據(jù)報(bào)道，英偉達(dá)A100和H100目前完全外包給臺(tái)積電代工，三星未能拿下任何訂單，這完全是因?yàn)榕_(tái)積電CoWoS先進(jìn)封裝技術(shù)領(lǐng)先。現(xiàn)在英偉達(dá)、蘋(píng)果和AMD的核心產(chǎn)品都依賴(lài)臺(tái)積電先進(jìn)制程及封裝技術(shù)。因此，即使三星在2022年領(lǐng)先臺(tái)積電成功量產(chǎn)3nm制程晶圓，英偉達(dá)和蘋(píng)果等全球龍頭仍然希望使用臺(tái)積電的產(chǎn)能，這也使得目前所有AI及自動(dòng)駕駛相關(guān)芯片的代工大訂單，幾乎都掌握在了臺(tái)積電手上。

6月，蘋(píng)果Apple Silicon最后一塊拼圖歸位：新款Mac Pro換上M2 Ultra，英特爾徹底從蘋(píng)果的Mac產(chǎn)品線消失。承擔(dān)這一歷史轉(zhuǎn)折點(diǎn)的M2 Ultra，成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)：

這顆蘋(píng)果有史以來(lái)面積最大的SoC，由兩顆M2 Max芯片“縫合”而成，晶體管數(shù)量直接翻倍，達(dá)到了1340億顆——作為對(duì)比，英偉達(dá)的RTX4090擁有763億個(gè)晶體管，H100為800億。

這塊芯片背后，是一個(gè)名為UltraFusion的“縫合技術(shù)”。


1、M2 Ultra將兩塊M2 Max“縫合”了起來(lái)

當(dāng)摩爾定律失效成為業(yè)內(nèi)共識(shí)，制程提升的成本指數(shù)級(jí)飆升，提高制程已不再是高性能芯片增加晶體管數(shù)量的最佳選擇。將兩塊芯片合二為一雖然聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單粗暴，但在蘋(píng)果之前，失敗的嘗試不在少數(shù)。

此前，幾乎所有的“縫合”方案，都無(wú)法解決芯片在連接過(guò)程中產(chǎn)生的損耗，使得性能往往“1+1<2”。而M2 Ultra卻突破了這一天塹，實(shí)現(xiàn)了真正的1+1=2。

UltraFusion背后的功臣并不難猜，正是當(dāng)前先進(jìn)封裝產(chǎn)能供不應(yīng)求的臺(tái)積電。

當(dāng)業(yè)內(nèi)還在熱議英特爾修改命名縮短與臺(tái)積電的差距，又或是臺(tái)積電和三星誰(shuí)將率先突破2nm時(shí)，臺(tái)積電卻早已憑借先進(jìn)封裝，走在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的前面，為燈枯油盡的摩爾定律續(xù)命。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)1+1=2，臺(tái)積電走了20年。


2、停滯20年的間距

2005年，伴隨芯片制程邁入65nm大關(guān)，臺(tái)積電在全球芯片代工市場(chǎng)中拿下了50%的份額，身后的競(jìng)爭(zhēng)者似乎只剩下了苦苦追趕的三星，感覺(jué)大勢(shì)已定的張忠謀宣布卸任CEO，退居二線，但時(shí)任臺(tái)積電技術(shù)總裁蔣尚義卻在思考一個(gè)問(wèn)題：

過(guò)去十五年，芯片制程緊跟摩爾定律的路線圖，從600nm一路狂奔到了65nm。但芯片之間封裝的金屬間距（Metal Pitch）卻停留在110um，已經(jīng)20年沒(méi)有進(jìn)步。

何為金屬間距——一般我們拿到手的芯片（如CPU），其實(shí)是一個(gè)完整的芯片模組。嚴(yán)格意義上的芯片，是從晶圓上切割下來(lái)的裸片（Die）。

按照傳統(tǒng)封裝的步驟，需要將這些裸片放到基板（Sustrate）上，引出管腳/引線，再將其固定、封裝進(jìn)一個(gè)外殼中，才能應(yīng)用于實(shí)際的電路中。

蔣尚義思考的金屬間距，其實(shí)就是圖中引線的間距，比如CPU和內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，就是依靠這些引線。理論上來(lái)說(shuō)，引線數(shù)量越多，不同芯片間的連接效率就越高，整體性能也就越好。但由于引線是金屬材質(zhì)，一旦密度提升，功耗和發(fā)熱也會(huì)越高。

在這個(gè)背景下，蔣尚義構(gòu)想了一個(gè)大膽的方案：與其冒險(xiǎn)增加引線的密度，不如把兩塊芯片封裝在一個(gè)硅片上，由于物理距離更近，電信號(hào)傳輸中的延遲問(wèn)題得到改善，金屬材質(zhì)帶來(lái)的弊病也迎刃而解。

