শিল্প সংবাদ: জিপিইউ সিলিকন ওয়েফারের চাহিদা বাড়াচ্ছে

অক্সিজেনের পর সিলিকন পৃথিবীর দ্বিতীয় সর্বাধিক সহজলভ্য উপাদান এবং মহাবিশ্বের সপ্তম সর্বাধিক সহজলভ্য উপাদান। সিলিকন একটি অর্ধপরিবাহী, অর্থাৎ এর বৈদ্যুতিক বৈশিষ্ট্য পরিবাহী (যেমন তামা) এবং অন্তরক (যেমন কাচ)-এর মাঝামাঝি। সিলিকনের গঠনে অল্প পরিমাণ বহিরাগত পরমাণু এর আচরণকে মৌলিকভাবে পরিবর্তন করতে পারে, তাই অর্ধপরিবাহী-গ্রেড সিলিকনের বিশুদ্ধতা অবশ্যই অত্যন্ত উচ্চ হতে হবে। ইলেকট্রনিক-গ্রেড সিলিকনের জন্য গ্রহণযোগ্য সর্বনিম্ন বিশুদ্ধতা হলো ৯৯.৯৯৯৯৯৯%।

এর অর্থ হলো, প্রতি দশ বিলিয়ন পরমাণুর জন্য মাত্র একটি অ-সিলিকন পরমাণুর অনুমতি রয়েছে। ভালো পানীয় জলে ৪০ মিলিয়ন অ-জলীয় অণুর অনুমতি আছে, যা সেমিকন্ডাক্টর-গ্রেড সিলিকনের চেয়ে ৫০ মিলিয়ন গুণ কম বিশুদ্ধ।

খালি সিলিকন ওয়েফার প্রস্তুতকারকদের অবশ্যই উচ্চ-বিশুদ্ধ সিলিকনকে নিখুঁত একক-স্ফটিক কাঠামোতে রূপান্তরিত করতে হয়। এটি করা হয় উপযুক্ত তাপমাত্রায় গলিত সিলিকনের মধ্যে একটি একক মাতৃ-স্ফটিক প্রবেশ করিয়ে। যখন মাতৃ-স্ফটিকের চারপাশে নতুন অপত্য-স্ফটিকগুলো বাড়তে শুরু করে, তখন গলিত সিলিকন থেকে ধীরে ধীরে সিলিকন পিণ্ডটি গঠিত হয়। এই প্রক্রিয়াটি ধীর এবং এতে এক সপ্তাহ সময় লাগতে পারে। তৈরি হওয়া সিলিকন পিণ্ডটির ওজন প্রায় ১০০ কিলোগ্রাম হয় এবং এটি দিয়ে ৩,০০০-এরও বেশি ওয়েফার তৈরি করা যায়।

অত্যন্ত সূক্ষ্ম হীরার তার ব্যবহার করে ওয়েফারগুলোকে পাতলা স্লাইসে কাটা হয়। সিলিকন কাটার সরঞ্জামগুলোর সূক্ষ্মতা অত্যন্ত বেশি, এবং অপারেটরদের অবশ্যই ক্রমাগত পর্যবেক্ষণে রাখতে হয়, নইলে তারা সরঞ্জামগুলো দিয়ে নিজেদের চুলে আজেবাজে কাণ্ড করতে শুরু করবে। সিলিকন ওয়েফার উৎপাদনের এই সংক্ষিপ্ত ভূমিকাটি অত্যন্ত সরলীকৃত এবং এতে প্রতিভাবানদের অবদানের পূর্ণ স্বীকৃতি দেওয়া হয়নি; কিন্তু আশা করা যায়, এটি সিলিকন ওয়েফার ব্যবসা সম্পর্কে গভীরতর উপলব্ধির জন্য একটি প্রেক্ষাপট তৈরি করবে।

