臺積電的產(chǎn)能再度供不應(yīng)求——然而這一次不是代工產(chǎn)能,而是封裝產(chǎn)能。AI芯片大廠涌向臺積電的急單,不僅需要先進制程,也需要先進封裝。臺積電于2011年推出的2.5D封裝CoWoS(基板上晶圓芯片)壓力凸顯,產(chǎn)能尤甚。臺積電不得不一邊將部分oS(基板連接,CoWoS的后段工藝)流程交由封測廠處理,一邊啟動了CoWoS的擴產(chǎn)計劃。
密切關(guān)注CoWoS動態(tài)的不僅是芯片設(shè)計企業(yè),還有臺積電的競爭對手。韓國產(chǎn)業(yè)界于近期表示,即使三星率先實現(xiàn)3nm量產(chǎn),英偉達(dá)、蘋果等IT企業(yè)依然希望采用臺積電的工藝,關(guān)鍵就在于臺積電的CoWoS封裝。被AI芯片頭部企業(yè)和韓國產(chǎn)業(yè)界視為AI競爭關(guān)鍵的CoWoS,正在成為臺積電的又一個殺手锏。
十年磨一劍的秘密武器
長達(dá)36年的代工發(fā)展歷史,是臺積電最為人熟知的一面。然而,臺積電還有一個沒有代工高調(diào)卻不容忽視,已經(jīng)耕耘了超過12年時間的秘密武器——先進封裝。
傳統(tǒng)封裝形式,多是將晶片單獨封裝成芯片,再將芯片固定在封裝基板上。這種封裝方式需要給每一個芯片做引腳,且芯片安裝到電路板之后,彼此之間還需要連接通電,既占據(jù)空間又增加了功耗。
在代工制程按照摩爾定律飛速發(fā)展的甜蜜期,封裝并沒有進入代工廠的視野。然而,進入 28nm 以后,先進制程的成本快速提升,摩爾定律開始放緩。根據(jù) IBS 統(tǒng)計,在達(dá)到 28nm制程節(jié)點以后,如果繼續(xù)縮小制程節(jié)點,每百萬門晶體管的制造成本不降反升。
芯片每百萬門制造成本隨制程節(jié)點變化趨勢(圖源:IBS)
正當(dāng)產(chǎn)業(yè)界對于28nm以后的工藝成本和摩爾定律是否失效進行探討。臺積電于2011年率先推出了28nm制程,也是在這一年,臺積電宣布進軍先進封裝。在當(dāng)年第二季度的法人說明會上,時任臺積電董事長兼CEO的張忠謀向在場的金融及咨詢機構(gòu)代表展示了通過硅中介層進行子系統(tǒng)集成的技術(shù)框架,并表達(dá)了將封裝作為制程工藝之外另一條業(yè)務(wù)路徑的意愿。
“在遵循摩爾定律推動IC發(fā)展的同時,我們也在實現(xiàn)子系統(tǒng)集成的潛力。硅中介層解決方案將封裝數(shù)量從 9 個減少到 1 個,減小了芯片尺寸和功耗,并提高了內(nèi)存帶寬和系統(tǒng)速度?!睆堉抑\表示。
張忠謀展示的硅中介層,正是CoWoS的關(guān)鍵技術(shù)。在一個季度之后的第三季度財報法人說明會上,張忠謀展示了CoWoS的測試芯片。他表示,CoWoS將從28nm開始啟用。
“CoW(晶圓上芯片)是將較大的芯片、DRAM 芯片或模塊放置在硅中介層上,然后整體封裝到基板上(oS),這就是 COWOS。我們在測試工具上取得了非常好的產(chǎn)量和令人鼓舞的可靠性?!睆堉抑\說。
如張忠謀所言,CoWoS將計算、內(nèi)存等晶片堆疊到硅中介層(硅轉(zhuǎn)接板),通過硅中介層上的高密度布線實現(xiàn)晶片互連,再安裝到基板上進行封裝。這種多個晶片共享一個基板的封裝方式,減少了封裝體積、晶片間的信號傳輸距離及引腳數(shù)量,進而提升了芯片的連接速度,并降低了功耗。
雖然CoWoS能夠為芯片成品帶來優(yōu)勢,但受限于成本,在推出的早期只有少數(shù)廠家的高端產(chǎn)品采用。甚至臺積電也因為CoWoS成本偏高而推出了更具性價比的封裝方案InFO.然而,AIGC引發(fā)的熱潮,將CoWoS推到了浪尖上。
迎頭趕上AI浪潮
深耕了十多年的CoWoS,終于在AI時代看到了可觀的營收空間。TrendForce集邦咨詢近期研報顯示,AI及高性能計算等芯片對先進封裝技術(shù)的需求日益提升,其中,臺積電的CoWoS成為AI服務(wù)器芯片廠商主要采用的封裝。該機構(gòu)預(yù)計,臺積電的CoWoS月產(chǎn)能將在2023年底達(dá)到1.2萬片,其中英偉達(dá)對CoWoS產(chǎn)能的需求量較年初提升近5成,加上AMD、谷歌等高端AI芯片需求,將導(dǎo)致下半年CoWoS產(chǎn)能較為緊缺。
CoWoS為何突然行情火熱?原因在于大模型對高性能計算的需求,使AI芯片廠商越來越傾向于選擇HBM內(nèi)存,這種內(nèi)存芯片采用3D堆疊技術(shù)將DRAM堆疊起來,以縮小體積、降低功耗并提升數(shù)據(jù)傳輸速度。
而臺積電一直致力于提升CoWoS的硅中介層面積,使之能承載更大的邏輯芯片和更多的HBM堆棧,這恰恰適應(yīng)了AI芯片設(shè)計廠商的需求。至2023年,臺積電CoWoS已經(jīng)能容納多達(dá)12個HBM堆棧。
CoWoS近12年硅中介面積提升幅度及HBM可集成數(shù)量走勢
(圖源:臺積電)
另一個值得注意的地方是,先進制程已經(jīng)逼近物理極限,每前進一步都需要天文數(shù)字的投資,而先進封裝尚處于有著較高成本效益的階段。對于AI芯片廠商,先進封裝是一種具有性價比的性能提升方式。
