不EUV光刻机,也造不了5nm、3nm,国产芯片若何突破?
“芯事重重”是若何腾讯科技半导体财富钻研规画,本期聚焦先进的突破封装工艺对于半导体财富睁开的价钱合成。
潮水如暗流 ,光刻国产迅猛所致,机也行业龙头也被侵略的芯片慢条斯理 。
当半导体加工的若何制程微缩游戏走到尽头,先进封装,突破逐渐成为芯片行业的光刻国产输赢手 。
01 潮水如暗流:黄教主上阵催单,机也台积电冷清扩产
年初,芯片任谁也预料不到,若何往年的突破半导体财富会如斯的冰火双重天。在往年全部芯片行业由于去库存满目百孔千疮之际,英伟达的AI芯片却一颗难求,国内互联网大佬们亲自飞往英伟达总部加州 ,只为多求多少颗A800以及H800。
这倒并非黄教主囤积居奇 ,若何奈何样是由于全部AI芯片行业都受困于台积电产能不够 。
5月27日 ,黄教主明面上是到台湾大学宣告结业仪式演讲,守业大佬给后生的心灵鸡汤尽管好喝 ,但实际上,拷打台积电扩产才是老黄此行的中间目的之一。据清晰 ,台积电已经在调以及提升产能 ,预估2024年尾将冲刺20万片的产能 ,台积电股东会上CEO魏哲家展现,将会在龙潭厂加鼎力度扩展CoWoS产能 ,竹南AP6厂也将退出营救。
图 :黄仁勋出席台大结业仪式宣告演讲
不是说芯片代工产能过剩吗,奈何样还需要老黄亲自跑到台积电督战?与艰深的认知差距,这次急急的不是台积电7nm、5nm这些先进制程的晶圆代工,而是那些从前不被人看重的先进封装,成为了全部财富链的最短板。
在半导体的行业相助中,封装不断都是唾弃链最底部的存在,低附加值高老本开销 ,芯片企业尽管纵然都是绕道走 。
而这次AI芯片的缺货潮使患上先进封装技术代表之一的CoWoS ,第一次走到了聚光灯下,从前这一冷门的名词 ,变患上家喻户晓;业内致使夸诞到可能直接经由跟踪先进封装CoWoS的产能 ,来预判英伟达的下个季度的功劳 ,而后在英伟达的财报季纵容买入看涨期权 。
假如自上而下做逻辑推演 ,那便是 :财富巨头争相妨碍AI的武备角逐—>AI武备角逐需要大批AI芯片—>AI芯片需要台积电代工—>台积电代工被先进封装CoWoS产能限度。
绝不夸诞的说,先进封装一早晨乌鸡变凤凰,成为限度TMT行业睁开的最大瓶颈。
哪怕作为半导体制作无可撼动的年迈,台积电尽管仍在引争先进封装 ,但显明对于这一潮水的迅猛之势豫备缺少,在客户的拷打下,也只能紧迫催单配置装备部署商去自动的削减CoWoS产能。
这也是第一次,巨匠不患上不漠视封装这个行业 。
图:半导体财富链;中泰证券
02 当传统思绪走到尽头
后退芯片功能最直接的方式尽可能多的削减晶体管的数目,这跟提升电动车续航靠堆更多的电池包别无二致。以是对于半导体行业的睁开而言 ,先进芯片研发的传统思绪,始终都是“在晶体管上做文章”,重大来说便是在制程微缩的同时扩展芯周全积。
其中,制程微缩的目的是为了在单元面积上放更多的晶体管 ,也便是咱们常听到的14nm、7nm、5nm、3nm,这样可能把晶体管越做越小,做作单元面积能堆的晶体管就变多了;此外的方式是扩展面积,便是在给定制程的条件下 ,尽管纵然把芯片做患上更大 。
可能说以前数十年,咱们运用的电脑以及手机的逻辑芯片 ,都是靠这种措施在续命 。而这种措施睁开到今日,已经无可防止的直接撞上两大限度 。
限度一,制程微缩的边缘收益越来越小 。
着实从28nm之后,芯片妄想中谋求更先进的制程的性价比就越来越低了。凭证芯原股份的招股书吐露的数据,芯片的单元面积老本在14/16nm 后快捷削减,摩尔定律不断放缓。随着制程从28nm 制程演化到5nm,单次的研发投入也从5000万美元剧增至5亿美元以上。
先进制程成为了烧钱角逐,以是开始进的芯片 ,只剩下苹果 、英伟达 、三星、AMD、英特尔、联发科 、特斯拉、华为等少数多少家企业在做;年初OPPO无奈开幕旗下的哲库团队,即是研发先进芯片高门槛的最佳展现 。
正是由于先进的投入产出比并不用定适宜,以是良多芯片勾留在28nm之后,便再也纷比方味谋求先进制程 。
图:差距工艺节点处于各运历时期的芯片妄想老本(单元
:百万美元);源头:芯原股份招股份析书
限度二 ,大尺寸芯片的良率越来越低。
除了谋求先进制程将晶体管密度提升外,另一个措施便是把芯片做大 ,所谓鼎力出事业 。可是这一纯朴的措施也根基走到了尽头 。
依然以英伟达的AI芯片为例 。由于相较于传统芯片,AI芯片为了实现极限功能将面积做的更大,英伟达的AI裸芯片尺寸个别逾越800妹妹2,是艰深手机主控芯片的数倍大;芯片太大带来的直接下场便是破费的良率快捷飞腾 。
业内有一个分说工艺制作良率的Bose-Einstein 模子 :良率=1/(1+芯周全积*缺陷密度)n。从这个公式不美不雅出 ,单芯片的面积越大,良率就会越低。