সিলিকন ওয়েফারের সরবরাহ ও চাহিদার সম্পর্ক

সিলিকন ওয়েফার বাজার চারটি কোম্পানির নিয়ন্ত্রণে রয়েছে। দীর্ঘদিন ধরে বাজারটি সরবরাহ ও চাহিদার এক সূক্ষ্ম ভারসাম্যে রয়েছে।
২০২৩ সালে সেমিকন্ডাক্টর বিক্রিতে মন্দার কারণে বাজারে অতিরিক্ত সরবরাহের পরিস্থিতি তৈরি হয়েছে, যার ফলে চিপ প্রস্তুতকারকদের অভ্যন্তরীণ ও বাহ্যিক মজুদ বেড়ে গেছে। তবে, এটি একটি সাময়িক পরিস্থিতি। বাজার পুনরুদ্ধার হওয়ার সাথে সাথে, এই শিল্প শীঘ্রই তার উৎপাদন ক্ষমতার শেষ সীমায় ফিরে আসবে এবং কৃত্রিম বুদ্ধিমত্তা (AI) বিপ্লবের ফলে সৃষ্ট অতিরিক্ত চাহিদা মেটাতে বাধ্য হবে। প্রচলিত সিপিইউ-ভিত্তিক আর্কিটেকচার থেকে অ্যাক্সিলারেটেড কম্পিউটিং-এ রূপান্তর পুরো শিল্পের উপর প্রভাব ফেলবে, তবে এটি সেমিকন্ডাক্টর শিল্পের স্বল্পমূল্যের অংশগুলোর উপর প্রভাব ফেলতে পারে।

গ্রাফিক্স প্রসেসিং ইউনিট (GPU) আর্কিটেকচারের জন্য আরও বেশি সিলিকন এলাকার প্রয়োজন হয়।

পারফরম্যান্সের চাহিদা বাড়ার সাথে সাথে, জিপিইউ থেকে উচ্চতর পারফরম্যান্স পেতে জিপিইউ নির্মাতাদের কিছু ডিজাইনগত সীমাবদ্ধতা অতিক্রম করতে হয়। স্পষ্টতই, চিপকে বড় করা উচ্চতর পারফরম্যান্স অর্জনের একটি উপায়, কারণ ইলেকট্রন বিভিন্ন চিপের মধ্যে দীর্ঘ দূরত্ব অতিক্রম করতে চায় না, যা পারফরম্যান্সকে সীমিত করে। তবে, চিপকে বড় করার ক্ষেত্রে একটি ব্যবহারিক সীমাবদ্ধতা রয়েছে, যা 'রেটিনা লিমিট' নামে পরিচিত।

