沒有EUV光刻機(jī)，也造不了5nm、3nm，國產(chǎn)芯片如何突破？

潮流如暗流，迅猛而至，行業(yè)龍頭也被沖擊的手忙腳亂。

當(dāng)半導(dǎo)體加工的制程微縮游戲走到盡頭，先進(jìn)封裝，逐漸成為芯片行業(yè)的勝負(fù)手。

01、潮流如暗流：黃教主上陣催單，臺(tái)積電慌忙擴(kuò)產(chǎn)

年初，任誰也料想不到，今年的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)會(huì)如此的冰火兩重天。在今年整個(gè)芯片行業(yè)由于去庫存滿目哀鴻遍野之際，英偉達(dá)的AI芯片卻一顆難求，國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)大佬們親自飛往英偉達(dá)總部加州，只為多求幾顆A800和H800。

這倒并不是黃教主奇貨可居，奈何是因?yàn)檎麄€(gè)AI芯片行業(yè)都受困于臺(tái)積電產(chǎn)能不夠。

5月27日，黃教主明面上是到臺(tái)灣大學(xué)發(fā)表畢業(yè)典禮演講，創(chuàng)業(yè)大佬給后生的心靈雞湯固然好喝，但實(shí)際上，敦促臺(tái)積電擴(kuò)產(chǎn)才是老黃此行的核心目的之一。據(jù)了解，臺(tái)積電已經(jīng)在協(xié)調(diào)提升產(chǎn)能，預(yù)估2024年底將沖刺20萬片的產(chǎn)能，臺(tái)積電股東會(huì)上CEO魏哲家表示，將會(huì)在龍?zhí)稄S加大力度擴(kuò)充CoWoS產(chǎn)能，竹南AP6廠也將加入支援。

不是說芯片代工產(chǎn)能過剩嗎，怎么還需要老黃親自跑到臺(tái)積電督戰(zhàn)？與一般的認(rèn)知不同，這次吃緊的不是臺(tái)積電7nm、5nm這些先進(jìn)制程的晶圓代工，而是那些以前不被人重視的先進(jìn)封裝，成為了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的最短板。

在半導(dǎo)體的行業(yè)分工中，封裝一直都是鄙視鏈最底部的存在，低附加值高資本開支，芯片企業(yè)盡量都是繞道走。

而這次AI芯片的缺貨潮使得先進(jìn)封裝技術(shù)代表之一的CoWoS，第一次走到了聚光燈下，以前這一冷門的名詞，變得家喻戶曉；業(yè)內(nèi)甚至夸張到可以直接通過跟蹤先進(jìn)封裝CoWoS的產(chǎn)能，來預(yù)判英偉達(dá)的下個(gè)季度的業(yè)績(jī)，然后在英偉達(dá)的財(cái)報(bào)季瘋狂買入看漲期權(quán)。

如果自上而下做邏輯推演，那就是：產(chǎn)業(yè)巨頭爭(zhēng)相進(jìn)行AI的軍備競(jìng)賽—>AI軍備競(jìng)賽需要大量AI芯片—>AI芯片需要臺(tái)積電代工—>臺(tái)積電代工被先進(jìn)封裝CoWoS產(chǎn)能制約。

毫不夸張的說，先進(jìn)封裝一夜烏雞變鳳凰，成為制約TMT行業(yè)發(fā)展的最大瓶頸。

哪怕作為半導(dǎo)體制造無可撼動(dòng)的大哥，臺(tái)積電雖然仍在引領(lǐng)先進(jìn)封裝，但顯然對(duì)這一潮流的迅猛之勢(shì)準(zhǔn)備不足，在客戶的催促下，也只能緊急催單設(shè)備商去被動(dòng)的增加CoWoS產(chǎn)能。

