A tendência é como uma corrente oculta, chegando rapidamente, e os líderes do setor também estão com pressa. Quando o jogo de miniaturização do processo de processamento de semicondutores chega ao fim, as embalagens avançadas gradualmente se tornam vencedoras na indústria de chips. No início do ano, ninguém poderia imaginar que a indústria de semicondutores estaria em tal estado de caos este ano. Este ano, quando toda a indústria de chips está sofrendo com a redução de estoque, os chips de IA da NVIDIA são difíceis de encontrar. Gigantes domésticos da Internet voaram pessoalmente para a sede da NVIDIA na Califórnia, apenas para obter mais alguns chips A800 e H800.

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A tendência é como uma corrente oculta: o líder Huang entrou na batalha para exigir pedidos, a TSMC expandiu a produção apressadamente

Isso não ocorre porque Mestre Huang tenha uma mercadoria rara, mas porque toda a indústria de chips de IA está sofrendo com a capacidade de produção insuficiente da TSMC.

Em 27 de maio, o líder Huang iria ostensivamente à Universidade Nacional de Taiwan para fazer um discurso de formatura. Embora a canja de galinha para a alma dada pelo magnata empresarial aos jovens estudantes seja deliciosa, na verdade, instar a TSMC a expandir a produção é um dos objetivos centrais da viagem de Huang. Entende-se que a TSMC já está coordenando para aumentar a capacidade de produção e deverá atingir uma capacidade de produção de 200.000 peças até o final de 2024. O CEO Wei Zhejia na reunião de acionistas da TSMC disse que aumentará os esforços para expandir a capacidade de produção de CoWoS na fábrica de Longtan, e a fábrica Zhunan AP6 também se juntará em apoio.


Foto: Huang Renxun participou da cerimônia de formatura da Universidade Nacional de Taiwan e fez um discurso

Não se diz que a capacidade de produção da fundição de chips é um excesso de capacidade? Por que Lao Huang precisa ir pessoalmente à TSMC para supervisionar a guerra? Ao contrário da crença popular, o que está apertado desta vez não é a fundição de wafer de processos avançados como 7nm e 5nm da TSMC, mas a embalagem avançada que não foi levada a sério antes e se tornou o elo mais curto em toda a cadeia da indústria.

Na divisão do trabalho da indústria de semicondutores, a embalagem sempre esteve na base da cadeia de desprezo. Com baixo valor agregado e altos gastos de capital, as empresas de chips tentam evitá-lo.

Essa escassez de chips de IA trouxe o CoWoS, um dos representantes da tecnologia avançada de embalagens, para o centro das atenções pela primeira vez. Este termo anteriormente impopular tornou-se um nome familiar. A indústria é até exagerada a ponto de poder rastrear diretamente a capacidade de produção de embalagens avançadas CoWoS para prever o desempenho da Nvidia no próximo trimestre e, em seguida, comprar loucamente opções de compra durante a temporada de lucros da Nvidia.

Se fizermos uma dedução lógica de cima para baixo, é o seguinte: os gigantes da indústria estão competindo por uma corrida armamentista de IA -> a corrida armamentista de IA requer um grande número de chips de IA -> chips de IA exigem fundição TSMC -> A fundição TSMC é limitada pela capacidade de produção CoWoS de embalagens avançadas.

Não é exagero dizer que as embalagens avançadas se tornaram uma fênix da noite para o dia e se tornaram o maior gargalo que restringe o desenvolvimento da indústria de TMT.

Embora a TSMC, como irmã mais velha inabalável na fabricação de semicondutores, ainda esteja na liderança em embalagens avançadas, obviamente não está preparada para o rápido desenvolvimento desta tendência. Sob a insistência dos clientes, só pode instar urgentemente os fabricantes de equipamentos a aumentar passivamente a capacidade de produção de CoWoS.

Esta também é a primeira vez que todos enfrentam a indústria de embalagens.


