本文来自微信公众号“半导体行业观察”。
时不时地，评论芯片行业的分析师会宣称摩尔定律已经过时。然而，尽管进步速度正在放缓，但芯片制造商仍然每2.5年左右将集成电路(IC)上的晶体管数量翻一番。过去，全新的芯片设计方法似乎从未流行起来。现在情况已不再如此，因为对于运行当今一些最重要的应用至关重要的新想法正在迅速受到青睐。
这些新概念中最重要的一个是先进封装，它通过减小电触点的尺寸来容纳越来越多的晶体管。传统上，半导体芯片专注于执行一种特定的操作或过程。相比之下，先进的多芯片封装将多个芯片和工艺集成到一个组件中。这种变革性方法将大量半导体元件集成到一个封装中，直接解决了最关键的半导体技术和商业限制。（见图1。）
先进的多芯片封装可提高性能并缩短上市时间，同时降低芯片制造成本和功耗。此外，由于先进芯片封装是芯片集成度的一次彻底变革，能够释放更多功能并缩小尺寸，因此非常适合移动设备等关键应用，以及未来几年的汽车计算和生成式人工智能(GenAI)。
对于芯片制造商、投资者以及计算设备和设备制造商而言，先进封装的出现代表着半导体行业格局的根本性转变。下一代行业领先组织将是那些意识到价值创造正在转向能够使用先进封装等概念设计和集成复杂系统级芯片解决方案的公司。仅仅制造单个组件将很快失去光彩，取而代之的是协作努力，将最好的设计、封装和系统集成结合在一起以满足市场需求。
封装或灭亡
我们现在正处于“More than Moore”的时代。正如戈登·摩尔本人所预测的那样，他的定律最终不可避免地会达到经济收益递减的阈值。随着行业达到晶体管密度和芯片尺寸的物理极限，在小空间内塞入更多晶体管的成本正在激增。但是，先进的多芯片封装不是试图将更多晶体管挤进单个芯片，而是能够组合更小、成本和性能优化的裸片（由功能集成电路组成的未封装半导体芯片）。它通过使用高带宽互连和最新的前端或晶圆制造技术来释放封装组件的综合能力。也许最重要的是，这些组件中的每一个都可以有不同的用途，与已经达到其扩展极限的组件（例如输入/输出块）相比，计算和内存可以在更小的技术节点上运行。
这些组件可以更紧密地放置在先进的基板上，使数据传输率比最新的主板快35倍。这也允许在多个系统中重复使用芯片设计，因为模块化组件可以以多种方式组合以驱动各种不同的应用。相比之下，更广泛使用的片上系统(SoC)仅针对单一应用而设计。
四个例子说明了先进封装的优势。（见图2。）
第一个例子是NVIDIA Hopper H200，这是当今最具创新性的AI核心图形处理单元(GPU)之一。六个高带宽内存(HBM)堆栈与中央IC芯片封装在一起，可实现高达4.8 TB/s的互连速度。传统系统通过印刷电路板连接芯片，通常限制在200 GB/s以下。近距离互连也大大降低了这些芯片的功耗，使支持大型语言模型(LLM)的数据中心在经济上可行。
第二个例子是AMD Ryzen系列。通过选择多个较小的芯片而不是单个大型SoC，设计人员能够从每个异构集成芯片的一系列节点大小中进行选择，并选择针对每个封装功能进行优化的芯片。这种方法将制造成本降低了50%。较小的芯片尺寸通过提高制造良率有助于降低成本，因为晶圆上相同数量的缺陷分布在更多芯片上。
第三个例子涉及芯片面积大小。通过将Optireg线性电压控制器中使用的单个芯片集成到先进的封装中，英飞凌能够将部件的占用空间减少60%。压缩复杂系统所需的空间可以实现新一代紧凑型设备，而不会影响计算能力或功能。这种小型化对于空间非常宝贵的行业至关重要，例如移动和物联网(IoT)设备、助听器和心脏起搏器等小型医疗设备以及汽车计算系统。
最后，英特尔和其他集成设计制造商(IDM)一样，大幅扩大了其业务制造方面的投资，以开发先进的多芯片封装能力。英特尔已经证明，在其数据中心GPU Max系列中从单个大型SoC切换到多个芯片可以最大限度地降低芯片复杂性，并允许现有芯片设计在多个封装中重复使用。在此过程中，英特尔发现这可以将上市时间缩短高达75%。
先进封装撼动价值链