這也是第一次，大家不得不正視封裝這個(gè)行業(yè)。

圖：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈；中泰證券

02、當(dāng)傳統(tǒng)思路走到盡頭

提高芯片性能最直接的方式盡可能多的增加晶體管的數(shù)量，這跟提升電動(dòng)車續(xù)航靠堆更多的電池包別無二致。所以對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展而言，先進(jìn)芯片研發(fā)的傳統(tǒng)思路，從來都是“在晶體管上做文章”，簡(jiǎn)單來說就是在制程微縮的同時(shí)擴(kuò)大芯片面積。

其中，制程微縮的目的是為了在單位面積上放更多的晶體管，也就是我們常聽到的14nm、7nm、5nm、3nm，這樣可以把晶體管越做越小，自然單位面積能堆的晶體管就變多了；另外的方式是擴(kuò)大面積，就是在給定制程的前提下，盡量把芯片做得更大。

可以說過去數(shù)十年，我們使用的電腦和手機(jī)的邏輯芯片，都是靠這種方法在續(xù)命。而這種方法發(fā)展到今日，已經(jīng)無可避免的直接撞上兩大限制。

限制一，制程微縮的邊際收益越來越小。

其實(shí)從28nm之后，芯片設(shè)計(jì)中追求更先進(jìn)的制程的性價(jià)比就越來越低了。根據(jù)芯原股份的招股書披露的數(shù)據(jù)，芯片的單位面積成本在14/16nm 后迅速增加，摩爾定律不斷放緩。隨著制程從28nm 制程演變到5nm，單次的研發(fā)投入也從5000萬美元?jiǎng)≡鲋?億美元以上。

先進(jìn)制程成了燒錢競(jìng)賽，所以最先進(jìn)的芯片，只剩下蘋果、英偉達(dá)、三星、AMD、英特爾、聯(lián)發(fā)科、特斯拉、華為等少數(shù)幾家企業(yè)在做；年初OPPO無奈解散旗下的哲庫團(tuán)隊(duì)，便是研發(fā)先進(jìn)芯片高門檻的最好體現(xiàn)。

正是由于先進(jìn)的投入產(chǎn)出比并不一定合適，所以很多芯片停留在28nm之后，便不再一味追求先進(jìn)制程。

圖：不同工藝節(jié)點(diǎn)處于各應(yīng)用時(shí)期的芯片設(shè)計(jì)成本（單位：百萬美元）；來源：芯原股份招股說明書

限制二，大尺寸芯片的良率越來越低。

除了追求先進(jìn)制程將晶體管密度提升外，另外一個(gè)方法就是把芯片做大，所謂大力出奇跡。然而這一樸素的方法也基本走到了盡頭。

仍然以英偉達(dá)的AI芯片為例。由于相較于傳統(tǒng)芯片，AI芯片為了實(shí)現(xiàn)極限性能將面積做的更大，英偉達(dá)的AI裸芯片尺寸通常超過800mm2，是普通手機(jī)主控芯片的數(shù)倍大；芯片太大帶來的直接問題就是生產(chǎn)的良率迅速降低。

業(yè)內(nèi)有一個(gè)判別工藝制造良率的Bose-Einstein 模型：良率=1/(1+芯片面積*缺陷密度)n。從這個(gè)公式不難看出，單芯片的面積越大，良率就會(huì)越低。

有人自然會(huì)說了，良率低無所謂，多做幾個(gè)不就行了？這顯然是對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)了解不夠，英偉達(dá)AI芯片現(xiàn)在單顆出售價(jià)在1萬美元以上，良率低帶來的損失誰都承受不起。

根據(jù)模型估算，150mm2的中大型芯片的良率約為80%，而700mm2以上的超大芯片，良率會(huì)暴跌至30%。而且根據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，由于光刻掩膜版的尺寸限制，其實(shí)單個(gè)芯片的面積一般不超過800mm2，所以英偉達(dá)的AI芯片其實(shí)已經(jīng)逼近面積上限。

