最近,只要我们一聊起科技,人工智能(AI)这个词肯定是绕不开的。
从能写文章、会画画的软件,到越来越聪明的智能汽车,背后都离不开一个核心的东西——芯片。
很多人可能都听说过一个叫“摩尔定律”的说法,简单来说就是芯片上的零件会越做越小,性能会越来越强。
但现在,这个定律好像快走到头了,因为零件已经小到快接近原子级别,再想缩小变得极其困难。
那么,问题就来了:当这条路快要走不通的时候,芯片产业的未来要靠什么来继续发展呢?
一个听起来有点专业的名词——“先进封装”,正悄悄地从幕后走向台前,成为大家关注的焦点。
它究竟是什么?
为什么说它可能会成为决定未来半导体行业格局的关键力量,甚至是我们国家在这个领域实现突破的重要机会?
我们先用一个通俗的方式来理解一下芯片制造和封装的关系。
过去,造芯片就像是在一块硅片上建一座功能齐全的“超级城市”。
设计师需要把所有的功能区,比如计算中心、数据仓库、通信塔等等,全部规划并建造在这一块地皮上。
这种方式的好处是所有功能区离得近,效率高。
但缺点也同样明显,那就是对这块“地皮”的要求太高了,不能有任何瑕疵,而且建造工艺极其复杂,一旦某个环节出错,整座“城市”可能就报废了,成本非常高昂。
这就是传统的芯片制造思路,追求在一块芯片上集成所有功能。
而“先进封装”提供了一种全新的思路。
它不再执着于在一块地皮上建所有东西,而是采用了“模块化建造”的理念。
也就是说,我们可以先把计算中心、数据仓库、通信塔这些功能模块,分别在最适合它们的地方建造成一个个独立的“建筑模块”。
有的模块可能需要最顶尖的工艺,有的可能用成熟一些的工艺就足够了。
建好之后,再把这些功能各异的“建筑模块”,也就是我们常说的“芯粒”(Chiplet),运到一起,用一种非常高明的技术把它们精密地组装起来。
有的可能是并排摆放,形成一个功能强大的“园区”,这就是所谓的2.5D封装;有的甚至可以像盖楼房一样把它们一层层叠起来,形成一个“立体城市”,这就是3D封装。
最后,再通过内部的“高速公路”和“立交桥”把它们无缝连接,让它们协同工作。
这么做的好处显而易见。
首先是灵活性大大提高,不同功能的模块可以用最合适的工艺来制造,有效控制了成本和生产难度。
其次是良品率提升了,即使某个小模块出了问题,也只需要更换这个模块,而不用把整个系统都废弃。
这种“搭积木”的方式,巧妙地绕开了摩尔定律快要失效的难题,通过优化组合方式来继续提升整个系统的性能,因此被看作是后摩尔时代延续芯片性能增长的关键路径。
那么,这个“先进封装”的市场到底有多火热呢?
数据是最直观的证明。
根据国际知名研究机构Yole的预测,2024年全球先进封装市场的规模将达到惊人的460亿美元,相比去年增长了近19%,这是一个非常强劲的复苏信号。
更重要的是,在人工智能、高性能计算等需求的强力驱动下,未来几年这个市场还将以每年将近10%的速度持续增长,预计到2028年,市场规模将接近800亿美元。
这已经不是一个小打小闹的配角行业,而是真正成长为一个举足轻重的黄金赛道。
特别是为AI芯片服务的高端2.5D和3D封装技术,其年均增长率甚至预计会超过30%。
我们现在熟知的英伟达AI芯片,之所以性能那么强大,很大程度上就得益于台积电的CoWoS这类先进封装技术,它能把计算核心和高速内存紧密地封装在一起,让数据传输的瓶颈大大减小。
也正因为如此,这项封装技术的产能一度成为全球AI发展的最大制约因素之一,可见其战略地位有多重要。
前景虽然美好,但我们也要清醒地看到,这条产业链上依然存在着不少挑战,特别是对于我们国家而言。
先进封装是一个复杂的系统工程,涉及上游的材料、中游的制造设备和工艺,以及下游的应用。
首先,在上游材料环节,有一种叫做“封装基板”的东西,它就像是承载所有“芯粒”的那个高精度底座,技术含量非常高,成本甚至能占到整个封装成本的一半。
然而,目前全球高端封装基板的市场,主要被日本、韩国和中国台湾的企业所掌握,我们大陆厂商的市场份额还非常小,国产化率处于个位数水平。
这就像我们想自己盖高楼,但最关键的地基材料还得依赖进口,这是一个亟待突破的“卡脖子”环节,反过来看,也意味着巨大的国产替代空间。
其次,在中游的制造环节,核心是技术和设备。
目前全球的格局是,像台积电这样的晶圆制造巨头,凭借其在芯片制造前端的优势,直接延伸到了封装领域,技术领先,手握着最高端的订单。
而另一类是专业的封装测试企业,比如我们国家的长电科技、通富微电等,它们也在努力向更高端的技术升级。
但这里面临的最大困难,是制造这些先进封装产品所需要的高端设备。
比如光刻机、刻蚀机、键合机等等,这些设备的市场几乎被美国、荷兰、日本等国的少数几家公司垄断。
虽然我们国内像上海微电子、中微公司等企业正在奋力追赶,并且在一些领域取得了不错的进展,但整体上来看,核心设备的自给率依然偏低,这是我们发展先进封装产业必须跨越的一座大山。
不过,挑战之中也蕴含着巨大的机遇。
在下游应用端,一个名为UCIe的产业联盟正在推动“芯粒”接口的标准化。
这是什么意思呢?
就是让全世界不同厂家生产的“芯粒”,都能像USB接口一样,有一个统一的标准,可以互相兼容、自由组合。
这对我们来说是一个非常好的消息。
它意味着,我们的芯片设计公司,可以不必追求面面俱到,而是可以集中精力,发挥自己的优势,去设计和制造某一类性能特别出色的功能“芯粒”。
然后,这个“芯粒”就可以被集成到全球各种各样的芯片系统里去。
这为我们打破现有的一些技术壁垒,以一种更灵活的方式融入甚至引领全球半导体产业链,提供了一个宝贵的战略窗口。
总的来看,先进封装技术正在引发半导体行业的一场深刻变革,竞争的焦点正从“如何把芯片造得更小”,转向“如何把不同芯片更好地组合在一起”。
它不仅仅是芯片性能提升的助推器,更在深刻地影响着全球产业链的格局。
对于中国来说,这既是一场充满挑战的攻坚战,也是一次实现“换道超车”的历史性机遇。
我们拥有庞大的市场需求,有完整的工业体系,只要能够在关键的材料和设备领域持续投入、实现突破,就有希望在这条全新的赛道上建立起自己的核心竞争力,为国家未来的科技发展和数字经济建设提供坚实的支撑。
这场围绕着“芯片组合艺术”的竞赛,大幕已经拉开。