目前，先进封装约占整个半导体市场的8%，预计到2030年将翻一番，达到960亿美元以上，超过芯片行业的其他部分。目前，智能手机等消费电子产品主导着先进封装应用，但人工智能领域的蓬勃发展将推动未来的增长。人工智能需要计算和内存元件之间快速的数据交换，这可以通过2.5D和3D封装实现。这些方法将两个以上的芯片彼此相邻放置，以相对较低的成本产生较高的互连速度。人工智能应用已经占到整个先进封装市场的25%，并且在未来十年内，这一数字有望以每年约20%的速度增长。
随着这一增长趋势的加速，先进封装将显著改变半导体生态系统。（见图3。）传统上，芯片制造的价值链相当简单：一个芯片设计师、一个前端制造商和一个后端封装和测试公司。有时所有这些角色都由同一家集成设备制造商处理。在这种情况下，价值捕获的最大份额集中在芯片设计和前端——大多数创新都在这里——而封装则被降为利润率较低的角色。
但先进的多芯片封装需要对封装设计进行深刻的反思，以及如何有效和持续地改进它。它要求提升芯片价值链每个环节的能力。随着封装成为系统性能的核心决定因素，多个半导体芯片（通常由不同的公司设计和制造）将必须集成在同一个封装中，而封装本身可能由另一家公司生产。因此，系统设计师需要协调这个新的、更复杂的供应链，并推动所有参与者之间的密切合作和协调。
传统芯片制造周期即将发生根本性变化，这已促使各家公司重新分配资本支出，并重新集中研发力量，以领先于新兴趋势。我们认为，芯片行业结构的主要变化将体现在三个方面：
1.提升系统设计的作用。
先进封装设计所占的价值份额将大幅上升，凸显其战略重要性。（见图4。）作为回应，芯片设计公司正在通过将设计从单个芯片扩展到整个系统（包括将多个芯片集成到先进封装中）来巩固对这一关键领域的控制。
2.从前端转向后端。
封装将成为创新的重点，成为系统性能的关键差异化驱动因素。虽然前端制造将继续占据价值创造的很大份额，但后端设计和封装的重要性和利润价值将不断提升。
3.适应复杂性。
制造先进的半导体封装是一个复杂的过程。为了管理它，必须对电子设计自动化(EDA)软件进行编程，以设计和模拟封装中的多个芯片，以及它们的相互作用如何影响操作条件，例如散热和翘曲。同样，材料供应商必须开发新的创新材料，以解决先进封装中众多界面处的热膨胀和热传递等问题。并且必须对封装设备进行改造，以满足先进封装不断减小的特征尺寸和不断提高的精度要求。
芯片行业面貌的改变
随着这些技术变革的深入，半导体行业的面貌将发生重大变化。首先，芯片设计、封装工程和系统架构之间的协作程度将大大提高，因为每个环节都会直接影响其他环节。一个芯片的功率分布将影响下一个芯片的热负荷，并且可能需要定制材料来优化系统性能。
就像当今芯片设计和制造共同发展的前端格局一样，战略合作伙伴关系将越来越多地从多个前端参与者扩展到后端封装制造。一个很好的例子是NVIDIA的Hopper H100，它使用TSMC CoWoS-S封装，该封装结合了NVIDIA设计、TSMC制造的芯片和SK Hynix设计和制造的HBM。另一个例子是：当今的芯片公司在构建芯片时，会在其电子设计自动化软件中使用特定代工厂的制造工艺开发套件。明天，该套件可能会以类似的方式包含特定的封装解决方案。
另一个潜在的更大合作领域将涉及GenAI和机器智能。集成在EDA软件中的人工智能功能可以自动化IC布局和平面规划；优化功率、性能、面积(PPA)，这是半导体设计的基本组成部分；并以前所未有的程度简化和加快芯片生产。但由于AI平台的成功在很大程度上取决于其学习数据集的大小和准确性，EDA软件供应商和芯片设计师必须在汇集内部蓝图和框架以增强AI知识库的同时，不向竞争对手泄露他们的设计秘密。
即便各家公司都在争夺地位，地缘政治和监管限制与机遇也会出现，影响供应链和市场准入。随着各国政府试图吸引、留住和支持芯片制造领域的技术创新，对先进多芯片封装的补贴越来越流行。与此同时，由于半导体被视为对国家和经济安全至关重要，各个地区都在建立贸易壁垒来保护国内制造业。然而，这些措施可能会影响半导体公司的供应、合作伙伴和客户的可用性。
