Types de plaquettes pour les CPU et les cartes graphiques

L’un des éléments clés de l’industrie des semi-conducteurs est sans aucun doute la plaquette de silicium. Le composant qui pilote les cœurs de tous les appareils modernes, ainsi que d’autres produits dérivés tels que la RAM. La conception des plaquettes s’est améliorée au fil des ans, mais il est également vrai qu’elle doit relever de nombreux défis. Aujourd’hui, nous examinons ce qui était, est et sera dans le futur.

Nous n’aborderons pas le processus de fabrication des plaquettes en tant que tel, car cela ferait l’objet d’un autre article, et il nous faudrait résumer beaucoup de choses. Cependant, nous allons discuter et définir le terme “wafer” lui-même, car il est important pour comprendre tout ce que nous allons expliquer ci-dessous.

Un wafer, également appelé “pièce” ou “substrat”, n’est rien d’autre qu’une très fine couche de matériau semi-conducteur, généralement du silicium, qui, grâce au processus de fabrication, a la forme d’une boule et sur laquelle sont gravées les puces qui forment ensuite nos processeurs ou nos cartes graphiques.

Sa complexité réside dans sa pureté, puisque le matériau doit être pur à 99,999999999 (appelé 9N), qui, après divers procédés, est utilisé pour former des plaquettes circulaires de différents diamètres et épaisseurs.

La taille et l’épaisseur du disque déterminent le nombre de puces à produire.

Tout d’abord, il faut se rappeler que les dimensions et les épaisseurs que nous avons indiquées sont générales, car chaque exploitation a choisi sa propre méthode de production au fil des ans. Il est donc difficile de définir ces dimensions comme standard et, de plus, dans certains cas, elles sont utilisées par certaines entreprises et pas par d’autres.

Les dimensions font référence à leur diamètre, qui est l’unité de mesure de chaque type de plaque.

Cela permet d’augmenter la taille de la plate-forme au fil du temps, ce qui rend chaque plate-forme de plus en plus rentable, car plus la plate-forme est grande, plus les copeaux opérationnels peuvent être récupérés.

Le défi consiste à créer logiquement des tampons plus grands tout en maintenant leur qualité et leur pureté. En outre, plus la tranche est grande, plus elle est épaisse, ce qui rend la gravure plus difficile mais permet d’appliquer plus de couches simultanément.

Types de plaquettes

La première galette a été créée en 1960, et de ce point de vue, il ne faut pas s’attendre à grand-chose. Cette année-là a été une étape importante qui a lancé une nouvelle industrie 70 ans plus tard. La première taille était de 23 mm, son épaisseur totale n’est pas connue, mais elle devait être très petite, quelques micromètres seulement.

En 1962, après que la technologie ait été perfectionnée, des panneaux de 25 mm ont été produits, dont l’épaisseur totale n’a pas encore été déterminée, mais on pense qu’elle est d’environ 130 micromètres. Un an plus tard seulement, en 1963, l’épaisseur a été portée à 28 mm, augmentant ainsi à nouveau. Bien qu’il n’existe aucune donnée officielle sur cette épaisseur, car elle était trop difficile à mesurer à l’époque, on pense qu’elle se situe entre 180 et 190 micromètres.

Les premières puces et les premiers semi-conducteurs sont arrivés en force sur le marché et ont révolutionné l’industrie, à tel point que leur croissance n’a été stoppée qu’en 1969, lorsque les plaquettes de 51 mm ont été introduites, doublant leur taille en seulement six ans. Il était désormais possible de mesurer l’épaisseur (275 micromètres).

L’industrie se concentrant uniquement sur l’amélioration de la plaquette, le diamètre de celle-ci a atteint 75 mm en 1972, date à laquelle les performances de la plaquette se sont améliorées, notamment grâce à une épaisseur de 375 micromètres. L’industrie a vu le grand potentiel des wafers et le taux de croissance s’est poursuivi à un rythme plus ou moins régulier, avec l’introduction des wafers de 100 et 525 mm en 1976.

