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(dǎo)體行業(yè)觀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(gòu)、RISC-V指令集、人工智能（AI）芯片、高帶寬內(nèi)存（HBM）、先進(jìn)的封裝技術(shù)、新興的接口互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)（如PCIe和UCIe）、光子芯片、寬禁帶半導(dǎo)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(bǔ)充，共同推動(dòng)了整個(gè)半導(dǎo)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，組合起來形成完整的片上系統(tǒng) (SoC)。它們提高了性能、降低了功耗并提高了設(shè)計(jì)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(gòu)異構(gòu)系統(tǒng)的COSMOS項(xiàng)目Chiplet，其次是用于Chiplet模塊化計(jì)算機(jī)的 CHIPS 項(xiàng)目。但最近，Chiplet在解決傳統(tǒng)單片 IC 縮小尺寸的挑戰(zhàn)方面受到關(guān)注。這是當(dāng)前芯片制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸與終端對(duì)芯片性能需求之間矛盾所產(chǎn)生的妥協(xié)結(jié)果。

據(jù)Yole所說，每個(gè)新芯片設(shè)計(jì)都需要設(shè)計(jì)和工程資源，并且由于新節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性不斷增加，每個(gè)新工藝節(jié)點(diǎn)的新設(shè)計(jì)的典型成本也隨之增加。這進(jìn)一步激勵(lì)人們創(chuàng)建可重復(fù)使用的設(shè)計(jì)。小芯片設(shè)計(jì)理念使這成為可能，因?yàn)橹恍韪淖冃⌒酒臄?shù)量和組合即可實(shí)現(xiàn)新的產(chǎn)品配置，而不是啟動(dòng)新的單片設(shè)計(jì)。例如，通過將單個(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。如果完全通過整體方法完成，則需要 4 次單獨(dú)的流片。

正因?yàn)槿绱?，異?gòu)小芯片集成市場(chǎng)正在快速增長(zhǎng)。據(jù)估計(jì)，小芯片的市場(chǎng)價(jià)值預(yù)計(jì)到 2025 年將達(dá)到 57 億美元，到 2031 年將達(dá)到 472 億美元。電子設(shè)計(jì)中對(duì)高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、模塊化和定制的需求不斷增長(zhǎng)正在推動(dòng)這一增長(zhǎng)。

02

RISC-V

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

2015年，RISC-V國(guó)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(shè)才開始加速。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(qiáng)稱霸的局面，RISC-V架構(gòu)開放、靈活、精簡(jiǎn)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)完美解決了物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)λ槠筒町惢氖袌?chǎng)需求。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年全球采用RISC-V架構(gòu)的處理器出貨量超過100億顆，僅用十二年就走完了傳統(tǒng)架構(gòu)30年的發(fā)展歷程。據(jù)Counterpoint Research預(yù)測(cè)，2025年RISC-V架構(gòu)芯片預(yù)計(jì)將突破800億顆，年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)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，我們正在見證一場(chǎng)前所未有的范式轉(zhuǎn)變。在 OpenAI的ChatGPT引起消費(fèi)者和投資者的關(guān)注后，各行業(yè)的企業(yè)都在競(jìng)相整合人工智能功能。美股市值超1萬(wàn)億的巨頭中，蘋果以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(dá)（1.15兆美元），除蘋果依靠iPhone等消費(fèi)類設(shè)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(yīng)鏈中的企業(yè)獲益匪淺，首先是，英偉達(dá)憑GPU獨(dú)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(fù)責(zé)封裝和代工的臺(tái)積電也是供不應(yīng)求，產(chǎn)能直線告急，日月光/SPIL等封測(cè)廠得以從臺(tái)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“賣鏟人”富起來。

04

HBM

近年來，在AI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(kuò)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(chǔ)產(chǎn)品的銷售上揚(yáng)。

TrendForce數(shù)據(jù)顯示，2023年全球搭載HBM總?cè)萘繉⑦_(dá)2.9億GB，同比增長(zhǎng)近60%，預(yù)計(jì)2024年還將再增長(zhǎng)30%。SK海力士預(yù)測(cè)，HBM市場(chǎng)到2027年將出現(xiàn)82%的復(fù)合年增長(zhǎng)率。

在此發(fā)展勢(shì)頭下，作為AI芯片的主流解決方案，HBM受到了存儲(chǔ)巨頭的高度重視。自2014年SK海力士首次成功研發(fā)HBM以來，三星、美光等存儲(chǔ)巨頭也紛紛入局，展開了HBM的升級(jí)競(jìng)賽，目前HBM已從第一代HBM升級(jí)至第四代HBM3，產(chǎn)品帶寬和最高數(shù)據(jù)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(cè)試階段，HBM4也被提上議程。

05

先進(jìn)封裝

在后摩爾時(shí)代，隨著半導(dǎo)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)通過高度集成的方法，實(shí)現(xiàn)了更多組件在有限空間內(nèi)的密集封裝，從而顯著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)在滿足數(shù)據(jù)中心和高速網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)高密度、高性能計(jì)算需求方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

隨著技術(shù)的成熟和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，先進(jìn)封裝技術(shù)的市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)將逐漸超過傳統(tǒng)封裝方法。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，全球先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模將由2022年的443億美元，增長(zhǎng)到2028年的786億美元，年復(fù)合成長(zhǎng)率為10.6%。這種趨勢(shì)不僅反映了技術(shù)創(chuàng)新的需求，也指出了封測(cè)市場(chǎng)未來的主要增長(zhǎng)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)域展開了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。臺(tái)積電、三星和英特爾等集成電路制造商，以及日月光、Amkor和長(zhǎng)電科技等外圍供應(yīng)鏈上的封裝與測(cè)試（OSAT）廠商，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(yīng)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(xiàn)，同時(shí)也在探索更為經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)方法，以適應(yīng)日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。

