本文來自微信公眾號“半導體行業(yè)觀察”。
時不時地，評論芯片行業(yè)的分析師會宣稱摩爾定律已經(jīng)過時。然而，盡管進步速度正在放緩，但芯片制造商仍然每2.5年左右將集成電路(IC)上的晶體管數(shù)量翻一番。過去，全新的芯片設(shè)計方法似乎從未流行起來?，F(xiàn)在情況已不再如此，因為對于運行當今一些最重要的應用至關(guān)重要的新想法正在迅速受到青睞。
這些新概念中最重要的一個是先進封裝，它通過減小電觸點的尺寸來容納越來越多的晶體管。傳統(tǒng)上，半導體芯片專注于執(zhí)行一種特定的操作或過程。相比之下，先進的多芯片封裝將多個芯片和工藝集成到一個組件中。這種變革性方法將大量半導體元件集成到一個封裝中，直接解決了最關(guān)鍵的半導體技術(shù)和商業(yè)限制。（見圖1。）
先進的多芯片封裝可提高性能并縮短上市時間，同時降低芯片制造成本和功耗。此外，由于先進芯片封裝是芯片集成度的一次徹底變革，能夠釋放更多功能并縮小尺寸，因此非常適合移動設(shè)備等關(guān)鍵應用，以及未來幾年的汽車計算和生成式人工智能(GenAI)。
對于芯片制造商、投資者以及計算設(shè)備和設(shè)備制造商而言，先進封裝的出現(xiàn)代表著半導體行業(yè)格局的根本性轉(zhuǎn)變。下一代行業(yè)領(lǐng)先組織將是那些意識到價值創(chuàng)造正在轉(zhuǎn)向能夠使用先進封裝等概念設(shè)計和集成復雜系統(tǒng)級芯片解決方案的公司。僅僅制造單個組件將很快失去光彩，取而代之的是協(xié)作努力，將最好的設(shè)計、封裝和系統(tǒng)集成結(jié)合在一起以滿足市場需求。
封裝或滅亡
我們現(xiàn)在正處于“More than Moore”的時代。正如戈登·摩爾本人所預測的那樣，他的定律最終不可避免地會達到經(jīng)濟收益遞減的閾值。隨著行業(yè)達到晶體管密度和芯片尺寸的物理極限，在小空間內(nèi)塞入更多晶體管的成本正在激增。但是，先進的多芯片封裝不是試圖將更多晶體管擠進單個芯片，而是能夠組合更小、成本和性能優(yōu)化的裸片（由功能集成電路組成的未封裝半導體芯片）。它通過使用高帶寬互連和最新的前端或晶圓制造技術(shù)來釋放封裝組件的綜合能力。也許最重要的是，這些組件中的每一個都可以有不同的用途，與已經(jīng)達到其擴展極限的組件（例如輸入/輸出塊）相比，計算和內(nèi)存可以在更小的技術(shù)節(jié)點上運行。
這些組件可以更緊密地放置在先進的基板上，使數(shù)據(jù)傳輸率比最新的主板快35倍。這也允許在多個系統(tǒng)中重復使用芯片設(shè)計，因為模塊化組件可以以多種方式組合以驅(qū)動各種不同的應用。相比之下，更廣泛使用的片上系統(tǒng)(SoC)僅針對單一應用而設(shè)計。
四個例子說明了先進封裝的優(yōu)勢。（見圖2。）
第一個例子是NVIDIA Hopper H200，這是當今最具創(chuàng)新性的AI核心圖形處理單元(GPU)之一。六個高帶寬內(nèi)存(HBM)堆棧與中央IC芯片封裝在一起，可實現(xiàn)高達4.8 TB/s的互連速度。傳統(tǒng)系統(tǒng)通過印刷電路板連接芯片，通常限制在200 GB/s以下。近距離互連也大大降低了這些芯片的功耗，使支持大型語言模型(LLM)的數(shù)據(jù)中心在經(jīng)濟上可行。
第二個例子是AMD Ryzen系列。通過選擇多個較小的芯片而不是單個大型SoC，設(shè)計人員能夠從每個異構(gòu)集成芯片的一系列節(jié)點大小中進行選擇，并選擇針對每個封裝功能進行優(yōu)化的芯片。這種方法將制造成本降低了50%。較小的芯片尺寸通過提高制造良率有助于降低成本，因為晶圓上相同數(shù)量的缺陷分布在更多芯片上。