Il s’agit d’une autre percée qui a permis d’augmenter considérablement le prix des puces et a conduit à la croissance de l’industrie. En 1981, les tailles sont passées à 125 mm et 625 micromètres, soit une augmentation de 25 % par plaquette en seulement cinq ans.

L’industrie a connu un ralentissement de sa croissance et, avec elle, des problèmes.

Deux ans plus tard, après une chute inattendue de 125 mm de diamètre, l’industrie a atteint 150 mm de diamètre en 1983, créant un précédent pour l’utilisation du pouce comme mesure la plus simple pour le marquage des plaquettes.

L’équivalent de 6 pouces est atteint avec une épaisseur de 675 micromètres.

L’augmentation de la taille a été de 20 %, mais ce résultat a été obtenu en deux ans seulement. À partir de 1983, Intel et d’autres fonderies ont été confrontées à une tâche difficile, car elles avaient besoin d’un nouveau processus de fabrication des plaquettes pour augmenter encore leur taille, et les matériaux utilisés devaient subir un traitement différent pour éliminer les impuretés et, bien sûr, avoir une épaisseur plus importante pour être cohérents.

Il a fallu attendre 9 ans pour que des plaquettes de 200 mm ou 8 pouces soient introduites en 1992, faisant passer l’épaisseur de 675 à 725 micromètres. Cela a marqué une nouvelle amélioration de la rentabilité et du rendement des plaquettes dans l’industrie, mais le ralentissement était évident et aucune amélioration n’était visible.

Il a fallu une décennie pour que l’industrie fasse un nouveau bond en avant dans le développement des plaquettes, les plaquettes actuelles de 300 mm ou 12 pouces apparaissant en 2002, avec une nouvelle augmentation de l’épaisseur à 775 micromètres. Cela signifie une augmentation de 50 % de la rentabilité et un retour de l’oxygène dans les poumons.

Le coût total de possession était si élevé que personne dans le secteur n’a été en mesure de quantifier avec précision le coût total de possession des plus grandes fonderies du monde. Elle est estimée à environ 20 ans, ce qui pour nous en valait la peine car nous utilisons les mêmes wafers depuis 18 ans.

L’avenir est incertain, l’investissement est énorme et le saut d’évolution est énorme pour les wafers.

Après de nombreuses années de promesses et de nouvelles promesses, l’industrie n’a pas réussi à produire des plaquettes plus grandes, malgré les investissements considérables de toutes les fonderies. Dans ce cas, le chiffre n’est pas connu, mais de nombreux analystes affirment que les nouvelles plaquettes de 450 mm à 925 micromètres seront un gouffre financier.

Insatisfaisant, et il n’y a pas de date limite pour l’investissement. La date la plus proche à laquelle ces plaquettes peuvent être mises sur le marché est 2025, car leur processus de fabrication nécessite l’ajout de matériaux de “croissance” du silicium pour supporter les contraintes et les tensions requises par le processus de découpe.

Il a été signalé que le principal problème de ces plaquettes est leur intégrité structurelle, car si certaines restent parfaites après la découpe primaire, d’autres se déforment et deviennent inutilisables pendant le traitement ou l’usinage.

Le problème est d’arriver au point où nous atteignons la limite physique du nanomètre avant la limite physique de la plaquette, afin que l’ensemble de l’industrie puisse concentrer ses ressources sur la production de diamètres plus grands seulement, plutôt que de réduire la taille des transistors.

La récente entrée de la Chine dans l’industrie des semi-conducteurs pourrait également s’avérer être un tournant, non seulement en raison des capitaux investis, mais aussi parce que la Chine est désormais le pays technologique qui connaît la croissance la plus rapide. Le problème, c’est qu’elle doit d’abord récupérer ses pertes, puis enfin innover. L’échéance de 2025 risque donc d’être un peu courte si les problèmes persistent, et l’industrie n’aura pas beaucoup de marge de manœuvre lorsqu’Intel mettra la pédale douce et obligera TSMC et Samsung à faire de même.