有人做作会说了,良率低无所谓,多做多少个不就好了 ?这显明是对于工业化破费清晰不够,英伟达AI芯片如今单颗发售价在1万美元以上 ,良率低带来的损失谁都接受不起。
凭证模子估算,150妹妹²的中大型芯片的良率约为80% ,而700妹妹²以上的超大芯片,良率会狂跌至30% 。而且凭证业内人士泄露,由于光刻掩膜版的尺寸限度,着实单个芯片的面积艰深不逾越800妹妹2,以是英伟达的AI芯片着实已经迫近面积下限。
当增长先进芯片后退的措施 ,都开始蒙受亘古未有的挑战 ,行业势需要追寻新的续命本领。
03 撞见未来 ,揭开先进封装的怪异面纱
尽管封装行业不如芯片妄想以及晶圆代工那末有目共睹,但患上益于芯片种类的大睁开,全天下芯片封装行业的规模也比力可不雅,在2022年的市场规模逾越了800亿美元,是一个很难被轻忽的行业,只不外不断被贴上周期的标签 。
回归到财富,半导体封装是半导体制作工艺的后道工序 ,自己是为了更好的让芯片以及其余电子元器件实现电气衔接;曾经有业内人士做过一个抽象的好比,芯片就至关于大脑皮层,而封装就像大脑的颅骨;以是在半导体的历史长河中,封装都是主角的存在,市场关注度并不高。只是先进封装让封装行业第一次走到了台前。
另一个层面 ,封装行业的技术睁开也并不慢,不是所谓的“纯周期”行业 。
以前70年 ,封装行业至少履历了四次大的技术刷新 。特意是从2010s开始,行业逐渐进入到先进封装的新睁开阶段(2010年,蒋尚义学生提出经由半导体公司衔接多颗芯片的措施,差距于传统封装,界说为先进封装) 。自此之后 ,新的意见也开始层出不穷 ,好比有FC、SiP 、2.5D封装、3D封装、FO、RDL 、TSV等等。
尽管,这也使患上2023年学习先进封装的钻研者,一下子扑面而来泛滥目生的辞汇,着实有些抵御不住。
图:封装技术睁开历史
先进封装的清晰着实并不重大。顺着以前讲的思绪 ,既然纯挚的扩展繁多芯周全积以及削减制程变患上愈发不可行了,那能不能把原本理当超大的繁多芯片,拆成差距的功能模块,而后都在某种制程下做乐成用优异的小芯片,最后再把这些小芯片拼在一起组成一颗“大芯片”,实现“三个臭皮匠顶个诸葛亮”的下场。
这便是先进封装最底层的道理,用化整为零的措施大幅飞腾难度 。假建都用相同的质料做差距的芯片,而后再将各个芯片封装到一起,这种在业内就被称为异构集成;假如致使有些芯片,都是用差距的质料制作 ,而后封装到一起 ,这种在业内被称为异质集成。
为了实现以上想法,财富靠开拓新的工艺,将这种想象酿成事实,比力实现硅片之间衔接的TSV技术(Through Silicon Via,硅通孔技术)、RDL(重布线技术)。
以3D 封装为例,对于高下重叠是统一种芯片,个别TSV就能直接实现电气互联功能了,而重叠高下假如是差距规范芯片 ,则需要经由RDL重布线层将高下层芯片的IO妨碍瞄准,从而实现电气互联。
依然回到英伟达的AI芯片 ,作为先进封装的代表妄想,CoWoS尽管是10年前台积电散漫赛灵思开拓的 ,可是最终在英伟达的AI芯片上被发挥光大。
NVDIA之后主力产物A以及H系列,都是接管了台积电CoWoS 2.5D封装,以A100为例 ,其中的主芯片A100为单芯片架构接管7nm制程,而后装备了海力士的HBM,而这两个最紧张的芯片之间,正是经由CoWoS的方式实现高速互联。
图
:台积电给英伟达提供的CoWoS封装妄想 。
以是说,从前财富还对于先进封装半信半疑(封装厂并未大批投资,而晶圆厂台积电却异军突起),而英伟达热卖的AI芯片,正式宣告先进封装正在成为半导体的输赢手 。
财富龙头玩家也意见到,先进封装在摩尔定律迫近物理极限确当下,将发挥越来越紧张的熏染,因此紧迫地在先进封装上追赶 。
好比牙膏厂英特尔,重点妄想的有两种先进封装妄想:
1)2.5D封装EMIB,主打低老本;2)Foveros3D face-to-face芯片重叠封装工艺,主打高功能 。据报道,英特尔往年妄想推出的14代CPU Meteor Lake,将初次引入Tile这种类Chiplet妄想,集成CPU、GPU 、IO以及SoC四个自力模块 ,并接管Foveros封装技术 。
三星当初先进封装的妄想有四种,搜罗I-Cube、X-Cube、R-Cube、H-Cube。技术道理上截然差距 ,也就不睁开细聊了 。
抛开技术细节不谈 ,并差距厂商的先进封装都与台积电相似,只不外为了分说以及防止专利瓜葛,做了确定水平的规避 。名字差距没啥本性差距,加倍关键的是,巨头们在开始意见到先进封装的紧张性后 ,抉择了打不外就退出。
凭证夷易近生证券的总结,咱们可能看到,之后靠先进封装的产物,将渗透到效率器、手机、AI、可衣着尚有图形展现中去,根基波及到生涯的方方面面,紧张性积少成多 。
图:全天下先进封装代表性处置妄想;质料源头:夷易近生证券
。
04 多一重意思,对于国内财富链象征着甚么?