第三個例子涉及芯片面積大小。通過將Optireg線性電壓控制器中使用的單個芯片集成到先進的封裝中，英飛凌能夠?qū)⒉考恼加每臻g減少60%。壓縮復雜系統(tǒng)所需的空間可以實現(xiàn)新一代緊湊型設(shè)備，而不會影響計算能力或功能。這種小型化對于空間非常寶貴的行業(yè)至關(guān)重要，例如移動和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備、助聽器和心臟起搏器等小型醫(yī)療設(shè)備以及汽車計算系統(tǒng)。
最后，英特爾和其他集成設(shè)計制造商(IDM)一樣，大幅擴大了其業(yè)務制造方面的投資，以開發(fā)先進的多芯片封裝能力。英特爾已經(jīng)證明，在其數(shù)據(jù)中心GPU Max系列中從單個大型SoC切換到多個芯片可以最大限度地降低芯片復雜性，并允許現(xiàn)有芯片設(shè)計在多個封裝中重復使用。在此過程中，英特爾發(fā)現(xiàn)這可以將上市時間縮短高達75%。
先進封裝撼動價值鏈
目前，先進封裝約占整個半導體市場的8%，預計到2030年將翻一番，達到960億美元以上，超過芯片行業(yè)的其他部分。目前，智能手機等消費電子產(chǎn)品主導著先進封裝應用，但人工智能領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展將推動未來的增長。人工智能需要計算和內(nèi)存元件之間快速的數(shù)據(jù)交換，這可以通過2.5D和3D封裝實現(xiàn)。這些方法將兩個以上的芯片彼此相鄰放置，以相對較低的成本產(chǎn)生較高的互連速度。人工智能應用已經(jīng)占到整個先進封裝市場的25%，并且在未來十年內(nèi)，這一數(shù)字有望以每年約20%的速度增長。
隨著這一增長趨勢的加速，先進封裝將顯著改變半導體生態(tài)系統(tǒng)。（見圖3。）傳統(tǒng)上，芯片制造的價值鏈相當簡單：一個芯片設(shè)計師、一個前端制造商和一個后端封裝和測試公司。有時所有這些角色都由同一家集成設(shè)備制造商處理。在這種情況下，價值捕獲的最大份額集中在芯片設(shè)計和前端——大多數(shù)創(chuàng)新都在這里——而封裝則被降為利潤率較低的角色。
但先進的多芯片封裝需要對封裝設(shè)計進行深刻的反思，以及如何有效和持續(xù)地改進它。它要求提升芯片價值鏈每個環(huán)節(jié)的能力。隨著封裝成為系統(tǒng)性能的核心決定因素，多個半導體芯片（通常由不同的公司設(shè)計和制造）將必須集成在同一個封裝中，而封裝本身可能由另一家公司生產(chǎn)。因此，系統(tǒng)設(shè)計師需要協(xié)調(diào)這個新的、更復雜的供應鏈，并推動所有參與者之間的密切合作和協(xié)調(diào)。
傳統(tǒng)芯片制造周期即將發(fā)生根本性變化，這已促使各家公司重新分配資本支出，并重新集中研發(fā)力量，以領(lǐng)先于新興趨勢。我們認為，芯片行業(yè)結(jié)構(gòu)的主要變化將體現(xiàn)在三個方面：
1.提升系統(tǒng)設(shè)計的作用。
先進封裝設(shè)計所占的價值份額將大幅上升，凸顯其戰(zhàn)略重要性。（見圖4。）作為回應，芯片設(shè)計公司正在通過將設(shè)計從單個芯片擴展到整個系統(tǒng)（包括將多個芯片集成到先進封裝中）來鞏固對這一關(guān)鍵領(lǐng)域的控制。
2.從前端轉(zhuǎn)向后端。
封裝將成為創(chuàng)新的重點，成為系統(tǒng)性能的關(guān)鍵差異化驅(qū)動因素。雖然前端制造將繼續(xù)占據(jù)價值創(chuàng)造的很大份額，但后端設(shè)計和封裝的重要性和利潤價值將不斷提升。
3.適應復雜性。