從“先封在拼”轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋绕丛诜狻?，前者如今被歸類(lèi)為傳統(tǒng)封裝，后者則是近幾年大熱的概念——“先進(jìn)封裝”。

但在當(dāng)時(shí)，蔣尚義的構(gòu)想在技術(shù)上過(guò)于大膽，而且缺乏商業(yè)上的可行性。

所謂摩爾定律，就是指每隔18-24個(gè)月，芯片上可容納晶體管數(shù)量翻一番。幾十年里，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)遵照摩爾定律快速發(fā)展，從130nm到90nm，從65nm到40nm，仿佛游戲過(guò)關(guān)一樣順暢。

對(duì)于代工廠來(lái)說(shuō)，相比芯片制程帶來(lái)的性能提升，重金投入先進(jìn)封裝帶來(lái)的性能進(jìn)步，實(shí)在是性?xún)r(jià)比過(guò)低。加上蔣尚義在2006年就跟隨張忠謀一起退休，先進(jìn)封裝方案并沒(méi)有付諸實(shí)施。

但到了2009年，業(yè)內(nèi)上下開(kāi)始攻克28nm制程，工程師們才意識(shí)到了問(wèn)題的嚴(yán)重性：晶體管單位制造成本不降反升，制程升級(jí)提升性能的性?xún)r(jià)比開(kāi)始降低。

換句話(huà)說(shuō)，摩爾定律正在失效。

同一時(shí)期，依靠移動(dòng)終端市場(chǎng)的紅利，三星從微不足道的競(jìng)爭(zhēng)者迅速成長(zhǎng)為臺(tái)積電最大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

金融危機(jī)期間，臺(tái)灣地區(qū)的面板和內(nèi)存產(chǎn)業(yè)被三星的反周期屠刀相繼斬落馬下，擊垮當(dāng)時(shí)利潤(rùn)大幅下滑臺(tái)積電并非沒(méi)有可能。

2009年，張忠謀重新出山，并請(qǐng)回了已經(jīng)退休的蔣尚義，希望后者帶領(lǐng)臺(tái)積電領(lǐng)先于業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)28nm制程量產(chǎn)，重現(xiàn)130nm超越IBM的輝煌，并借此關(guān)鍵制程，搭上移動(dòng)終端的末班車(chē)。

蔣尚義的回歸，使得臺(tái)積電兩年后以“后閘級(jí)”技術(shù)路線成功超越三星率先量產(chǎn)28nm，而真正讓臺(tái)積電贏在了起跑線上的，是其回歸時(shí)與“晶體管領(lǐng)先”一同向張忠謀提出的“先進(jìn)封裝”計(jì)劃。

28nm制程，是摩爾定律死亡倒計(jì)時(shí)的開(kāi)始，也是臺(tái)積電先進(jìn)封裝的起點(diǎn)。


3、先進(jìn)封裝已然成為半導(dǎo)體“新戰(zhàn)場(chǎng)”，市場(chǎng)高漲

盡管整體經(jīng)濟(jì)不景氣，但先進(jìn)封裝市場(chǎng)繼續(xù)保持彈性。Yole Group 最新的Advanced Packaging Market Monitor（先進(jìn)封裝市場(chǎng)監(jiān)測(cè)）記錄了與上一年相比， 2022 年的先進(jìn)封裝的收入增長(zhǎng)了約 10%。2022年價(jià)值443億美元，預(yù)計(jì)2022—2028年復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）為10.6%，到2028年達(dá)到786億美元。

相比之下，傳統(tǒng)封裝市場(chǎng)預(yù)計(jì)從 2022 年到 2028 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率將放緩至 3.2%，達(dá)到 575 億美元?？傮w而言，封裝市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以 6.9% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，達(dá)到 1360 億美元。

2022年先進(jìn)封裝市場(chǎng)約占集成電路封裝市場(chǎng)總量的48%。由于各種大趨勢(shì)，其份額正在穩(wěn)步增長(zhǎng)。在先進(jìn)封裝市場(chǎng)中，包括FCBGA和FCCSP在內(nèi)的倒裝芯片平臺(tái)在2022年占據(jù)51%的市場(chǎng)份額。從2022年到2028年，預(yù)計(jì)收入復(fù)合年增長(zhǎng)率最高的細(xì)分市場(chǎng)是ED、2.5D/3D和倒裝芯片，增長(zhǎng)率分別為30%、19%和8.5%。

