Эта тенденция подобна подводному течению, быстро наступающему, и лидеры отрасли тоже спешат. Когда игра по миниатюризации процесса обработки полупроводников подходит к концу, передовая упаковка постепенно становится победителем в индустрии микросхем. В начале года никто не мог предположить, что в этом году полупроводниковая промышленность окажется в таком состоянии хаоса. В этом году, когда вся индустрия чипов страдает от сокращения запасов, ИИ-чипы NVIDIA трудно найти. Отечественные интернет-гиганты лично прилетели в штаб-квартиру NVIDIA в Калифорнии лишь для того, чтобы приобрести еще несколько чипов A800 и H800.

01

Эта тенденция подобна скрытому течению: лидер Хуан вступил в бой, чтобы добиться заказов, TSMC поспешно расширила производство.

Это происходит не потому, что у Мастера Хуана редкий товар, а потому, что вся индустрия чипов искусственного интеллекта страдает от недостаточной производственной мощности TSMC.

27 мая лидер Хуан якобы собирался в Национальный тайваньский университет, чтобы произнести выпускную речь. Хотя куриный суп для души, который предприимчивый магнат подает молодым студентам, очень вкусен, на самом деле одной из основных целей поездки Хуана является привлечение TSMC к расширению производства. Понятно, что TSMC уже координирует усилия по увеличению производственных мощностей и, как ожидается, достигнет производственной мощности в 200 000 штук к концу 2024 года. Генеральный директор Вэй Чжэцзя на собрании акционеров TSMC заявил, что будет активизировать усилия по расширению производственных мощностей CoWoS на заводе в Лунтане, а завод Чжунань AP6 также присоединится к поддержке.


На фото: Хуан Жэньсюнь присутствовал на выпускной церемонии Национального Тайваньского университета и произнес речь.

Разве не сказано, что мощности по производству чипов — это избыточные мощности? Почему Лао Хуану нужно лично идти в TSMC, чтобы руководить войной? Вопреки распространенному мнению, на этот раз проблема заключается не в производстве пластин с передовыми процессами, такими как 7-нм и 5-нм TSMC, а в передовой упаковке, которая раньше не воспринималась всерьез и стала кратчайшим звеном во всей отраслевой цепочке.

В разделении труда в полупроводниковой промышленности упаковка всегда находилась в самом низу цепи презрения. Имея низкую добавленную стоимость и высокие капитальные затраты, производители микросхем стараются избегать этого.

Нехватка чипов искусственного интеллекта впервые привлекла внимание CoWoS, одного из представителей передовых упаковочных технологий. Этот ранее непопулярный термин стал нарицательным. Отрасль даже преувеличивает до такой степени, что может напрямую отслеживать производственные мощности современной упаковки CoWoS, чтобы предсказать результаты деятельности Nvidia в следующем квартале, а затем безумно покупать опционы колл во время сезона отчетности Nvidia.

Если сделать логический вывод сверху вниз, то это выглядит следующим образом: гиганты отрасли соревнуются в гонке ИИ-вооружений -> гонка ИИ-вооружений требует большого количества ИИ-чипов -> ИИ-чипы требуют литейного производства TSMC -> Литейное производство TSMC ограничено передовыми производственными мощностями упаковки CoWoS.

Не будет преувеличением сказать, что современная упаковка в одночасье превратилась в феникса и стала самым большим узким местом, ограничивающим развитие отрасли ТМТ.

Несмотря на то, что TSMC, как непоколебимый старший брат в производстве полупроводников, по-прежнему лидирует в области передовой упаковки, она явно не готова к быстрому развитию этой тенденции. По настоянию клиентов остается только срочно призвать производителей оборудования пассивно увеличивать производственные мощности CoWoS.

Кроме того, это первый раз, когда каждому приходится столкнуться с упаковочной индустрией.


Рисунок: Цепочка полупроводниковой промышленности; Чжунтай Секьюритиз

02

Когда традиционному мышлению приходит конец

Самый прямой способ улучшить производительность чипа — максимально увеличить количество транзисторов, что ничем не отличается от увеличения срока службы аккумуляторов электромобилей за счет установки большего количества аккумуляторных блоков. Поэтому для развития полупроводниковой промышленности традиционной идеей передовых исследований и разработок микросхем всегда было «поднять шум вокруг транзисторов». Проще говоря, это увеличение площади чипа при одновременном сокращении процесса.

Среди них цель сокращения процесса — разместить больше транзисторов на единицу площади, что мы часто слышим о 14-нм, 7-нм, 5-нм и 3-нм техпроцессах. Таким образом, транзисторы можно делать все меньше и меньше, и, естественно, на единицу площади можно укладывать больше транзисторов. Другой способ — расширить площадь, то есть сделать чип как можно больше в рамках данного процесса.