制造先進的半導體封裝是一個復雜的過程。為了管理它，必須對電子設(shè)計自動化(EDA)軟件進行編程，以設(shè)計和模擬封裝中的多個芯片，以及它們的相互作用如何影響操作條件，例如散熱和翹曲。同樣，材料供應商必須開發(fā)新的創(chuàng)新材料，以解決先進封裝中眾多界面處的熱膨脹和熱傳遞等問題。并且必須對封裝設(shè)備進行改造，以滿足先進封裝不斷減小的特征尺寸和不斷提高的精度要求。
芯片行業(yè)面貌的改變
隨著這些技術(shù)變革的深入，半導體行業(yè)的面貌將發(fā)生重大變化。首先，芯片設(shè)計、封裝工程和系統(tǒng)架構(gòu)之間的協(xié)作程度將大大提高，因為每個環(huán)節(jié)都會直接影響其他環(huán)節(jié)。一個芯片的功率分布將影響下一個芯片的熱負荷，并且可能需要定制材料來優(yōu)化系統(tǒng)性能。
就像當今芯片設(shè)計和制造共同發(fā)展的前端格局一樣，戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系將越來越多地從多個前端參與者擴展到后端封裝制造。一個很好的例子是NVIDIA的Hopper H100，它使用TSMC CoWoS-S封裝，該封裝結(jié)合了NVIDIA設(shè)計、TSMC制造的芯片和SK Hynix設(shè)計和制造的HBM。另一個例子是：當今的芯片公司在構(gòu)建芯片時，會在其電子設(shè)計自動化軟件中使用特定代工廠的制造工藝開發(fā)套件。明天，該套件可能會以類似的方式包含特定的封裝解決方案。
另一個潛在的更大合作領(lǐng)域?qū)⑸婕癎enAI和機器智能。集成在EDA軟件中的人工智能功能可以自動化IC布局和平面規(guī)劃；優(yōu)化功率、性能、面積(PPA)，這是半導體設(shè)計的基本組成部分；并以前所未有的程度簡化和加快芯片生產(chǎn)。但由于AI平臺的成功在很大程度上取決于其學習數(shù)據(jù)集的大小和準確性，EDA軟件供應商和芯片設(shè)計師必須在匯集內(nèi)部藍圖和框架以增強AI知識庫的同時，不向競爭對手泄露他們的設(shè)計秘密。
即便各家公司都在爭奪地位，地緣政治和監(jiān)管限制與機遇也會出現(xiàn)，影響供應鏈和市場準入。隨著各國政府試圖吸引、留住和支持芯片制造領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，對先進多芯片封裝的補貼越來越流行。與此同時，由于半導體被視為對國家和經(jīng)濟安全至關(guān)重要，各個地區(qū)都在建立貿(mào)易壁壘來保護國內(nèi)制造業(yè)。然而，這些措施可能會影響半導體公司的供應、合作伙伴和客戶的可用性。
面向半導體企業(yè)的戰(zhàn)略解決方案
由于先進封裝技術(shù)即將帶來如此多的變化，半導體行業(yè)的不同參與者將需要采取不同的戰(zhàn)略要務，以保持持續(xù)的差異化和價值獲取。以下是該行業(yè)各個細分領(lǐng)域如何才能獲得最佳定位的細分。（見圖5。）
一、無晶圓廠芯片制造商
無晶圓廠芯片制造商專注于設(shè)計芯片并與代工廠合作制造，他們將不得不大幅擴展其業(yè)務模式以應對先進封裝的挑戰(zhàn)。隨著單芯片成為先進多芯片封裝的一部分，成功整合整個系統(tǒng)開發(fā)和生產(chǎn)的無晶圓廠芯片設(shè)計者將獲得最高的價值份額。然而，這帶來了巨大的挑戰(zhàn)，即協(xié)調(diào)和管理跨其他芯片設(shè)計者、多家代工廠甚至材料供應商的復雜供應鏈。除了實際執(zhí)行之外，系統(tǒng)設(shè)計者還要對復雜產(chǎn)品的性能向客戶負責，而與該合資企業(yè)中的合作伙伴建立信任關(guān)系的封裝制造商可能愿意承擔整個系統(tǒng)的責任?；蛘撸溨械乃袇⑴c方可能同意在產(chǎn)品發(fā)布后的一段時間內(nèi)分擔責任，屆時他們有足夠的樣品來確定最常見的故障點。
二、晶圓廠
