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潮流如暗流，迅猛而至，行業(yè)龍頭也被沖擊的手忙腳亂。
當半導體加工的制程微縮游戲走到盡頭，先進封裝，逐漸成為芯片行業(yè)的勝負手。
01、潮流如暗流：黃教主上陣催單，臺積電慌忙擴產
年初，任誰也料想不到，今年的半導體產業(yè)會如此的冰火兩重天。在今年整個芯片行業(yè)由于去庫存滿目哀鴻遍野之際，英偉達的AI芯片卻一顆難求，國內互聯(lián)網大佬們親自飛往英偉達總部加州，只為多求幾顆A800和H800。
這倒并不是黃教主奇貨可居，奈何是因為整個AI芯片行業(yè)都受困于臺積電產能不夠。
5月27日，黃教主明面上是到臺灣大學發(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，但實際上，敦促臺積電擴產才是老黃此行的核心目的之一。據(jù)了解，臺積電已經在協(xié)調提升產能，預估2024年底將沖刺20萬片的產能，臺積電股東會上CEO魏哲家表示，將會在龍?zhí)稄S加大力度擴充CoWoS產能，竹南AP6廠也將加入支援。
不是說芯片代工產能過剩嗎，怎么還需要老黃親自跑到臺積電督戰(zhàn)？與一般的認知不同，這次吃緊的不是臺積電7nm、5nm這些先進制程的晶圓代工，而是那些以前不被人重視的先進封裝，成為了整個產業(yè)鏈的最短板。
在半導體的行業(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封裝技術代表之一的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)內甚至夸張到可以直接通過跟蹤先進封裝CoWoS的產能，來預判英偉達的下個季度的業(yè)績，然后在英偉達的財報季瘋狂買入看漲期權。
如果自上而下做邏輯推演，那就是：產業(yè)巨頭爭相進行AI的軍備競賽—>AI軍備競賽需要大量AI芯片—>AI芯片需要臺積電代工—>臺積電代工被先進封裝CoWoS產能制約。
毫不夸張的說，先進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。
哪怕作為半導體制造無可撼動的大哥，臺積電雖然仍在引領先進封裝，但顯然對這一潮流的迅猛之勢準備不足，在客戶的催促下，也只能緊急催單設備商去被動的增加CoWoS產能。
這也是第一次，大家不得不正視封裝這個行業(yè)。
圖：半導體產業(yè)鏈；中泰證券
02、當傳統(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，這跟提升電動車續(xù)航靠堆更多的電池包別無二致。所以對于半導體行業(yè)的發(fā)展而言，先進芯片研發(fā)的傳統(tǒng)思路，從來都是“在晶體管上做文章”，簡單來說就是在制程微縮的同時擴大芯片面積。
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。
其實從28nm之后，芯片設計中追求更先進的制程的性價比就越來越低了。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5000萬美元劇增至5億美元以上。
先進制程成了燒錢競賽，所以最先進的芯片，只剩下蘋果、英偉達、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隊，便是研發(fā)先進芯片高門檻的最好體現(xiàn)。
正是由于先進的投入產出比并不一定合適，所以很多芯片停留在28nm之后，便不再一味追求先進制程。
圖：不同工藝節(jié)點處于各應用時期的芯片設計成本（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。
除了追求先進制程將晶體管密度提升外，另外一個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。
仍然以英偉達的AI芯片為例。由于相較于傳統(tǒng)芯片，AI芯片為了實現(xiàn)極限性能將面積做的更大，英偉達的AI裸芯片尺寸通常超過800mm2，是普通手機主控芯片的數(shù)倍大；芯片太大帶來的直接問題就是生產的良率迅速降低。
業(yè)內有一個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。從這個公式不難看出，單芯片的面積越大，良率就會越低。
有人自然會說了，良率低無所謂，多做幾個不就行了？這顯然是對工業(yè)化生產了解不夠，英偉達AI芯片現(xiàn)在單顆出售價在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，良率會暴跌至30%。而且根據(jù)業(yè)內人士透露，由于光刻掩膜版的尺寸限制，其實單個芯片的面積一般不超過800mm2，所以英偉達的AI芯片其實已經逼近面積上限。
當推動先進芯片進步的方法，都開始遭受前所未有的挑戰(zhàn)，行業(yè)勢必要尋找新的續(xù)命手段。
03、撞見未來，揭開先進封裝的神秘面紗
雖然封裝行業(yè)不如芯片設計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年的市場規(guī)模超過了800億美元，是一個很難被忽視的行業(yè)，只不過一直被貼上周期的標簽。
回歸到產業(yè)，半導體封裝是半導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現(xiàn)電氣連接；曾有業(yè)內人士做過一個形象的比喻，芯片就相當于大腦皮層，而封裝就像大腦的顱骨；所以在半導體的歷史長河中，封裝都是配角的存在，市場關注度并不高。只是先進封裝讓封裝行業(yè)第一次走到了臺前。
另外一個層面，封裝行業(yè)的技術發(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)至少經歷了四次大的技術變革。尤其是從2010s開始，行業(yè)逐漸進入到先進封裝的新發(fā)展階段（2010年，蔣尚義先生提出通過半導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。
當然，這也使得2023年學習先進封裝的研究者，一下子撲面而來眾多陌生的詞匯，著實有些招架不住。
圖：封裝技術發(fā)展歷史
先進封裝的理解其實并不復雜。順著之前講的思路，既然單純的擴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”，實現(xiàn)“三個臭皮匠頂個諸葛亮”的效果。