Можно сказать, что в последние несколько десятилетий логические чипы компьютеров и мобильных телефонов использовали этот метод, чтобы продлить срок их службы. По мере развития этого метода по сей день он неизбежно сталкивается с двумя основными ограничениями.

Ограничение 1: Предельные выгоды от сокращения процесса становятся все меньше и меньше.

Фактически, с появлением 28-нанометрового стандарта экономическая эффективность внедрения более совершенных процессов при проектировании чипов стала все более низкой. Согласно данным, раскрытым в проспекте VeriSilicon, стоимость единицы площади чипов быстро выросла после 14/16 нм, а закон Мура продолжал замедляться. По мере перехода от 28 нм к 5 нм отдельные инвестиции в НИОКР также резко возросли с 50 миллионов долларов США до более чем 500 миллионов долларов США.

Передовые процессы стали конкурентной борьбой, приносящей прибыль, поэтому лишь несколько компаний, таких как Apple, Nvidia, Samsung, AMD, Intel, MediaTek, Tesla и Huawei, производят самые передовые чипы. В начале года OPPO ничего не оставалось, как распустить свою команду Zheku, что является лучшим примером высокого порога разработки передовых чипов.

Именно потому, что улучшенное соотношение ввода-вывода не обязательно является подходящим, многие чипы остаются после 28-нм техпроцесса и больше не используют вслепую передовые технологии.


Рисунок: Затраты на проектирование микросхем различных технологических узлов в различные периоды применения (единица измерения: миллионы долларов США); Источник: Проспект VeriSilicon.

Ограничение 2. Выход чипов большого размера становится все ниже и ниже.

Помимо применения передовых технологий для увеличения плотности транзисторов, существует еще один метод — увеличение размера чипа. Говорят, что большие усилия могут творить чудеса. Однако этому простому методу практически пришел конец.

В качестве примера все еще берем AI-чип Nvidia. По сравнению с традиционными чипами AI-чипы имеют большую площадь для достижения максимальной производительности. Размер голых чипов NVIDIA для искусственного интеллекта обычно превышает 800 мм2, что в несколько раз больше, чем у обычных чипов управления основным мобильным телефоном. Прямая проблема, вызванная слишком большим размером чипа, заключается в том, что производительность быстро снижается.

В отрасли существует модель Бозе-Эйнштейна для оценки производительности процессного производства: доходность = 1/(1+площадь чипа*плотность дефектов)n. Из этой формулы нетрудно увидеть, что чем больше площадь одного чипа, тем ниже будет доходность.

Некоторые люди, естественно, скажут, что не имеет значения, если доходность будет низкой, если мы сделаем еще несколько, все будет хорошо. Очевидно, это связано с недостаточным пониманием промышленного производства. Чипы NVIDIA AI сейчас продаются по цене более 10 000 долларов США за чип, и никто не может позволить себе убытки, вызванные низкой доходностью.

По модельным оценкам, доходность средних и крупных чипов площадью 150 мм² составляет около 80%, тогда как доходность сверхкрупных чипов площадью 700 мм² и выше упадет до 30%. Более того, по словам инсайдеров отрасли, из-за ограничений размера фотолитографических масок площадь одного чипа обычно не превышает 800 мм2, поэтому AI-чипы Nvidia фактически приближаются к верхнему пределу площади.

Когда методы продвижения передовых микросхем начинают сталкиваться с беспрецедентными проблемами, отрасль должна найти новые способы выживания.

03

Окунитесь в будущее и раскройте тайну современной упаковки

Хотя индустрия упаковки не так привлекательна, как разработка чипов и производство пластин, благодаря быстрому развитию типов чипов масштабы мировой индустрии упаковки чипов также значительны. В 2022 году объем рынка превысит 80 миллиардов долларов США. Эту отрасль трудно игнорировать, но ее всегда называли цикличной.

Возвращаясь к отрасли, скажу, что упаковка полупроводников — это завершающий процесс процесса производства полупроводников. Он предназначен для лучшей реализации электрических соединений между чипами и другими электронными компонентами. Кто-то из представителей отрасли однажды выдвинул метафору, что чип эквивалентен коре головного мозга, а упаковка — черепу мозга. Таким образом, за долгую историю полупроводников упаковка играла лишь вспомогательную роль, а внимание рынка не было высоким. Именно передовая упаковка впервые вывела упаковочную индустрию на передний план.

С другой стороны, технологическое развитие упаковочной отрасли не является медленным, и это не так называемая «чисто циклическая» отрасль.

За последние 70 лет упаковочная индустрия претерпела как минимум четыре крупных технологических изменения. Особенно с 2010-х годов отрасль постепенно вступила в новый этап развития усовершенствованной упаковки (в 2010 году г-н Цзян Шаньи предложил метод соединения нескольких чипов через полупроводниковые компании, который отличается от традиционной упаковки и определяется как усовершенствованная упаковка). С тех пор одна за другой стали появляться новые концепции, такие как FC, SiP, 2,5D-упаковка, 3D-упаковка, FO, RDL, TSV и т. д.