當(dāng)推動(dòng)先進(jìn)芯片進(jìn)步的方法，都開始遭受前所未有的挑戰(zhàn)，行業(yè)勢(shì)必要尋找新的續(xù)命手段。

03、撞見未來，揭開先進(jìn)封裝的神秘面紗

雖然封裝行業(yè)不如芯片設(shè)計(jì)和晶圓代工那么引人注目，但得益于芯片種類的大發(fā)展，全球芯片封裝行業(yè)的規(guī)模也比較可觀，在2022年的市場(chǎng)規(guī)模超過了800億美元，是一個(gè)很難被忽視的行業(yè)，只不過一直被貼上周期的標(biāo)簽。

回歸到產(chǎn)業(yè)，半導(dǎo)體封裝是半導(dǎo)體制造工藝的后道工序，本身是為了更好的讓芯片和其他電子元器件實(shí)現(xiàn)電氣連接；曾有業(yè)內(nèi)人士做過一個(gè)形象的比喻，芯片就相當(dāng)于大腦皮層，而封裝就像大腦的顱骨；所以在半導(dǎo)體的歷史長(zhǎng)河中，封裝都是配角的存在，市場(chǎng)關(guān)注度并不高。只是先進(jìn)封裝讓封裝行業(yè)第一次走到了臺(tái)前。

另外一個(gè)層面，封裝行業(yè)的技術(shù)發(fā)展也并不慢，不是所謂的“純周期”行業(yè)。

過去70年，封裝行業(yè)至少經(jīng)歷了四次大的技術(shù)變革。尤其是從2010s開始，行業(yè)逐漸進(jìn)入到先進(jìn)封裝的新發(fā)展階段（2010年，蔣尚義先生提出通過半導(dǎo)體公司連接多顆芯片的方法，區(qū)別于傳統(tǒng)封裝，定義為先進(jìn)封裝）。自此之后，新的概念也開始層出不窮，比如有FC、SiP、2.5D封裝、3D封裝、FO、RDL、TSV等等。

當(dāng)然，這也使得2023年學(xué)習(xí)先進(jìn)封裝的研究者，一下子撲面而來眾多陌生的詞匯，著實(shí)有些招架不住。

圖：封裝技術(shù)發(fā)展歷史

先進(jìn)封裝的理解其實(shí)并不復(fù)雜。順著之前講的思路，既然單純的擴(kuò)大單一芯片面積和縮小制程變得愈發(fā)不可行了，那能不能把原本應(yīng)該超大的單一芯片，拆成不同的功能模塊，然后都在某種制程下做成性能優(yōu)異的小芯片，最后再把這些小芯片拼在一起組成一顆“大芯片”，實(shí)現(xiàn)“三個(gè)臭皮匠頂個(gè)諸葛亮”的效果。

這就是先進(jìn)封裝最底層的原理，用化整為零的方法大幅降低難度。如果都用相同的材料做不同的芯片，然后再將各個(gè)芯片封裝到一起，這種在業(yè)內(nèi)就被稱為異構(gòu)集成；如果甚至有些芯片，都是用不同的材料制造，然后封裝到一起，這種在業(yè)內(nèi)被稱為異質(zhì)集成。

為了實(shí)現(xiàn)以上想法，產(chǎn)業(yè)靠開發(fā)新的工藝，將這種設(shè)想變成現(xiàn)實(shí),比如實(shí)現(xiàn)硅片之間連接的TSV技術(shù)（Through Silicon Via，硅通孔技術(shù)）、RDL（重布線技術(shù)）。

以3D 封裝為例，對(duì)于上下堆疊是同一種芯片，通常TSV就可以直接完成電氣互聯(lián)功能了，而堆疊上下如果是不同類型芯片，則需要通過RDL重布線層將上下層芯片的IO進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，從而完成電氣互聯(lián)。