面向半导体企业的战略解决方案
由于先进封装技术即将带来如此多的变化，半导体行业的不同参与者将需要采取不同的战略要务，以保持持续的差异化和价值获取。以下是该行业各个细分领域如何才能获得最佳定位的细分。（见图5。）
一、无晶圆厂芯片制造商
无晶圆厂芯片制造商专注于设计芯片并与代工厂合作制造，他们将不得不大幅扩展其业务模式以应对先进封装的挑战。随着单芯片成为先进多芯片封装的一部分，成功整合整个系统开发和生产的无晶圆厂芯片设计者将获得最高的价值份额。然而，这带来了巨大的挑战，即协调和管理跨其他芯片设计者、多家代工厂甚至材料供应商的复杂供应链。除了实际执行之外，系统设计者还要对复杂产品的性能向客户负责，而与该合资企业中的合作伙伴建立信任关系的封装制造商可能愿意承担整个系统的责任。或者，供应链中的所有参与方可能同意在产品发布后的一段时间内分担责任，届时他们有足够的样品来确定最常见的故障点。
二、晶圆厂
先进封装将威胁领先节点代工厂的收入，因为它减少了对大型单片SoC的需求，取而代之的是更小、更标准化的芯片。为了保持利润水平，领先节点代工厂应将其产品扩展到先进封装领域，将自己定位为系统代工厂。
然而，专注于成熟节点的代工厂将很难开发出能够与领先节点同行直接竞争的先进封装解决方案，因为领先节点同行更乐于创新，也更愿意进入新市场。这些代工厂仍可以通过在其产品组合中增加用于硅中介层的硅通孔(TSV)来进入先进封装领域——这是促进许多先进封装中连接和通信的关键要素。这将使他们能够在成熟芯片的前端需求较低时提高晶圆厂利用率。
三、集成设备制造商
传统上，IDM设计、制造和封装自己的芯片，即使价值链的某些部分可能外包。然而，这种商业模式的经济性在先进封装环境中可能面临挑战，因为系统设计人员越来越需要未封装的芯片来集成到其他供应商的封装中，从而限制了对IDM封装终端产品的需求。领先的IDM可能能够自己获得系统设计人员的角色，特别是对于利润丰厚的专业应用。
另一种选择是，IDM向无晶圆厂客户提供前端和后端设施，从而提供系统代工服务。虽然这肯定会提高资产利用率，但它需要在IDM自己的产品和为成为客户的无晶圆厂竞争对手制造的产品之间建立强大的防火墙。这些防火墙应确保生产线或团队严格分离。这大大增加了复杂性，但如果IDM希望在先进封装占据主导地位时避免失去其在芯片生态系统中的地位，那么制定一项克服这一挑战的战略可能势在必行。
四、外包半导体组装和测试(OSAT)供应商
由于IDM和代工厂已经生产了约30%的先进封装晶圆，传统的OSAT必须仔细评估自己在市场中的最佳定位，尽管市场正在发展，但在一定程度上正在向价值链的其他部分转移。在新的封装世界中，OSAT需要在简单的引线键合和最先进的2.5D/3D封装之间确定自己最有利的位置。
OSAT应利用其传统的高产量、高成本效益制造优势，专注于一段时间内仍将需要的基本封装活动，例如凸块化，即在将晶圆切割成单个芯片之前，将凸块或焊球散布在整个晶圆上。此外，OSAT还可以采用更具创新性的方法，开发面板级封装能力。处理大尺寸面板可以增加同时处理的芯片数量，而且比代工厂通常使用的晶圆级封装更便宜。
在先进封装时代的黎明，前景一片光明，但也有许多值得警惕的地方。那些认识到先进封装战略价值并进行投资的公司正在为成功做好准备。他们不仅在扩大自己的竞争优势，而且还在塑造半导体行业的未来方向。获胜者将是那些成功创新、驾驭全球政府政策、与客户及其应用生态系统建立深厚联系并利用最新人工智能和设计流程的公司。
这些行业领跑者已准备好利用价值创造从前端向更细致、更复杂、价值更丰富的后端流程的转变。当GenAI应用（几乎所有这些应用都依赖于先进的封装组件）从当今一个有趣的新奇想法转变为未来几年占据主导地位的平台时，他们处于最佳位置。
对于投资者、战略合作伙伴和半导体公司来说，信息很明确：现在是投资和优先考虑先进封装的时候了。那些这样做的公司将蓬勃发展，引领半导体行业走向下一个性能前沿，走向一个以独创性、速度和持续增长为标志的未来。