Конечно, это также заставляет исследователей, изучающих продвинутую упаковку в 2023 году, внезапно оказаться ошеломленными таким большим количеством незнакомой лексики, которая действительно ошеломляет.


Рисунок: История развития упаковочной технологии

Понимание продвинутой упаковки на самом деле несложно. Следуя упомянутой ранее идее, поскольку просто расширить площадь одного чипа и сократить производственный процесс становится все более невозможным, можем ли мы разделить один чип, который изначально должен был быть очень большим, на различные функциональные модули, а затем использовать определенный процесс для изготовления небольших чипов с превосходной производительностью? Наконец, эти маленькие фишки объединяются в «большую фишку», чтобы добиться эффекта «трех марионеток по сравнению с Чжугэ Ляном».

Это базовый принцип продвинутой упаковки, который значительно упрощает задачу, разбивая ее на части. Если разные чипы изготавливаются из одних и тех же материалов, а затем упаковываются вместе, в отрасли это называется гетерогенной интеграцией; если даже некоторые чипы изготовлены из разных материалов, а затем упакованы вместе, в отрасли это называется гетерогенной интеграцией.

Чтобы реализовать вышеизложенные идеи, отрасль полагается на разработку новых процессов, позволяющих воплотить эту идею в реальность, таких как технология TSV (ThroughSiliconVia, технология сквозного кремния) и RDL (технология перераспределения), которые реализуют связь между кремниевыми пластинами.

Возьмем, к примеру, 3D-упаковку. Если верхний и нижний стопки состоят из микросхем одного и того же типа, TSV обычно может напрямую выполнять функцию электрического соединения. Если верхний и нижний стек представляют собой микросхемы разных типов, входы/выходы верхнего и нижнего чипов необходимо выровнять через уровень перемонтажа RDL, чтобы завершить электрическое соединение.

Возвращаясь к чипам искусственного интеллекта NVIDIA как типичному решению для расширенной упаковки, хотя CoWoS был разработан TSMC и Xilinx 10 лет назад, в конечном итоге он был перенесен на чипы искусственного интеллекта NVIDIA.

В текущих основных продуктах NVDIA, сериях A и H, используется упаковка TSMC CoWoS2.5D. Если взять A100 в качестве примера, то основной чип A100 представляет собой однокристальную архитектуру, изготовленную по 7-нм техпроцессу и оснащен HBM от Hynix. Высокоскоростное соединение между этими двумя важнейшими чипами достигается посредством CoWoS.


Рисунок: упаковочное решение CoWoS, предоставленное TSMC компании Nvidia.

Таким образом, в прошлом индустрия все еще сомневалась в продвинутой упаковке (упаковочные фабрики не инвестировали значительные средства, но внезапно появилась фабрика пластин TSMC), но популярные AI-чипы NVIDIA официально объявили, что передовая упаковка становится победителем среди полупроводников.

Ведущие игроки отрасли также осознают, что передовая упаковка будет играть все более важную роль по мере того, как закон Мура приближается к физическому пределу, поэтому они срочно наверстывают упущенное в области современной упаковки.

Например, производитель зубной пасты Intel фокусируется на двух передовых упаковочных решениях:

1) 2.5D упаковка EMIB, ориентируясь на низкую стоимость; 2) Технология упаковки чипов Foveros3D лицом к лицу, ориентированная на высокую производительность.

По имеющимся данным, процессор Meteor Lake 14-го поколения, который Intel планирует выпустить в этом году, впервые будет иметь дизайн чиплета в стиле Tile, объединяющий четыре независимых модуля ЦП, графического процессора, ввода-вывода и SoC, а также использующий технологию упаковки Foveros.

В настоящее время у Samsung есть четыре передовых упаковочных решения, включая I-Cube, X-Cube, R-Cube и H-Cube. Технические принципы схожи, поэтому не буду вдаваться в подробности.

Оставляя в стороне технические детали, по сути, продвинутая упаковка разных производителей аналогична TSMC, но в определенной степени ее обошли, чтобы отличить и избежать патентных споров. Существенной разницы между разными именами нет. Что еще более важно, после того, как гиганты начали осознавать важность современной упаковки, они решили присоединиться, если не смогут их победить.

Согласно отчету Minsheng Securities, мы видим, что в будущем продукты, основанные на передовой упаковке, проникнут в серверы, мобильные телефоны, искусственный интеллект, носимые устройства и графические дисплеи, охватывая практически все аспекты жизни, и их важность будет возрастать с каждым днем.


Рисунок: Репрезентативные решения для глобальной передовой упаковки; Источник: Minsheng Securities.

