A mesterséges intelligencia (MI) gyorsan fejlődött az elmúlt néhány évben, forradalmasította az iparágakat és megváltoztatta mindennapi életünket. Ez a példátlan számítási növekedés-igény intenzív nyomást gyakorol a háttériparra, mert nagyobb memóriakapacitásra és gyorsabb feldolgozási sebességre van szükség az MI adatátvitelek kezeléséhez.

Ennek a folyamatnak döntő összetevői a nagy teljesítményű félvezetők. A mesterséges intelligencia félvezetőpiaca az előrejelzések szerint 2028-ra eléri a 159 milliárd USA dollárt, ami több mint kétszerese a 2024-re tervezett 71,3 milliárdnak. Ahhoz, hogy a chipgyártók hatékonyabb és erősebb chipeket építhessenek, a mögöttük álló gyártástechnológiát is tovább kell fejleszteniük.

A Hanwha Precision Machinery, egy világszerte elismert fejlett gyártási megoldásokkal foglalkozó
vállalat, több mint 30 éve folyamatosan fektet be ennek a technológiának a kutatásába és fejlesztésébe, a chipgyártókat világszerte ellátja speciális gépekkel.

Ebben a cikkben megvizsgáljuk azokat a kihívásokat, amelyek a fejlett chipek gyártása során adódnak és azt, hogyan segíthetik a speciális megoldások – például a Hanwha Precision Machinery által szállítottak – leküzdeni őket.

A mesterséges intelligencia növekvő igénye a fejlett chipekre

Ahogy a mesterséges intelligencia egyre jobban beépül az életünkbe, a számítási teljesítmény és hatékonyság iránti igény soha nem nem látott mértékben nő. Ismét bekövetkezhet egy újabb félvezetőhiány – mint amilyet a járvány is idején tapasztaltunk – mivel az adatközpontokban egyre nagyobb szükség lesz a felhőalapú MI és az MI-kompatibilis eszközök támogatására.

Az MI számításigénye sokkal nagyobb, mint amennyit a hagyományos félvezető-technológia képes kezelni. A kereslet most olyan új chip-struktúrát tesz szükségessé, amely több adat feldolgozására képes egyanazon időkereten és fizikai területen belül.
A chipekben tranzisztorok vannak – apró kapcsolók – amelyek szabályozzák az elektromos áram folyását és a számítási funkciókat, amelyek a memóriák és a logikai egységek működéséhez szükségesek. Minél több tranzisztor van egy chipben, annál több adatot tud feldolgozni és annál fejlettebb lesz.
Az utóbbi időkben a chipgyártási technológia úgy fejlődött, hogy mindegyik tranzisztor a lehető legkisebb legyen, ami valójában már pár nanométeres léptékű. Emiatt a chipgyártási folyamat hagyományosan a "front-end" gyártási szakaszra összpontosított, ahol a tranzisztorokat tervezik és nyomtatják.

A chipek azonban elérték fizikai határaikat!

A mérnökök most azon dolgoznak, hogy tovább csökkentsék a chipek teljes méretét, azonban a tranzisztorok közötti távolság 3 nm-ről 2 nm-re való csökkentésével, a hagyományos, 2D-s chip felépítésnél egyszerűen elfogyott a hely.

A probléma megoldása érdekében a chipgyártók a chipek függőleges egymásra helyezését alkalmazzák, amely nem csak helytakarékos, de a feldolgozási sebesség javítására is kiváló megoldás. Ez utóbbi ugyanis közvetlenül függ a csatlakoztatott tranzisztorok számától, így ha a hely elfogyott, az egymásra halmozás (stacking-up) a megoldás – de csak akkor, ha létezik a rétegek közötti kommunikációt lehetővé tevő technológia. Itt játszik döntő szerepet a speciális háttérgyártás.

A fejlett „csomagolási" technológiának köszönhetően a tranzisztorok részben egymás mellé (2,5D) vagy teljesen egymásra (3D) helyezhetők el és minden réteg (kocka) lyukakon keresztül, elektronikusan csatlakoztatható, vagy közvetlenül kapcsolódhat a tranzisztor alsó vagy felső rétegéhez. Ez olyan eljárások révén lehetséges, mint a termikus kompresszió és a hibrid kötés, amelyek elősegítik a gyorsabb feldolgozást és a költséghatékony gyártást. A fejlett chipgyártás jövője most az egymásra építésben rejlik.

A „stacking-up” módszert a nagy sávszélességű (High Bandwith Memory – HBM) memóriagyártásánál is alkalmazzák, amely egy speciális típusú memóriachip és nagyobb kapacitással rendelkezik, mint a hagyományos, dinamikus véletlen hozzáférésű memóriák (DRAM).

