2023年熱點(diǎn)技術(shù)回顧

2023年，我們站在了一個(gè)科技飛速發(fā)展的十字路口。半導體行業(yè)觀(guān)察整理了本年度特別值得關(guān)注的技術(shù)熱點(diǎn)，包括Chiplet架構、RISC-V指令集、人工智能（AI）芯片、高帶寬內存（HBM）、先進(jìn)的封裝技術(shù)、新興的接口互聯(lián)標準（如PCIe和UCIe）、光子芯片、寬禁帶半導體，以及不斷進(jìn)化的光刻技術(shù)。這些技術(shù)不僅僅是科技發(fā)展的單點(diǎn)突破，它們相互交織、互為補充，共同推動(dòng)了整個(gè)半導體產(chǎn)業(yè)和電子制造領(lǐng)域的巨大飛躍。

01

Chiplet

Chiplet 是小型模塊化芯片，組合起來(lái)形成完整的片上系統 (SoC)。它們提高了性能、降低了功耗并提高了設計靈活性。概念已經(jīng)存在了幾十年，早在2007年5月，DARPA也啟動(dòng)異構異構系統的COSMOS項目Chiplet，其次是用于Chiplet模塊化計算機的 CHIPS 項目。但最近，Chiplet在解決傳統單片 IC 縮小尺寸的挑戰方面受到關(guān)注。這是當前芯片制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸與終端對芯片性能需求之間矛盾所產(chǎn)生的妥協(xié)結果。

據Yole所說(shuō)，每個(gè)新芯片設計都需要設計和工程資源，并且由于新節點(diǎn)的復雜性不斷增加，每個(gè)新工藝節點(diǎn)的新設計的典型成本也隨之增加。這進(jìn)一步激勵人們創(chuàng )建可重復使用的設計。小芯片設計理念使這成為可能，因為只需改變小芯片的數量和組合即可實(shí)現新的產(chǎn)品配置，而不是啟動(dòng)新的單片設計。例如，通過(guò)將單個(gè)小芯片集成到 1、2、3 和 4 芯片配置中，可以從單個(gè)流片創(chuàng )建 4 種不同的處理器品種。如果完全通過(guò)整體方法完成，則需要 4 次單獨的流片。

正因為如此，異構小芯片集成市場(chǎng)正在快速增長(cháng)。據估計，小芯片的市場(chǎng)價(jià)值預計到 2025 年將達到 57 億美元，到 2031 年將達到 472 億美元。電子設計中對高性能計算、數據分析、模塊化和定制的需求不斷增長(cháng)正在推動(dòng)這一增長(cháng)。

02

RISC-V

放眼全球芯片市場(chǎng)，x86與ARM指令集架構各立山頭。前者在通用處理器市場(chǎng)稱(chēng)霸多年，在PC及服務(wù)器市場(chǎng)一家獨大；后者隨著(zhù)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)大潮崛起，成為當下移動(dòng)端最主流的處理器架構，而憑借開(kāi)源、精簡(jiǎn)、模塊化的優(yōu)勢，RISC-V開(kāi)始備受企業(yè)追捧，正在成為搭建計算生態(tài)的一種新選擇。

2015年，RISC-V國際基金會(huì )的成立，將RISC-V從高校推向產(chǎn)業(yè)界，其生態(tài)建設才開(kāi)始加速。與此同時(shí)，RISC-V的發(fā)展與同時(shí)期興起的物聯(lián)網(wǎng)熱潮不謀而合。物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的爆發(fā)改變了x86和ARM兩強稱(chēng)霸的局面，RISC-V架構開(kāi)放、靈活、精簡(jiǎn)的獨特優(yōu)勢完美解決了物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域對碎片化和差異化的市場(chǎng)需求。

據統計，2022年全球采用RISC-V架構的處理器出貨量超過(guò)100億顆，僅用十二年就走完了傳統架構30年的發(fā)展歷程。據Counterpoint Research預測，2025年RISC-V架構芯片預計將突破800億顆，年復合增長(cháng)率高達114.9%。RISC-V的商業(yè)化價(jià)值將更加凸顯。