仍然回到英偉達(dá)的AI芯片，作為先進(jìn)封裝的代表方案，CoWoS雖然是10年前臺(tái)積電聯(lián)合賽靈思開發(fā)的，但是最終在英偉達(dá)的AI芯片上被發(fā)揚(yáng)光大。

NVDIA當(dāng)前主力產(chǎn)品A和H系列，都是采用了臺(tái)積電CoWoS 2.5D封裝，以A100為例，其中的主芯片A100為單芯片架構(gòu)采用7nm制程，然后配備了海力士的HBM，而這兩個(gè)最重要的芯片之間，正是通過CoWoS的方式實(shí)現(xiàn)高速互聯(lián)。

圖：臺(tái)積電給英偉達(dá)提供的CoWoS封裝方案。

所以說，以前產(chǎn)業(yè)還對(duì)先進(jìn)封裝將信將疑（封裝廠并未大量投資，而晶圓廠臺(tái)積電卻異軍突起），而英偉達(dá)熱賣的AI芯片，正式宣告先進(jìn)封裝正在成為半導(dǎo)體的勝負(fù)手。

產(chǎn)業(yè)龍頭玩家也意識(shí)到，先進(jìn)封裝在摩爾定律逼近物理極限的當(dāng)下，將發(fā)揮越來越重要的作用，因此緊急地在先進(jìn)封裝上追趕。

比如牙膏廠英特爾，重點(diǎn)布局的有兩種先進(jìn)封裝方案：

1）2.5D封裝EMIB，主打低成本；2）Foveros3D face-to-face芯片堆疊封裝工藝，主打高性能。

據(jù)報(bào)道，英特爾今年計(jì)劃推出的14代CPU Meteor Lake，將首次引入Tile這種類Chiplet設(shè)計(jì)，集成CPU、GPU、IO和SoC四個(gè)獨(dú)立模塊，并采用Foveros封裝技術(shù)。

三星目前先進(jìn)封裝的方案有四種，包括I-Cube、X-Cube、R-Cube、H-Cube。技術(shù)原理上大同小異，也就不展開細(xì)聊了。

拋開技術(shù)細(xì)節(jié)不談，其實(shí)不同廠商的先進(jìn)封裝都與臺(tái)積電類似，只不過為了區(qū)分和避免專利糾紛，做了一定程度的規(guī)避。名字不同沒啥本質(zhì)區(qū)別，更為關(guān)鍵的是，巨頭們?cè)陂_始認(rèn)識(shí)到先進(jìn)封裝的重要性后，選擇了打不過就加入。

根據(jù)民生證券的總結(jié)，我們可以看到，以后靠先進(jìn)封裝的產(chǎn)品，將滲透到服務(wù)器、手機(jī)、AI、可穿戴還有圖形顯示中去，基本涉及到生活的方方面面，重要性與日俱增。

圖：全球先進(jìn)封裝代表性解決方案；資料來源：民生證券。

04、多一重意義，對(duì)國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈意味著什么？

大家自然要問，對(duì)于這么重要的一個(gè)趨勢(shì)，我們國內(nèi)做得又怎么樣？

首先要厘清一個(gè)潛在的思維誤區(qū)，雖然國內(nèi)的半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展是滯后的，但是封裝產(chǎn)業(yè)鏈由于技術(shù)壁壘相對(duì)低、發(fā)展相對(duì)早，因此全球競(jìng)爭(zhēng)力還是可圈可點(diǎn)的。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全球前十大封裝公司中，中國大陸占到了3家，中國臺(tái)灣占5家，美國為1家。其中，長(zhǎng)電科技、通富微電和華天科技，被稱為國內(nèi)封測(cè)3巨頭，均位列全球前十。而且這3家封裝廠，業(yè)務(wù)布局非常全球化，海外收入占比均超過50%，以其中通富微電為例，AMD的大部分封裝都由通富微電來完成。所以說國產(chǎn)的封裝廠具備全球化的競(jìng)爭(zhēng)力，也毫不為過。