巨匠做作要问,对于这么紧张的一个趋向 ,咱们国内做患上又奈何样样?
首先要厘清一个潜在的脑子误区,尽管国内的半导体行业睁开是滞后的,可是封装财富链由于技术壁垒相对于低、睁开相对于早,因此全天下相助力仍是可圈可点的 。
凭证数据统计 ,在全天下前十大封装公司中,中国大陆占到了3家,中国台湾占5家,美国为1家 。其中,长电科技 、通富微电以及华天科技,被称为国内封测3巨头,均位列全天下前十。而且这3家封装厂 ,营业妄想颇为全天下化,外洋支出占比均逾越50% ,以其中通富微电为例,AMD的大部份封装都由通富微电来实现 。以是说国产的封装厂具备全天下化的相助力,也绝不为过。
图
:全天下主要封测厂排名;质料源头
:国金证券。
不患上不说,尽管封装咱们并未落伍,可是先进封装简直慢人一步。
仍是拿数据来语言,在全部先进封装规模,日月光的份额抵达26% ,其次是台积电以及安靠,而国产排名最高的长电科技市场份额惟独8%;假如是进一步回升到最尖真个先进封装,那国产的存在感就更弱了,可能作为佐证的是,英伟达所需的CoWoS ,中国大陆财富链存在感即是0。
随着这波先进封装的全天下浪潮,国内的封装厂也开始实时转向 。凭证财富调研信息:
● 长电科技在TSV-less、RDL 等技术方面有所妄想 ,已经推出XDFOI技妙筹划,并实现国内客户4nm节点Chiplet产物的量产出货。
● 通富微电推出融会了2.5D、3D 、MCM-Chiplet 等技术的先进封装平台——VISionS,当初已经具备7nm Chiplet规模量产能耐 ,并不断与AMD等龙头厂商增强相助,估量在AMD即将量产的MI300中饰演紧张的脚色;
● 华天科技推出由TSV 、eSiFo 、3D SiP组成的最新先进封装技术平台——3D Matrix 。
抛开这些封装厂,那先进封装对于国内半导体财富链 ,又有着甚么样的意思 ?
先进封装并不光是睁开AI等芯片的必需工艺,加倍国内实现突破洽谈的紧张“弯道”。这是由于,先进封装是实现chiplet技术的基石性工艺。
良多人将chiplet与先进封装混合,从界说上来说,chiplet,便是将大型单片芯片散漫为多个相同概况差距的小芯片 ,这些小芯片可能运用相同概况差距的工艺节点制作,再经由跨芯片互联以及封装技术妨碍封装级别集成,飞腾老本的同时取患上更高的集成度。
以是chiplet只是一种妄想理念 ,而实现这种妄想理念最紧张的依赖工艺之一便是先进封装。只不外这种理念,对于国产芯片的睁开 ,意思加倍严正。
在外洋的封锁下,假如仅靠国内财富链 ,咱们芯片制程当初可能做到的实际极限是7nm摆布,这跟外洋的3nm仍有二代以上的代差。进一步抵偿代差就需要经由多颗小芯片的重叠,这是可能可能做出更高功能的产物的 。
重大来说,便是咱们可能经由chiplet来实现封锁突破,致使是换道超车 。
于行业睁开纪律而言,先进封装正在日益成为半导体相助的输赢手,与先进制程一起成为先进芯片的必备工艺;于国产链而言,先进封装是实现弯道超车的异曲同工 。叠加起来,国内睁开先进封装实则是加倍紧迫的 ,当革命有了新的倾向,同志们则更需自动。返回搜狐,魔难更多
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