03

AI芯片

如今在全球市場(chǎng)中，我們正在見(jiàn)證一場(chǎng)前所未有的范式轉變。在 OpenAI的ChatGPT引起消費者和投資者的關(guān)注后，各行業(yè)的企業(yè)都在競相整合人工智能功能。美股市值超1萬(wàn)億的巨頭中，蘋(píng)果以3.08兆美元的市值位列榜首，緊隨其后的是微軟（2.51兆美元）、Google母公司Alphabet（1.67兆美元）、亞馬遜（1.35兆美元）和英偉達（1.15兆美元），除蘋(píng)果依靠iPhone等消費類(lèi)設備，其他四家科技巨擘都在全力推動(dòng)與AI領(lǐng)域的融合。

AI這場(chǎng)東風(fēng)，也使得芯片供應鏈中的企業(yè)獲益匪淺，首先是，英偉達憑GPU獨攬整個(gè)生成式AI芯片市場(chǎng)，SK海力士和三星等因HBM而受惠，負責封裝和代工的臺積電也是供不應求，產(chǎn)能直線(xiàn)告急，日月光/SPIL等封測廠(chǎng)得以從臺積電手中分得封裝外包訂單。還有眾多AI芯片玩家在虎視眈眈，就連IBM也在推其潛心研究了5年的AIU芯片。生成式人工智能的“淘金熱”，正在率先讓一部分“賣(mài)鏟人”富起來(lái)。

04

HBM

近年來(lái)，在A(yíng)I高算力需求推動(dòng)下，HBM正在大放異彩。尤其是進(jìn)入2023年后，以ChatGPT為代表的生成式AI市場(chǎng)的瘋狂擴張，在讓AI服務(wù)器需求迅速增加的同時(shí)，也帶動(dòng)了HBM高階存儲產(chǎn)品的銷(xiāo)售上揚。

TrendForce數據顯示，2023年全球搭載HBM總容量將達2.9億GB，同比增長(cháng)近60%，預計2024年還將再增長(cháng)30%。SK海力士預測，HBM市場(chǎng)到2027年將出現82%的復合年增長(cháng)率。

在此發(fā)展勢頭下，作為AI芯片的主流解決方案，HBM受到了存儲巨頭的高度重視。自2014年SK海力士首次成功研發(fā)HBM以來(lái)，三星、美光等存儲巨頭也紛紛入局，展開(kāi)了HBM的升級競賽，目前HBM已從第一代HBM升級至第四代HBM3，產(chǎn)品帶寬和最高數據傳輸速率記錄被不斷刷新。下一代HBM3E超帶寬解決方案也已在樣品測試階段，HBM4也被提上議程。

05

先進(jìn)封裝

在后摩爾時(shí)代，隨著(zhù)半導體制程技術(shù)逐漸接近物理極限，先進(jìn)封裝（Advanced Packaging）技術(shù)，尤其是3D封裝技術(shù)，已成為推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵力量。這些技術(shù)通過(guò)高度集成的方法，實(shí)現了更多組件在有限空間內的密集封裝，從而顯著(zhù)提升了芯片的整體性能和能源效率。此外，先進(jìn)封裝技術(shù)在滿(mǎn)足數據中心和高速網(wǎng)絡(luò )基礎設施對高密度、高性能計算需求方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。

隨著(zhù)技術(shù)的成熟和應用領(lǐng)域的擴展，先進(jìn)封裝技術(shù)的市場(chǎng)份額預計將逐漸超過(guò)傳統封裝方法。根據市場(chǎng)調研機構Yole數據預測，全球先進(jìn)封裝市場(chǎng)規模將由2022年的443億美元，增長(cháng)到2028年的786億美元，年復合成長(cháng)率為10.6%。這種趨勢不僅反映了技術(shù)創(chuàng )新的需求，也指出了封測市場(chǎng)未來(lái)的主要增長(cháng)方向。

值得注意的是，眾多行業(yè)巨頭已經(jīng)在先進(jìn)封裝領(lǐng)域展開(kāi)了激烈的競爭。臺積電、三星和英特爾等集成電路制造商，以及日月光、Amkor和長(cháng)電科技等外圍供應鏈上的封裝與測試（OSAT）廠(chǎng)商，都在積極推進(jìn)先進(jìn)封裝技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化應用。這些公司不僅在提高封裝技術(shù)的性能和可靠性方面做出了貢獻，同時(shí)也在探索更為經(jīng)濟高效的生產(chǎn)方法，以適應日益增長(cháng)的市場(chǎng)需求。