圖：全球主要封測(cè)廠排名；資料來源：國金證券。

不得不說，雖然封裝我們并未掉隊(duì)，但是先進(jìn)封裝確實(shí)慢人一步。

還是拿數(shù)據(jù)來說話，在整個(gè)先進(jìn)封裝領(lǐng)域，日月光的份額達(dá)到26%，其次是臺(tái)積電和安靠，而國產(chǎn)排名最高的長(zhǎng)電科技市場(chǎng)份額只有8%；如果是進(jìn)一步上升到最尖端的先進(jìn)封裝，那國產(chǎn)的存在感就更弱了，可以作為佐證的是，英偉達(dá)所需的CoWoS，中國大陸產(chǎn)業(yè)鏈存在感等于0。

隨著這波先進(jìn)封裝的全球浪潮，國內(nèi)的封裝廠也開始及時(shí)轉(zhuǎn)向。根據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研信息：

● 長(zhǎng)電科技在TSV-less、RDL 等技術(shù)方面有所布局，已經(jīng)推出XDFOI技術(shù)方案，并實(shí)現(xiàn)國際客戶4nm節(jié)點(diǎn)Chiplet產(chǎn)品的量產(chǎn)出貨。

● 通富微電推出融合了2.5D、3D、MCM-Chiplet 等技術(shù)的先進(jìn)封裝平臺(tái)——VISionS，目前已經(jīng)具備7nm Chiplet規(guī)模量產(chǎn)能力，并持續(xù)與AMD等龍頭廠商加強(qiáng)合作，估計(jì)在AMD即將量產(chǎn)的MI300中扮演重要的角色；

● 華天科技推出由TSV、eSiFo、3D SiP構(gòu)成的最新先進(jìn)封裝技術(shù)平臺(tái)——3D Matrix。

拋開這些封裝廠，那先進(jìn)封裝對(duì)國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，又有著什么樣的意義？

先進(jìn)封裝其實(shí)不僅是發(fā)展AI等芯片的必需工藝，更為國內(nèi)實(shí)現(xiàn)突破卡脖子的重要“彎道”。這是因?yàn)椋冗M(jìn)封裝是實(shí)現(xiàn)chiplet技術(shù)的基石性工藝。

很多人將chiplet與先進(jìn)封裝混淆，從定義上來說，chiplet，就是將大型單片芯片劃分為多個(gè)相同或者不同的小芯片，這些小芯片可以使用相同或者不同的工藝節(jié)點(diǎn)制造，再通過跨芯片互聯(lián)和封裝技術(shù)進(jìn)行封裝級(jí)別集成，降低成本的同時(shí)獲得更高的集成度。

所以chiplet只是一種設(shè)計(jì)理念，而實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)理念最重要的依賴工藝之一就是先進(jìn)封裝。只不過這種理念，對(duì)于國產(chǎn)芯片的發(fā)展，意義更為重大。

在海外的封鎖下，如果僅靠國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈，我們芯片制程目前能夠做到的理論極限是7nm左右，這跟海外的3nm仍有二代以上的代差。進(jìn)一步彌補(bǔ)代差就需要通過多顆小芯片的堆疊，這是可能能夠做出更高性能的產(chǎn)品的。

簡(jiǎn)單來說，就是我們可以通過chiplet來實(shí)現(xiàn)封鎖突破，甚至是換道超車。

于行業(yè)發(fā)展規(guī)律而言，先進(jìn)封裝正在日益成為半導(dǎo)體競(jìng)爭(zhēng)的勝負(fù)手，與先進(jìn)制程一起成為先進(jìn)芯片的必備工藝；于國產(chǎn)鏈而言，先進(jìn)封裝是實(shí)現(xiàn)彎道超車的必由之路。疊加起來，國內(nèi)發(fā)展先進(jìn)封裝實(shí)則是更為緊迫的，當(dāng)革命有了新的方向，同志們則更需努力。