লিথোগ্রাফি সীমা বলতে সেমিকন্ডাক্টর উৎপাদনে ব্যবহৃত একটি লিথোগ্রাফি মেশিনে এক ধাপে এক্সপোজ করা যায় এমন একটি চিপের সর্বোচ্চ আকারকে বোঝায়। এই সীমাবদ্ধতা লিথোগ্রাফি সরঞ্জামের সর্বোচ্চ চৌম্বক ক্ষেত্রের আকার দ্বারা নির্ধারিত হয়, বিশেষ করে লিথোগ্রাফি প্রক্রিয়ায় ব্যবহৃত স্টেপার বা স্ক্যানার দ্বারা। সর্বশেষ প্রযুক্তির জন্য, মাস্ক সীমা সাধারণত প্রায় ৮৫৮ বর্গ মিলিমিটার হয়ে থাকে। এই আকারের সীমাবদ্ধতা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ কারণ এটি নির্ধারণ করে যে একটি একক এক্সপোজারে ওয়েফারের উপর সর্বোচ্চ কতটুকু এলাকা প্যাটার্ন করা যাবে। যদি ওয়েফারটি এই সীমার চেয়ে বড় হয়, তবে ওয়েফারটিকে সম্পূর্ণরূপে প্যাটার্ন করার জন্য একাধিক এক্সপোজারের প্রয়োজন হবে, যা জটিলতা এবং অ্যালাইনমেন্টের চ্যালেঞ্জের কারণে ব্যাপক উৎপাদনের জন্য অবাস্তব। নতুন GB200 দুটি চিপ সাবস্ট্রেটকে কণার আকারের সীমাবদ্ধতা সহ একটি সিলিকন ইন্টারলেয়ারে একত্রিত করে এই সীমাবদ্ধতা অতিক্রম করবে, যা দ্বিগুণ আকারের একটি সুপার-পার্টিকেল-লিমিটেড সাবস্ট্রেট তৈরি করবে। অন্যান্য কর্মক্ষমতার সীমাবদ্ধতা হলো মেমরির পরিমাণ এবং সেই মেমরির দূরত্ব (অর্থাৎ মেমরি ব্যান্ডউইথ)। নতুন জিপিইউ আর্কিটেকচারগুলো স্ট্যাকড হাই-ব্যান্ডউইথ মেমোরি (এইচবিএম) ব্যবহার করে এই সমস্যাটি সমাধান করে, যা দুটি জিপিইউ চিপের সাথে একই সিলিকন ইন্টারপোজারে ইনস্টল করা থাকে। সিলিকনের দৃষ্টিকোণ থেকে, এইচবিএম-এর সমস্যা হলো, উচ্চ ব্যান্ডউইথের জন্য প্রয়োজনীয় হাই-প্যারালাল ইন্টারফেসের কারণে এর প্রতিটি বিটের জন্য প্রচলিত ডিআরএএম-এর তুলনায় দ্বিগুণ জায়গা লাগে। এইচবিএম প্রতিটি স্ট্যাকে একটি লজিক কন্ট্রোল চিপও সংহত করে, যা সিলিকনের ক্ষেত্রফল আরও বাড়িয়ে দেয়। একটি মোটামুটি হিসাব থেকে দেখা যায় যে, ২.৫ডি জিপিইউ আর্কিটেকচারে ব্যবহৃত সিলিকনের ক্ষেত্রফল প্রচলিত ২.০ডি আর্কিটেকচারের তুলনায় ২.৫ থেকে ৩ গুণ বেশি। আগেই যেমন উল্লেখ করা হয়েছে, ফাউন্ড্রি কোম্পানিগুলো যদি এই পরিবর্তনের জন্য প্রস্তুত না থাকে, তবে সিলিকন ওয়েফারের ধারণক্ষমতা আবারও খুব সীমিত হয়ে যেতে পারে।

সিলিকন ওয়েফার বাজারের ভবিষ্যৎ ক্ষমতা

সেমিকন্ডাক্টর উৎপাদনের তিনটি নিয়মের মধ্যে প্রথমটি হলো, যখন সবচেয়ে কম অর্থ উপলব্ধ থাকে, তখনই সবচেয়ে বেশি অর্থ বিনিয়োগ করতে হয়। এর কারণ হলো এই শিল্পের চক্রাকার প্রকৃতি, এবং সেমিকন্ডাক্টর কোম্পানিগুলোর জন্য এই নিয়মটি অনুসরণ করা কঠিন হয়ে পড়ে। চিত্রে যেমন দেখানো হয়েছে, বেশিরভাগ সিলিকন ওয়েফার প্রস্তুতকারক এই পরিবর্তনের প্রভাব উপলব্ধি করেছে এবং গত কয়েক ত্রৈমাসিকে তাদের মোট ত্রৈমাসিক মূলধনী ব্যয় প্রায় তিনগুণ বাড়িয়েছে। কঠিন বাজার পরিস্থিতি সত্ত্বেও, এই অবস্থাই এখনও বিদ্যমান। আরও আকর্ষণীয় বিষয় হলো, এই প্রবণতাটি দীর্ঘ সময় ধরে চলে আসছে। সিলিকন ওয়েফার কোম্পানিগুলো হয় ভাগ্যবান অথবা এমন কিছু জানে যা অন্যরা জানে না। সেমিকন্ডাক্টর সরবরাহ শৃঙ্খল হলো একটি টাইম মেশিন যা ভবিষ্যৎবাণী করতে পারে। আপনার ভবিষ্যৎ হয়তো অন্য কারো অতীত। যদিও আমরা সবসময় উত্তর পাই না, আমরা প্রায় সবসময়ই মূল্যবান প্রশ্ন পাই।