先進封裝將威脅領(lǐng)先節(jié)點代工廠的收入，因為它減少了對大型單片SoC的需求，取而代之的是更小、更標準化的芯片。為了保持利潤水平，領(lǐng)先節(jié)點代工廠應將其產(chǎn)品擴展到先進封裝領(lǐng)域，將自己定位為系統(tǒng)代工廠。
然而，專注于成熟節(jié)點的代工廠將很難開發(fā)出能夠與領(lǐng)先節(jié)點同行直接競爭的先進封裝解決方案，因為領(lǐng)先節(jié)點同行更樂于創(chuàng)新，也更愿意進入新市場。這些代工廠仍可以通過在其產(chǎn)品組合中增加用于硅中介層的硅通孔(TSV)來進入先進封裝領(lǐng)域——這是促進許多先進封裝中連接和通信的關(guān)鍵要素。這將使他們能夠在成熟芯片的前端需求較低時提高晶圓廠利用率。
三、集成設(shè)備制造商
傳統(tǒng)上，IDM設(shè)計、制造和封裝自己的芯片，即使價值鏈的某些部分可能外包。然而，這種商業(yè)模式的經(jīng)濟性在先進封裝環(huán)境中可能面臨挑戰(zhàn)，因為系統(tǒng)設(shè)計人員越來越需要未封裝的芯片來集成到其他供應商的封裝中，從而限制了對IDM封裝終端產(chǎn)品的需求。領(lǐng)先的IDM可能能夠自己獲得系統(tǒng)設(shè)計人員的角色，特別是對于利潤豐厚的專業(yè)應用。
另一種選擇是，IDM向無晶圓廠客戶提供前端和后端設(shè)施，從而提供系統(tǒng)代工服務。雖然這肯定會提高資產(chǎn)利用率，但它需要在IDM自己的產(chǎn)品和為成為客戶的無晶圓廠競爭對手制造的產(chǎn)品之間建立強大的防火墻。這些防火墻應確保生產(chǎn)線或團隊嚴格分離。這大大增加了復雜性，但如果IDM希望在先進封裝占據(jù)主導地位時避免失去其在芯片生態(tài)系統(tǒng)中的地位，那么制定一項克服這一挑戰(zhàn)的戰(zhàn)略可能勢在必行。
四、外包半導體組裝和測試(OSAT)供應商
由于IDM和代工廠已經(jīng)生產(chǎn)了約30%的先進封裝晶圓，傳統(tǒng)的OSAT必須仔細評估自己在市場中的最佳定位，盡管市場正在發(fā)展，但在一定程度上正在向價值鏈的其他部分轉(zhuǎn)移。在新的封裝世界中，OSAT需要在簡單的引線鍵合和最先進的2.5D/3D封裝之間確定自己最有利的位置。
OSAT應利用其傳統(tǒng)的高產(chǎn)量、高成本效益制造優(yōu)勢，專注于一段時間內(nèi)仍將需要的基本封裝活動，例如凸塊化，即在將晶圓切割成單個芯片之前，將凸塊或焊球散布在整個晶圓上。此外，OSAT還可以采用更具創(chuàng)新性的方法，開發(fā)面板級封裝能力。處理大尺寸面板可以增加同時處理的芯片數(shù)量，而且比代工廠通常使用的晶圓級封裝更便宜。
在先進封裝時代的黎明，前景一片光明，但也有許多值得警惕的地方。那些認識到先進封裝戰(zhàn)略價值并進行投資的公司正在為成功做好準備。他們不僅在擴大自己的競爭優(yōu)勢，而且還在塑造半導體行業(yè)的未來方向。獲勝者將是那些成功創(chuàng)新、駕馭全球政府政策、與客戶及其應用生態(tài)系統(tǒng)建立深厚聯(lián)系并利用最新人工智能和設(shè)計流程的公司。
這些行業(yè)領(lǐng)跑者已準備好利用價值創(chuàng)造從前端向更細致、更復雜、價值更豐富的后端流程的轉(zhuǎn)變。當GenAI應用（幾乎所有這些應用都依賴于先進的封裝組件）從當今一個有趣的新奇想法轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥韼啄暾紦?jù)主導地位的平臺時，他們處于最佳位置。
對于投資者、戰(zhàn)略合作伙伴和半導體公司來說，信息很明確：現(xiàn)在是投資和優(yōu)先考慮先進封裝的時候了。那些這樣做的公司將蓬勃發(fā)展，引領(lǐng)半導體行業(yè)走向下一個性能前沿，走向一個以獨創(chuàng)性、速度和持續(xù)增長為標志的未來。