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接口互聯(lián)

在當今日益復雜和數據驅動(dòng)的計算世界中，硬件互聯(lián)技術(shù)的重要性不斷增長(cháng)。隨著(zhù)數據中心、云計算和人工智能的迅速發(fā)展，需要更高效、更靈活的通信解決方案來(lái)應對日益增長(cháng)的性能需求。在這個(gè)背景下，PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)、UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express)和CXL(Compute Express Link)這三種技術(shù)成為了推動(dòng)現代計算革新的關(guān)鍵力量。

PCIe是一種高速串行計算機擴展總線(xiàn)標準，廣泛用于連接主板與多種硬件設備，如顯卡、網(wǎng)絡(luò )卡、SSD等。其高帶寬和低延遲的特性使其在各類(lèi)計算設備中占據核心地位。然而，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，單一設備內部的通信需求日益復雜化，這促使行業(yè)尋求更先進(jìn)的互聯(lián)方案。

這幾年，UCIe和CXL應運而生。UCIe作為一種新興的標準，旨在提高不同制造商Chiplet技術(shù)的互操作性。它為芯片粒間的通信提供一個(gè)統一的接口，從而簡(jiǎn)化了多個(gè)芯片粒組合成單一集成電路的設計和生產(chǎn)過(guò)程。這有助于加速Chiplet技術(shù)的發(fā)展和采用，特別是在高性能計算領(lǐng)域。與此同時(shí)，CXL技術(shù)，基于PCIe的基礎上發(fā)展而來(lái)，專(zhuān)注于優(yōu)化處理器與加速器之間的通信。CXL能夠提供高帶寬、低延遲的通信，并支持先進(jìn)的內存協(xié)同特性。這使得CXL適合于數據中心和高性能計算環(huán)境，尤其是在需要大量數據共享和處理的場(chǎng)景中。

總的來(lái)說(shuō)，PCIe、UCIe和CXL不僅僅是連接技術(shù)的進(jìn)步，更是計算領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)縮影。它們代表著(zhù)向更高效、更互聯(lián)、更智能計算生態(tài)系統的轉變。

07

光子芯片

硅光子技術(shù)（Silicon Photonics）被業(yè)界視為突破現有技術(shù)瓶頸、開(kāi)啟摩爾定律新篇章的關(guān)鍵。臺積電聲稱(chēng)硅光子代表了半導體的新時(shí)代。

硅光子技術(shù)由英特爾于2010年推出，硅光子技術(shù)的核心在于集成「光」路，即在硅基平臺上將電信號轉換為光信號，實(shí)現電與光的高效傳導。光與電子的結合不僅解決了傳統銅導線(xiàn)在信號傳輸過(guò)程中的能量損耗問(wèn)題，更為芯片間的高速通信提供了前所未有的可能性。由于其成本相對較高，目前僅限于數據中心和服務(wù)器市場(chǎng)。

硅光子還具有解決熱量問(wèn)題的潛力，這是當前電子芯片最大的挑戰之一。多家半導體行業(yè)巨頭，如臺積電、英特爾等，已經(jīng)投入大量資源研發(fā)這項革命性技術(shù)。2023年10月，據臺媒報道，臺積電攜手英偉達、博通，投入200位研發(fā)人員，專(zhuān)攻硅光，預計最早將于2024年下半年開(kāi)始生產(chǎn)。從市場(chǎng)前景上來(lái)看，據SEMI估計，至2030年全球硅光子市場(chǎng)價(jià)值將達到78.6億美元，年復合成長(cháng)率（CAGR）為25.7％。

08

寬禁帶半導體

寬禁帶半導體是指禁帶寬度大于2.4 eV的半導體材料。寬禁帶半導體如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）在2023年得到了更廣泛的應用。它們因其在高溫、高電壓和高頻率下的優(yōu)異性能而受到青睞，尤其是在電力電子和電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域。

SiC的熱度。Yole的數據，到2027年，SiC器件市場(chǎng)預計將從2021年的10億美元增長(cháng)到60 億美元以上。因此，眾多的功率半導體廠(chǎng)商如英飛凌、ST、安森美、羅姆等都重磅押注SiC。下游的汽車(chē)廠(chǎng)商爭著(zhù)抱這些SiC巨頭的“大腿”，與這些廠(chǎng)商簽訂長(cháng)約。瑞薩也不甘于人后，豪擲20億美元與WolfSpeed簽署 10 年碳化硅晶圓供應協(xié)議宣布入局SiC。