到 2022 年，移動(dòng)和消費(fèi)者占整個(gè)先進(jìn)封裝市場(chǎng)的 70%，預(yù)計(jì) 2022 年至 2028 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 7%，到 2028 年占先進(jìn)封裝收入的 61%。 電信和基礎(chǔ)設(shè)施部分增長(zhǎng)最快，具有估計(jì)收入增長(zhǎng)率約為 17%，預(yù)計(jì)到 2028 年將占先進(jìn)封裝市場(chǎng)的 27%。汽車(chē)和運(yùn)輸將占市場(chǎng)的 9%，而醫(yī)療、工業(yè)和航空航天/國(guó)防等其他領(lǐng)域?qū)⒄?% 。

盡管傳統(tǒng)封裝目前主導(dǎo)晶圓生產(chǎn)，到 2022 年將占總產(chǎn)量的近 73%，但先進(jìn)封裝市場(chǎng)的份額正在逐漸增加。 先進(jìn)封裝晶圓的市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)將從 2022年的約27%增長(zhǎng)到2028年的32%。以單位計(jì)算，傳統(tǒng)封裝占據(jù)超過(guò)94%的市場(chǎng)份額，但從2022年到2028年，先進(jìn)封裝的出貨量預(yù)計(jì)將以6%左右的復(fù)合年增長(zhǎng)率（按銷(xiāo)量計(jì)算）增長(zhǎng)，2028年達(dá)到1010億臺(tái)。


4、中國(guó)大陸走到哪兒了？

長(zhǎng)期以來(lái)，封裝測(cè)試環(huán)節(jié)都是芯片產(chǎn)業(yè)鏈的底端，因此很早就從日韓向中國(guó)大陸轉(zhuǎn)移。近十年來(lái)，封測(cè)已經(jīng)成為中國(guó)大陸發(fā)展最快、目前最具優(yōu)勢(shì)的環(huán)節(jié)。

而當(dāng)晶圓制造環(huán)節(jié)由于眾所周知的原因，難以向14nm以下再進(jìn)一步時(shí)，先進(jìn)封裝的出現(xiàn)，也一度被視為彎道超車(chē)的秘籍。

事實(shí)上，中國(guó)大陸的頭部廠商在先進(jìn)封裝的開(kāi)發(fā)上也并不落后。例如全球第三、中國(guó)大陸第一的封測(cè)廠長(zhǎng)電科技，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了2.5D/3D封裝、晶圓級(jí)封裝（WLP）、堆疊封裝（PoP）等先進(jìn)封裝技術(shù)，覆蓋面可追平日月光。

全球第五、中國(guó)大陸第二的通富微電，除了掌握2.5D/3D封裝等技術(shù)外，還在收購(gòu)了AMD兩大封測(cè)廠后與其深度綁定，后者是目前先進(jìn)封裝的最大客戶(hù)之一。

但有別于傳統(tǒng)封裝，先進(jìn)封裝固然提高了封測(cè)環(huán)節(jié)的附加值，但同樣需要上游環(huán)節(jié)的配合。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)封裝的流程是晶圓廠將制造完成的芯片交由封測(cè)廠封裝，彼此獨(dú)立。

但先進(jìn)封裝需要芯片設(shè)計(jì)公司、晶圓廠和封測(cè)廠在芯片設(shè)計(jì)階段，就開(kāi)始定制和研發(fā)制造工藝，聯(lián)系更加緊密。

正是因?yàn)橄冗M(jìn)封裝的關(guān)鍵技術(shù)需要芯片設(shè)計(jì)公司推動(dòng)，在芯片制造層面實(shí)現(xiàn)，因此代工廠先天比封測(cè)廠更有優(yōu)勢(shì)，也被認(rèn)為是最主要的玩家。封測(cè)廠更多承接技術(shù)難度低、靠近后道封裝的部分。比如，臺(tái)積電就將CoWoS的oS外包給了日月光。

中國(guó)大陸封測(cè)廠的弱勢(shì)在于，由于工藝制程落后，代工廠本身就沒(méi)有多少先進(jìn)封裝的訂單，芯片設(shè)計(jì)公司提供的訂單就更少了。

臺(tái)積電的先進(jìn)封裝工藝拔地而起，是因?yàn)橛刑O(píng)果這個(gè)超級(jí)甲方的存在。理論上來(lái)說(shuō)，海思可以扮演這個(gè)角色，但在海思因制裁而無(wú)法做先進(jìn)芯片設(shè)計(jì)后，缺少了關(guān)鍵的推動(dòng)者，中國(guó)大陸先進(jìn)封裝一度發(fā)展困難。

這就導(dǎo)致先進(jìn)封裝風(fēng)口已現(xiàn)，但承擔(dān)了全球封測(cè)近20%產(chǎn)能的中國(guó)大陸，卻遲遲等不來(lái)指引航向的掌舵者。始于2018年制裁，對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的影響，或許比預(yù)期中的還要深遠(yuǎn)。