Mi az a HBM és miért fontos?

A HBM a ChatGPT-t és más generatív AI-rendszereket meghajtó grafikus feldolgozó egységek (GPU-k) alapvető összetevője. Minden más memóriachipnél gyorsabb adatátvitelre képes, így különösen alkalmas összetett számítási feladatokra. A legfejlettebb DRAM-ok rétegeinek függőleges egymásra helyezésével a HBM jelentősen megnöveli az adatátviteli sebességet a memória- és a feldolgozó egységek között, csökkenti a késleltetést, és nagyobb adat-sávszélességet biztosít. Ez kulcsfontosságú az MI-modell nagy átviteli sebességének kezelésénél.

2013-as bevezetése óta a HBM folyamatosan fejlődik. A HBM4 közelgő korszaka készen áll arra, hogy a sávszélességet és a hatékonyságot egy magasabb szintre emelje. Az adatközpontokra, mesterséges intelligenciára, gépi tanulásra és nagy grafikai igényű alkalmazásokra optimalizált HBM4 várhatóan 16 vagy több lapkát tartalmaz majd, ami felülmúlja a jelenlegi HBM3 és HBM3E megoldások 12 rétegét. Mivel a nagyobb teljesítményű memória iránti növekvő igény meghaladja a termelési kapacitást, a vállalatok versenyeznek, hogy a fejlett csomagolási megoldások következő generációját biztosítsák a kereslet kielégítésére.

A HBM gyártása azonban drága: akár ötször többe kerülhet, mint a hagyományos DRAM-ok. Bár a HBM-kínálat várhatóan növekedni fog és a szállítások kalkulálhatóan elérik a 45%-os összetett éves növekedési rátát (CAGR) a következő öt évben, ezeknek a chipeknek az ára várhatóan mégis magas marad. Ez a technikailag rendkívül bonyolult gyártásnak és az MI számítási igényeinek megnövekedése miatti, folyamatos keresletnövekedésének lesz köszönhető.

Tehát pontosan mi kell ezeknek a fejlett félvezetőknek a gyártásához?

Fejlett gyártás: Megoldások szállítása
a következő generációs MI számára

A mesterséges intelligencia gyors növekedése nemcsak a nagyobb teljesítményű chipek iránti igényt váltja ki, hanem a megépítésükhöz szükséges fejlett gyártási technológiát is. A félvezetők építése egy rendkívül bonyolult, kényes folyamat, amely nyolc kulcsfontosságú szakaszt ölel fel: ötöt a "front-end" folyamatban, ahol az áramköröket pontosan nyomtatják lapkákra, és hármat a háttérfolyamatban, ahol a nyomtatott darabokat kiemelik, becsomagolják és szigorúan tesztelik. Ahhoz, hogy ezeket a folyamatokat átláthassuk, rendkívül speciális berendezésekre van szükségünk, amelyek akár 10 mikrométeres méreteket is képesek kezelni – tized olyan vékonyakat, mint egy emberi hajszál. Minél nagyobb teljesítményű a chip, annál kisebb tűrés szükséges az előállításához. Az új chipek építése is időigényes: a kezdeti kutatástól és fejlesztéstől a tömeggyártásig, akár 10 év is eltelhet.

Az új mesterséges intelligencia alkalmazások által támasztott növekvő kereslet mellett, a félvezetőipar hagyományosan érzékeny a társadalmi-gazdasági változásokra. A mesterséges intelligencia gyors elterjedésének forgatókönyve szerint – amely a PC-k 31%-os és az okostelefonok 15%-os növekedését várja – a félvezetőgyártó létesítmények (vagy a mesterséges intelligencia-chipeket előállító gyárak) számát négyszeresére kellene növelni ahhoz, hogy a teljesítmény a becsült, 25-35%-os mértékben növekedjen. Eközben az adatközpontok és a szerverek a becslések szerint a következő néhány évben gyorsabban fognak növekedni a mesterséges intelligencia miatt, ami fokozza a chipellátás hiányának kockázatát.

Az ellátási zavarok mérséklése és a robbanásszerű kereslet kielégítése érdekében határozott lépésekre van szükség, amelyek támogatják a megnövekedett félvezető-gyártási kapacitást. Az olyan vállalatok, mint a Hanwha Precision Machinery, kulcsfontosságúak az erős ellátási lánc biztosításában. Élvonalbeli eszközöket és technológiákat biztosítanak a globális félvezetőgyártók számára. A Hanwha Precision Machinery mind a "front-end" mind a háttérgyártást átfogó berendezésekkel képes gyorsan reagálni a változásokra, így hamarabb piacra dobni a legújabb fejlesztésű készülékeket.