06

接口互聯(lián)

在當(dāng)今日益復(fù)雜和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算世界中，硬件互聯(lián)技術(shù)的重要性不斷增長(zhǎng)。隨著數(shù)據(jù)中心、云計(jì)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應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)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(xiàn)代計(jì)算革新的關(guān)鍵力量。

PCIe是一種高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于連接主板與多種硬件設(shè)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計(jì)算設(shè)備中占據(jù)核心地位。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，單一設(shè)備內(nèi)部的通信需求日益復(fù)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(yīng)運(yùn)而生。UCIe作為一種新興的標(biāo)準(zhǔn)，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(tǒng)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(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程。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(jì)算領(lǐng)域。與此同時(shí)，CXL技術(shù)，基于PCIe的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，專注于優(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(nèi)存協(xié)同特性。這使得CXL適合于數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算環(huán)境，尤其是在需要大量數(shù)據(jù)共享和處理的場(chǎng)景中。

總的來說，PCIe、UCIe和CXL不僅僅是連接技術(shù)的進(jìn)步，更是計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)縮影。它們代表著向更高效、更互聯(lián)、更智能計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。

07

光子芯片

硅光子技術(shù)（Silicon Photonics）被業(yè)界視為突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸、開啟摩爾定律新篇章的關(guān)鍵。臺(tái)積電聲稱硅光子代表了半導(dǎo)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(tái)上將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電與光的高效傳導(dǎo)。光與電子的結(jié)合不僅解決了傳統(tǒng)銅導(dǎo)線在信號(hào)傳輸過程中的能量損耗問題，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(duì)較高，目前僅限于數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器市場(chǎng)。

硅光子還具有解決熱量問題的潛力，這是當(dāng)前電子芯片最大的挑戰(zhàn)之一。多家半導(dǎo)體行業(yè)巨頭，如臺(tái)積電、英特爾等，已經(jīng)投入大量資源研發(fā)這項(xiàng)革命性技術(shù)。2023年10月，據(jù)臺(tái)媒報(bào)道，臺(tái)積電攜手英偉達(dá)、博通，投入200位研發(fā)人員，專攻硅光，預(yù)計(jì)最早將于2024年下半年開始生產(chǎn)。從市場(chǎng)前景上來看，據(jù)SEMI估計(jì)，至2030年全球硅光子市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到78.6億美元，年復(fù)合成長(zhǎng)率（CAGR）為25.7％。

08

寬禁帶半導(dǎo)體

寬禁帶半導(dǎo)體是指禁帶寬度大于2.4 eV的半導(dǎo)體材料。寬禁帶半導(dǎo)體如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）在2023年得到了更廣泛的應(yīng)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)汽車領(lǐng)域。

SiC的熱度。Yole的數(shù)據(jù)，到2027年，SiC器件市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2021年的10億美元增長(zhǎng)到60 億美元以上。因此，眾多的功率半導(dǎo)體廠商如英飛凌、ST、安森美、羅姆等都重磅押注SiC。下游的汽車廠商爭(zhēng)著抱這些SiC巨頭的“大腿”，與這些廠商簽訂長(zhǎng)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(yīng)協(xié)議宣布入局SiC。

在SiC MOSFET的技術(shù)發(fā)展路線上，呈現(xiàn)出“平面柵”和“溝槽刪”花開兩朵的局勢(shì)。國(guó)際的SiC巨頭如羅姆、英飛凌、日本電裝、住友電工、三菱電機(jī)、ST、安森美、Qorvo等基本上都在布局溝槽式。國(guó)內(nèi)方面目前大多以平面柵為主。

氮化鎵也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，隨著東芝、羅姆等大廠的相繼入場(chǎng)，讓GaN成為了功率半導(dǎo)體新的增長(zhǎng)點(diǎn)。從技術(shù)發(fā)展來看，GaN器件也有兩種技術(shù)路線，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(lán)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)，難以滿足大家的需求；因此，垂直型的GaN-on-GaN帶來了新的希望。不少專家預(yù)測(cè)，氮化鎵的前景之廣闊，比SiC有過之無不及。

而金剛石（也稱鉆石）則被稱為是半導(dǎo)體的終極材料。它具有最高的熱導(dǎo)率，這意味著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)重要問題，金剛石半導(dǎo)體在這方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。此外它還具有極高的絕緣性，一組數(shù)據(jù)可以有著直觀的感受：硅材料的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)體也有望應(yīng)用于射頻通信、高頻率電子器件、粒子探測(cè)器，甚至在未來的量子計(jì)算領(lǐng)域。

09

光刻技術(shù)

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

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

隨著芯片晶體管線寬已趨近物理極限，而且EUV光刻機(jī)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(tái)前。納米壓印是一種創(chuàng)新的納米制造技術(shù)，它通過物理壓印方法來創(chuàng)建納米級(jí)別的圖案。相比傳統(tǒng)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(dǎo)體制造、納米器件生產(chǎn)和各種納米級(jí)應(yīng)用中受到了廣泛關(guān)注。

結(jié)語(yǔ)

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

1. 系統(tǒng)級(jí)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(dǎo)體等技術(shù)開始在部分領(lǐng)域得到應(yīng)用。這些技術(shù)的不斷發(fā)展，將推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察