在SiC MOSFET的技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)上，呈現出“平面柵”和“溝槽刪”花開(kāi)兩朵的局勢。國際的SiC巨頭如羅姆、英飛凌、日本電裝、住友電工、三菱電機、ST、安森美、Qorvo等基本上都在布局溝槽式。國內方面目前大多以平面柵為主。

氮化鎵也具有獨特的優(yōu)勢，隨著(zhù)東芝、羅姆等大廠(chǎng)的相繼入場(chǎng)，讓GaN成為了功率半導體新的增長(cháng)點(diǎn)。從技術(shù)發(fā)展來(lái)看，GaN器件也有兩種技術(shù)路線(xiàn)，分別是：平面型和垂直型，平面型GaN器件通?；诜潜菊饕r底，如Si、SiC、藍寶石（Sapphire）等，但是平面型的不同襯底各自有難以改變的缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)足大家的需求；因此，垂直型的GaN-on-GaN帶來(lái)了新的希望。不少專(zhuān)家預測，氮化鎵的前景之廣闊，比SiC有過(guò)之無(wú)不及。

而金剛石（也稱(chēng)鉆石）則被稱(chēng)為是半導體的終極材料。它具有最高的熱導率，這意味著(zhù)它能夠非常有效地散發(fā)熱量，在高功率電子器件中，熱管理是一個(gè)重要問(wèn)題，金剛石半導體在這方面具有明顯優(yōu)勢。此外它還具有極高的絕緣性，一組數據可以有著(zhù)直觀(guān)的感受：硅材料的擊穿電場(chǎng)強度為0.3 MV/cm左右，SiC為3 MV/cm，GaN為5 MV/cm，而鉆石則為10 MV/cm。

更重要的是，已經(jīng)有公司研究證明，金剛石可與集成電路晶圓直接粘合。金剛石半導體在提高能源效率、減小體積以及提高性能方面顯示出巨大的潛力。金剛石半導體也有望應用于射頻通信、高頻率電子器件、粒子探測器，甚至在未來(lái)的量子計算領(lǐng)域。

09

光刻技術(shù)

近幾年來(lái)，大眾對光刻技術(shù)已經(jīng)有所了解。光刻技術(shù)是半導體制造中不可或缺的一部分，光刻是將光學(xué)圖形轉移到硅晶圓表面上的過(guò)程。而且隨著(zhù)芯片制程來(lái)到7nm以下，還需要極紫外（EUV）光刻技術(shù)。

EUV光刻機的供應商荷蘭的ASML，正在不斷改進(jìn)EUV光刻機的性能，包括提高光源功率、提升圖案覆蓋率和減少機器停機時(shí)間。一臺EUV光刻機的價(jià)格大約接近1.7億美元，未來(lái)每個(gè)High-NA EUV光刻機的成本將超過(guò)3.5億美元。

隨著(zhù)芯片晶體管線(xiàn)寬已趨近物理極限，而且EUV光刻機產(chǎn)能有限、成本高等發(fā)展難題之下，納米壓印技術(shù)（NIL）走到了臺前。納米壓印是一種創(chuàng )新的納米制造技術(shù)，它通過(guò)物理壓印方法來(lái)創(chuàng )建納米級別的圖案。相比傳統的光刻技術(shù)，NIL提供了更高的分辨率、更低的成本和更快的生產(chǎn)速度。在半導體制造、納米器件生產(chǎn)和各種納米級應用中受到了廣泛關(guān)注。

結語(yǔ)

總體而言，2023年半導體行業(yè)技術(shù)創(chuàng )新呈現出以下特點(diǎn)：

1. 系統級創(chuàng )新成為主流，Chiplet、RISC-V、先進(jìn)封裝等技術(shù)得到了快速發(fā)展。

   
   

2. 新興技術(shù)如光子芯片、寬禁帶半導體等技術(shù)開(kāi)始在部分領(lǐng)域得到應用。這些技術(shù)的不斷發(fā)展，將推動(dòng)半導體產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

來(lái)源：半導體行業(yè)觀(guān)察