是地球上第二常見的元素，但是要將矽砂生產到價值成長一千倍的矽晶圓，有非常複雜的技術與繁瑣的過程。因為其關鍵在要成為能生產半導體晶片的矽晶圓，純度要達到 99.9999999%，這意味著在矽晶圓當中每 10 億個原子，只允許一個非矽原子。
而要生產出這樣純度的矽晶圓，需要透特殊的長晶爐，在大概一周的時間中，長成重約 100 公斤的矽晶棒。之後，經由一條細如頭髮的鑽石切割線，在進一步切割該矽晶棒之後，即可以獲得約 3,000 片的矽晶圓。而在這樣繁瑣且精密過程中所生產出來的半導體用矽晶圓，目前全球市場掌握在四家大廠手中：日本信越化學工業（ShinEtsu）與勝高（Sumco）、台灣環球晶、德國世創 （Siltronic AG） 等。
矽晶圓的市場供需，在經歷 2023 年半導體市場的衰退，造成供過於求的庫存過高情況之後，隨著半導體市場的需求逐漸復甦，矽晶圓庫存也回到健康水準的情況下，目前矽晶圓的供應也逐步回復。文章中指出，除了原本半導體市場的需求之外，面對 AI 市場的發展熱絡，在 AI 晶片有較大面積，矽含量更高的情況下，預計將造成矽晶圓的需求量增加，價格提高的情況。而其中價格雖然只佔台積電或輝達最終產品成本很低的一部分，但卻會影響整個產品後續的供應情況。
AI 晶片面對效能必須不斷提升下，必須藉由增加面積來容納更多的元件，進一步發揮最大效能。而要增加晶片面積，就必須要增加光罩的極限尺寸。就目前最新技術來說，光罩的極限尺寸約為 858 mm²。一旦超過此極限尺寸就必須要透過多次的曝光來完成工作，但這樣所提高的成本對於晶片大量生產來說是不確實際的。就輝達 GB200 的 AI 晶片來說，將透過在矽中介層上整合兩個在最大光罩極限尺寸的晶片來達到這一晶片的生產，也藉此建構出一個 2 倍於光罩極限尺寸的超級晶片。
而除了 AI 晶片本身的尺寸大小，要晶片高效能運算，高頻寬記憶體 (HBM) 相當重要。由於 HBM 為堆疊每個記憶單元的連結介面是傳統 DRAM 的兩倍，再加上每個堆疊都需要一個控制晶片的情況下，對於單純矽晶園的需求都進一步的提升。根據粗略估算，採用 2.5D 架構的 AI 晶片鎖使用的矽面積，將是傳統 2.0D 架構矽面積的 2.5~3 倍。除非矽晶圓供應商準備面對變化，否則矽晶圓產能可能再次面臨供應吃緊。
多數矽晶圓供應商都意識到變化，且過去幾季合併單季資本支出幾乎增加三倍。更有趣的是，這種趨勢很久前就開始了。接下來半導體市場復甦加上 AI 熱潮，矽晶圓廠商應對或會左右半導體產業與市場發展。
(首圖來源：信越化學)