這就是先進封裝最底層的原理，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，然后再將各個芯片封裝到一起，這種在業(yè)內就被稱為異構集成；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)內被稱為異質集成。
為了實現(xiàn)以上想法，產業(yè)靠開發(fā)新的工藝，將這種設想變成現(xiàn)實,比如實現(xiàn)硅片之間連接的TSV技術（Through Silicon Via，硅通孔技術）、RDL（重布線技術）。
以3D 封裝為例，對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進行對準，從而完成電氣互聯(lián)。
仍然回到英偉達的AI芯片，作為先進封裝的代表方案，CoWoS雖然是10年前臺積電聯(lián)合賽靈思開發(fā)的，但是最終在英偉達的AI芯片上被發(fā)揚光大。
NVDIA當前主力產品A和H系列，都是采用了臺積電CoWoS 2.5D封裝，以A100為例，其中的主芯片A100為單芯片架構采用7nm制程，然后配備了海力士的HBM，而這兩個最重要的芯片之間，正是通過CoWoS的方式實現(xiàn)高速互聯(lián)。
圖：臺積電給英偉達提供的CoWoS封裝方案。
所以說，以前產業(yè)還對先進封裝將信將疑（封裝廠并未大量投資，而晶圓廠臺積電卻異軍突起），而英偉達熱賣的AI芯片，正式宣告先進封裝正在成為半導體的勝負手。
產業(yè)龍頭玩家也意識到，先進封裝在摩爾定律逼近物理極限的當下，將發(fā)揮越來越重要的作用，因此緊急地在先進封裝上追趕。
比如牙膏廠英特爾，重點布局的有兩種先進封裝方案：
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)報道，英特爾今年計劃推出的14代CPU Meteor Lake，將首次引入Tile這種類Chiplet設計，集成CPU、GPU、IO和SoC四個獨立模塊，并采用Foveros封裝技術。
三星目前先進封裝的方案有四種，包括I-Cube、X-Cube、R-Cube、H-Cube。技術原理上大同小異，也就不展開細聊了。
拋開技術細節(jié)不談，其實不同廠商的先進封裝都與臺積電類似，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。名字不同沒啥本質區(qū)別，更為關鍵的是，巨頭們在開始認識到先進封裝的重要性后，選擇了打不過就加入。
根據(jù)民生證券的總結，我們可以看到，以后靠先進封裝的產品，將滲透到服務器、手機、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：全球先進封裝代表性解決方案；資料來源：民生證券。
04、多一重意義，對國內產業(yè)鏈意味著什么？
大家自然要問，對于這么重要的一個趨勢，我們國內做得又怎么樣？
首先要厘清一個潛在的思維誤區(qū)，雖然國內的半導體行業(yè)發(fā)展是滯后的，但是封裝產業(yè)鏈由于技術壁壘相對低、發(fā)展相對早，因此全球競爭力還是可圈可點的。
根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在全球前十大封裝公司中，中國大陸占到了3家，中國臺灣占5家，美國為1家。其中，長電科技、通富微電和華天科技，被稱為國內封測3巨頭，均位列全球前十。而且這3家封裝廠，業(yè)務布局非常全球化，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。所以說國產的封裝廠具備全球化的競爭力，也毫不為過。
圖：全球主要封測廠排名；資料來源：國金證券。
不得不說，雖然封裝我們并未掉隊，但是先進封裝確實慢人一步。
還是拿數(shù)據(jù)來說話，在整個先進封裝領域，日月光的份額達到26%，其次是臺積電和安靠，而國產排名最高的長電科技市場份額只有8%；如果是進一步上升到最尖端的先進封裝，那國產的存在感就更弱了，可以作為佐證的是，英偉達所需的CoWoS，中國大陸產業(yè)鏈存在感等于0。
隨著這波先進封裝的全球浪潮，國內的封裝廠也開始及時轉向。根據(jù)產業(yè)調研信息：
● 長電科技在TSV-less、RDL 等技術方面有所布局，已經推出XDFOI技術方案，并實現(xiàn)國際客戶4nm節(jié)點Chiplet產品的量產出貨。
● 通富微電推出融合了2.5D、3D、MCM-Chiplet 等技術的先進封裝平臺——VISionS，目前已經具備7nm Chiplet規(guī)模量產能力，并持續(xù)與AMD等龍頭廠商加強合作，估計在AMD即將量產的MI300中扮演重要的角色；
● 華天科技推出由TSV、eSiFo、3D SiP構成的最新先進封裝技術平臺——3D Matrix。
拋開這些封裝廠，那先進封裝對國內半導體產業(yè)鏈，又有著什么樣的意義？
先進封裝其實不僅是發(fā)展AI等芯片的必需工藝，更為國內實現(xiàn)突破卡脖子的重要“彎道”。這是因為，先進封裝是實現(xiàn)chiplet技術的基石性工藝。
很多人將chiplet與先進封裝混淆，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)點制造，再通過跨芯片互聯(lián)和封裝技術進行封裝級別集成，降低成本的同時獲得更高的集成度。
所以chiplet只是一種設計理念，而實現(xiàn)這種設計理念最重要的依賴工藝之一就是先進封裝。只不過這種理念，對于國產芯片的發(fā)展，意義更為重大。
在海外的封鎖下，如果僅靠國內產業(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。進一步彌補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品的。
簡單來說，就是我們可以通過chiplet來實現(xiàn)封鎖突破，甚至是換道超車。
于行業(yè)發(fā)展規(guī)律而言，先進封裝正在日益成為半導體競爭的勝負手，與先進制程一起成為先進芯片的必備工藝；于國產鏈而言，先進封裝是實現(xiàn)彎道超車的必由之路。疊加起來，國內發(fā)展先進封裝實則是更為緊迫的，當革命有了新的方向，同志們則更需努力。
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