Figura: Cadeia da indústria de semicondutores; Valores Mobiliários de Zhongtai

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Quando o pensamento tradicional chega ao fim

A maneira mais direta de melhorar o desempenho do chip é aumentar o número de transistores tanto quanto possível, o que não é diferente de aumentar a vida útil da bateria dos veículos elétricos empilhando mais baterias. Portanto, para o desenvolvimento da indústria de semicondutores, a ideia tradicional de pesquisa e desenvolvimento de chips avançados sempre foi "fazer barulho com os transistores". Simplificando, é para expandir a área do chip enquanto reduz o processo.

Entre eles, o objetivo da redução do processo é colocar mais transistores por unidade de área, que é o que ouvimos com frequência em 14nm, 7nm, 5nm e 3nm. Desta forma, os transistores podem ficar cada vez menores e, naturalmente, mais transistores podem ser empilhados por unidade de área. A outra forma é ampliar a área, que é tornar o chip o maior possível sob a premissa de um determinado processo.

Pode-se dizer que nas últimas décadas, os chips lógicos de computadores e telefones celulares contam com esse método para prolongar sua vida útil. À medida que este método se desenvolveu até hoje, ele inevitavelmente atingiu duas limitações principais.

Limitação 1: Os benefícios marginais da redução do processo estão cada vez menores.

Na verdade, desde 28nm, a relação custo-benefício de buscar processos mais avançados no design de chips tornou-se cada vez mais baixa. De acordo com os dados divulgados no prospecto da VeriSilicon, o custo unitário dos chips aumentou rapidamente após 14/16nm, e a Lei de Moore continuou a desacelerar. À medida que o processo evolui de 28 nm para 5 nm, o investimento único em I&D também aumentou acentuadamente, de 50 milhões de dólares para mais de 500 milhões de dólares.

Os processos avançados tornaram-se uma competição para queimar dinheiro, por isso apenas algumas empresas como Apple, Nvidia, Samsung, AMD, Intel, MediaTek, Tesla e Huawei estão a fabricar os chips mais avançados. No início do ano, a OPPO não teve escolha senão desmantelar a sua equipa Zheku, que é o melhor exemplo do elevado limiar para o desenvolvimento de chips avançados.

Precisamente porque a relação entrada-saída avançada não é necessariamente apropriada, muitos chips permanecem após 28 nm e não buscam mais processos avançados cegamente.


Figura: Custos de design de chips de diferentes nós de processo em vários períodos de aplicação (unidade: milhões de dólares americanos); Fonte: Prospecto VeriSilicon

Limitação 2: A taxa de rendimento de chips de grande porte está cada vez mais baixa.

Além de buscar processos avançados para aumentar a densidade do transistor, outro método é aumentar o chip. Diz-se que grandes esforços podem produzir milagres. No entanto, este método simples basicamente chegou ao fim.

Ainda tomando o chip AI da Nvidia como exemplo. Comparados aos chips tradicionais, os chips AI possuem áreas maiores para atingir o melhor desempenho. O tamanho dos chips simples de IA da NVIDIA geralmente excede 800 mm2, que é várias vezes maior do que os chips de controle principais de telefones celulares comuns. O problema direto causado por um chip muito grande é que a taxa de rendimento da produção diminui rapidamente.

Existe um modelo Bose-Einstein na indústria para avaliar o rendimento do processo de fabricação: rendimento = 1/(1+área do cavaco*densidade do defeito)n. Não é difícil ver nesta fórmula que quanto maior for a área de um único chip, menor será a taxa de rendimento.

Algumas pessoas dirão naturalmente que não importa se a taxa de rendimento for baixa, desde que ganhemos mais alguns, tudo ficará bem. Isto se deve obviamente à compreensão insuficiente da produção industrial. Os chips NVIDIA AI agora são vendidos por mais de US$ 10.000 por chip, e ninguém pode arcar com as perdas causadas pelas baixas taxas de rendimento.