04

Что означает еще одно значение для отечественной производственной цепочки?

Естественно, у каждого возникает вопрос, а как обстоят дела в нашей стране с таким важным трендом?

Прежде всего, нам необходимо прояснить возможное недоразумение. Хотя развитие отечественной полупроводниковой промышленности отстает, цепочка упаковочной промышленности имеет относительно низкие технические барьеры и относительно раннее развитие, поэтому ее глобальная конкурентоспособность по-прежнему остается замечательной.

По статистике, среди десяти крупнейших упаковочных компаний мира 3 — из материкового Китая, 5 — из Тайваня и 1 — из США. Среди них Changdian Technology, Tongfu Microelectronics и Huatian Technology известны как три отечественных гиганта в области упаковки и тестирования, и все они входят в десятку лучших в мире. Более того, структура бизнеса этих трех упаковочных фабрик очень глобальна: более 50% доходов приходится на зарубежные рынки. Если взять в качестве примера Tongfu Microelectronics, то большая часть упаковки AMD поставляется Tongfu Microelectronics. Поэтому не будет преувеличением сказать, что отечественные фабрики упаковки конкурентоспособны на мировом рынке.


Рисунок: Рейтинг крупнейших в мире предприятий по упаковке и тестированию; Источник данных: China International Finance Securities.

Надо сказать, что хотя в упаковке мы и не отстаем, продвинутая упаковка действительно на шаг позади.

Давайте поговорим о данных. Во всей области современной упаковки доля ASE достигает 26%, за ней следуют TSMC и Amkor, в то время как рыночная доля лидирующей отечественной компании Changdian Technology составляет всего 8%. Если он и дальше дойдет до самой современной упаковки, то присутствие внутри страны будет еще слабее. В качестве доказательства CoWoS, требуемого Nvidia, наличие производственной цепочки в материковом Китае равно 0.

Благодаря этой глобальной волне передовой упаковки, отечественные упаковочные фабрики также начали меняться во времени. По данным отраслевых исследований:

●Changdian Technology изложила свои планы в отношении технологий без TSV, RDL и других технологий. Компания запустила технологические решения XDFOI и начала массовое производство и поставку чиплетов с 4-нм техпроцессом для международных клиентов.

●Tongfu Microelectronics запустила VISionS, передовую упаковочную платформу, объединяющую 2.5D, 3D, MCM-Chiplet и другие технологии. В настоящее время компания располагает возможностями массового производства 7-нм чиплетов и продолжает укреплять сотрудничество с ведущими производителями, такими как AMD. Ожидается, что он сыграет важную роль в процессоре AMD MI300, который скоро будет запущен в массовое производство;

●Huatian Technology запускает новейшую платформу передовых технологий упаковки — 3DMatrix, состоящую из TSV, eSiFo и 3DSiP.

Если оставить в стороне эти упаковочные заводы, какое значение современная упаковка имеет для отечественной цепочки полупроводниковой промышленности?

На самом деле, передовая упаковка — это не только необходимый процесс для разработки ИИ и других чипов, но и важный «уголок» для достижения прорывов в стране. Это связано с тем, что передовая упаковка является краеугольным камнем процесса реализации технологии чиплетов.

Многие путают чиплеты с продвинутой упаковкой. По определению чиплеты делятся на несколько одинаковых или разных маленьких чипов. Эти небольшие чипы могут быть изготовлены с использованием одного и того же или разных технологических узлов, а затем интегрированы на уровне корпуса посредством межчипового соединения и технологии упаковки для снижения затрат и достижения более высокой степени интеграции.

Таким образом, чиплет — это всего лишь концепция дизайна, и одним из наиболее важных процессов для реализации этой концепции дизайна является усовершенствованная упаковка. Просто эта концепция имеет большее значение для разработки отечественных чипов.

В условиях зарубежной блокады, если мы полагаемся только на внутреннюю производственную цепочку, теоретический предел того, чего может достичь наш процесс производства чипов, составляет около 7 нм, что все еще более чем на два поколения отстает от зарубежного 3-нм. Чтобы еще больше восполнить разрыв между поколениями, необходимо объединить несколько небольших чипов, которые смогут производить продукты с более высокой производительностью.

Проще говоря, мы можем использовать чиплеты для прорыва блокады и даже смены полосы движения для обгона.

Согласно закону развития промышленности, передовая упаковка все чаще становится победителем в конкуренции полупроводников и вместе с передовыми производственными процессами становится необходимым процессом для современных чипов; для отечественной сети передовая комплектация — единственный способ добиться обгона в поворотах. Подводя итог, можно сказать, что отечественная разработка современной упаковки на самом деле является более актуальной. Когда революция принимает новое направление, товарищам нужно работать усерднее.

доступ:

Торговый центр Цзиндонг