“根據(jù)SEMI的數(shù)據(jù),晶圓制造的設(shè)備投資占比超80%,封裝測試的設(shè)備投資占比不到20%。盡管先進封裝也會用到光刻、刻蝕、沉積設(shè)備,但這些設(shè)備的精度要求小于晶圓制造,設(shè)備價值也就相對較低。且先進封裝技術(shù)現(xiàn)在屬于快速發(fā)展階段,百家爭鳴,相信仍有較高的成本效益和進步空間?!盋INNO Research首席分析師周華向《中國電子報》表示。
沖出IDM和封測廠的包圍圈
隨著先進制程的重要性日益凸顯,三星、英特爾等IDM,日月光等OSAT(外包半導(dǎo)體組裝和測試)廠商都在發(fā)力先進封裝。然而,在更專業(yè)的OSAT與更全面的IDM的包圍下,臺積電的封裝業(yè)務(wù)依然保持著差異化的競爭能力。
相對OSTA,臺積電有著更強的產(chǎn)業(yè)鏈整合能力。
“有一個問題很關(guān)鍵:為什么IC設(shè)計大廠將先進封裝需求交付給臺積電,而不是日月光等封測廠商。這是因為目前先進封裝要從芯片設(shè)計開始布局,所以臺積電能拿到訂單,而后端封測廠商則有些‘無能為力’?!睒I(yè)界專家莫大康向《中國電子報》記者表示。
如莫大康所言。臺積電不僅推出了一系列先進封裝工藝,還成立了包含EDA、IP、DCA/VCA、內(nèi)存、OSAT、基板、測試7個環(huán)節(jié)頭部企業(yè)的臺積電3D Fabric聯(lián)盟。這也是為什么CoWoS產(chǎn)能告急時,臺積電能夠迅速反應(yīng),將oS流程外包給日月光等封測廠商。
臺積電3D Fabric聯(lián)盟(圖源:臺積電)
相對三星、英特爾等IDM,臺積電的代工廠身份,使其服務(wù)具有更高的靈活性。
“盡管三星和英特爾均有各自的2.5D和3D技術(shù),但三星和英特爾以IDM為主營業(yè)務(wù),臺積電為專業(yè)Foundry,更能適應(yīng)眾多客戶的需求,且臺積電的CoWoS也平行衍生出多種先進封裝技術(shù),即可滿足追求性價比的客戶需求,也符合追求高性能的客戶需求?!敝苋A說。
三星的追擊
關(guān)注著CoWoS產(chǎn)能動態(tài)的不僅是芯片設(shè)計廠商,韓國產(chǎn)業(yè)界也感到一絲壓力。近期,韓國媒體表示,臺積電獨享英偉達(dá)AI芯片訂單的關(guān)鍵是CoWoS封裝,這也是為什么即使三星電子在2022年率先量產(chǎn)3nm,英偉達(dá)和蘋果等全球IT企業(yè)仍然選擇臺積電的代工業(yè)務(wù)。
韓國產(chǎn)業(yè)界的反應(yīng)不難理解,因為三星已經(jīng)有過一次被臺積電封裝技術(shù)搶單的經(jīng)歷。在A7芯片之前,蘋果一直將三星作為主力代工商,其A9芯片也由三星與臺積電共享訂單。然而,臺積電推出的InFO(集成式扇出型封裝),打動了蘋果的“芳心”。這種封裝方式不需要使用有機載板和C4凸點,從而降低了封裝厚度,也縮短了晶片與PCB板的互聯(lián)距離,實現(xiàn)了更薄的封裝、更低的功耗和更好的散熱。InFO的技術(shù)優(yōu)勢結(jié)合代工業(yè)務(wù)的一條龍服務(wù),讓臺積電一躍成為蘋果A10芯片的獨家供應(yīng)商。自此蘋果與臺積電的綁定越來越深,三星逐步淡出了蘋果的視野。
面向AI時代的機遇,三星自然不會拱手相讓。在6月底召開的三星晶圓代工論壇上,三星代工業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Siyoung Choi先是透露面向高性能計算需求的2nm工藝將在2026年量產(chǎn),隨后又宣布與內(nèi)存、基板封裝、測試等領(lǐng)域的合作伙伴成立“MDI(多芯片集成)聯(lián)盟”,構(gòu)建2.5D和3D異構(gòu)集成的封裝技術(shù)生態(tài)?;诼?lián)盟和生態(tài)合作,三星將為下游客戶提供一站式服務(wù),并通過定制化的封裝方案開發(fā),滿足高性能計算和汽車等領(lǐng)域的需求。
三星代工業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Siyoung Choi在2023三星代工論壇透露代工和封裝動作(圖源:三星)
此前,三星已經(jīng)推出了I-Cube、X-Cube等2.5D和3D封裝技術(shù),此次成立聯(lián)盟,將提升其產(chǎn)業(yè)鏈整合能力,以及一站式和客制化服務(wù)能力。再加上在3nm和2nm量產(chǎn)時間的激進態(tài)勢,三星未來能否與臺積電角逐AI芯片大單,也令人期待。無論三星能否挑戰(zhàn)臺積電在AI時代的領(lǐng)先地位,只要有角逐的意識和動作,就能通過更加充分的競爭逐步提升晶圓級封裝的性價比,也讓芯片設(shè)計企業(yè)有了更多的選擇。
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