De acordo com estimativas do modelo, a taxa de rendimento de chips médios e grandes de 150 mm² é de cerca de 80%, enquanto a taxa de rendimento de chips ultragrandes de 700 mm² e acima cairá para 30%. Além disso, de acordo com especialistas da indústria, devido às limitações de tamanho das máscaras de fotolitografia, a área de um único chip geralmente não excede 800 mm2, então os chips AI da Nvidia estão realmente se aproximando do limite superior de área.

Quando os métodos para promover o avanço de chips avançados começam a enfrentar desafios sem precedentes, a indústria deve encontrar novas formas de sobreviver.

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Entre no futuro e descubra o mistério das embalagens avançadas

Embora a indústria de embalagens não seja tão atraente quanto o design de chips e a fundição de wafers, graças ao rápido desenvolvimento dos tipos de chips, a escala da indústria global de embalagens de chips também é considerável. O tamanho do mercado ultrapassará os 80 mil milhões de dólares em 2022. É uma indústria difícil de ignorar, mas sempre foi rotulada como cíclica.

Voltando à indústria, a embalagem de semicondutores é um processo back-end do processo de fabricação de semicondutores. Ele foi projetado para realizar melhor as conexões elétricas entre chips e outros componentes eletrônicos. Certa vez, alguém na indústria fez a metáfora de que o chip é equivalente ao córtex cerebral e a embalagem é como o crânio do cérebro. Portanto, na longa história dos semicondutores, a embalagem desempenhou apenas um papel coadjuvante e a atenção do mercado não tem sido grande. Foram apenas as embalagens avançadas que trouxeram a indústria de embalagens para a vanguarda pela primeira vez.

Por outro lado, o desenvolvimento tecnológico da indústria de embalagens não é lento e não é uma indústria dita “puramente cíclica”.

Nos últimos 70 anos, a indústria de embalagens passou por pelo menos quatro grandes mudanças tecnológicas. Especialmente desde a década de 2010, a indústria entrou gradualmente em um novo estágio de desenvolvimento de embalagens avançadas (em 2010, o Sr. Jiang Shangyi propôs um método de conexão de vários chips por meio de empresas de semicondutores, que é diferente da embalagem tradicional e é definido como embalagem avançada). Desde então, novos conceitos começaram a surgir um após o outro, como FC, SiP, embalagem 2,5D, embalagem 3D, FO, RDL, TSV, etc.

Claro, isso também faz com que os pesquisadores que estudam embalagens avançadas em 2023 sejam subitamente sobrecarregados por tantos vocabulários desconhecidos, o que é realmente impressionante.


Figura: História do desenvolvimento da tecnologia de embalagens

Na verdade, compreender as embalagens avançadas não é complicado. Seguindo a ideia mencionada anteriormente, já que é cada vez mais inviável simplesmente expandir a área de um único chip e reduzir o processo de fabricação, podemos dividir o único chip que originalmente deveria ser muito grande em diferentes módulos funcionais, e então usar um determinado processo para fazer pequenos chips com excelente desempenho? Finalmente, esses pequenos chips são reunidos para formar um “chip grande” para obter o efeito de “três fantoches em comparação com Zhuge Liang”.

Este é o princípio básico da embalagem avançada, que reduz bastante a dificuldade ao dividi-la em partes. Se diferentes chips forem feitos dos mesmos materiais e depois embalados juntos, isso é chamado de integração heterogênea na indústria; mesmo que alguns chips sejam feitos de materiais diferentes e depois embalados juntos, isso é chamado de integração heterogênea na indústria.

Para concretizar as ideias acima, a indústria conta com o desenvolvimento de novos processos para transformar essa ideia em realidade, como a tecnologia TSV (ThroughSiliconVia, through-silicon via technology) e RDL (tecnologia de redistribuição) que realizam a conexão entre wafers de silício.

