不EUV光刻机，也造不了5nm、3nm，国产芯片若何突破？

2024-11-17 11:38:24 [探索] 来源：香风艺凝网

“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。