Veja a embalagem 3D como exemplo. Se as pilhas superior e inferior forem do mesmo tipo de chip, o TSV geralmente pode completar diretamente a função de interconexão elétrica. Se as pilhas superior e inferior forem tipos diferentes de chips, os IOs dos chips superiores e inferiores precisarão ser alinhados através da camada de religação RDL para completar a interconexão elétrica.

Ainda voltando aos chips AI da NVIDIA, como uma solução representativa para embalagens avançadas, embora o CoWoS tenha sido desenvolvido pela TSMC e Xilinx há 10 anos, ele acabou sendo levado adiante nos chips AI da NVIDIA.

Os principais produtos atuais da Nvidia, as séries A e H, usam embalagens TSMC CoWoS2.5D. Tomando o A100 como exemplo, o chip principal A100 é uma arquitetura de chip único usando um processo de 7 nm e está equipado com o HBM da Hynix. A interconexão de alta velocidade entre esses dois chips mais importantes é alcançada através do CoWoS.


Figura: Solução de empacotamento CoWoS fornecida pela TSMC para a Nvidia.

Portanto, no passado, a indústria ainda tinha dúvidas sobre embalagens avançadas (as fábricas de embalagens não investiram pesadamente, mas a fábrica de wafers TSMC surgiu de repente), mas os chips de IA mais vendidos da NVIDIA anunciaram oficialmente que as embalagens avançadas estão se tornando as vencedoras dos semicondutores.

Os principais players da indústria também percebem que as embalagens avançadas desempenharão um papel cada vez mais importante à medida que a Lei de Moore se aproxima do limite físico, por isso estão urgentemente atualizando as embalagens avançadas.

Por exemplo, o fabricante de pasta de dente Intel concentra-se em duas soluções avançadas de embalagem:

1) EMIB de embalagem 2.5D, com foco em baixo custo; 2) Tecnologia de embalagem de empilhamento de chips face a face Foveros3D, com foco em alto desempenho.

Segundo relatos, a CPU Meteor Lake de 14ª geração que a Intel planeja lançar este ano apresentará pela primeira vez um design de chip semelhante ao Tile, integrando quatro módulos independentes de CPU, GPU, IO e SoC, e usando a tecnologia de empacotamento Foveros.

A Samsung possui atualmente quatro soluções de embalagem avançadas, incluindo I-Cube, X-Cube, R-Cube e H-Cube. Os princípios técnicos são semelhantes, por isso não entrarei em detalhes.

Deixando de lado os detalhes técnicos, na verdade, as embalagens avançadas de diferentes fabricantes são semelhantes às da TSMC, mas foram contornadas até certo ponto para distinguir e evitar disputas de patentes. Não há diferença essencial entre nomes diferentes. Mais importante ainda, depois que os gigantes começaram a perceber a importância das embalagens avançadas, eles optaram por aderir se não conseguissem vencê-los.

De acordo com o resumo da Minsheng Securities, podemos ver que no futuro, os produtos que dependem de embalagens avançadas penetrarão em servidores, telemóveis, IA, wearables e ecrãs gráficos, envolvendo basicamente todos os aspectos da vida, e a sua importância aumentará dia a dia.


Figura: Soluções representativas para embalagens avançadas globais; Fonte: Minsheng Securities.

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O que significa mais um significado para a cadeia industrial nacional?

Naturalmente, todos devem perguntar: como está o nosso país com uma tendência tão importante?

Em primeiro lugar, precisamos esclarecer um possível mal-entendido. Embora o desenvolvimento da indústria nacional de semicondutores esteja atrasado, a cadeia da indústria de embalagens tem barreiras técnicas relativamente baixas e um desenvolvimento relativamente precoce, pelo que a sua competitividade global ainda é notável.

Segundo as estatísticas, entre as dez maiores empresas de embalagens do mundo, 3 são da China continental, 5 são de Taiwan e 1 é dos Estados Unidos. Entre eles, Changdian Technology, Tongfu Microelectronics e Huatian Technology são conhecidos como os três gigantes domésticos de embalagens e testes, e todos estão entre os dez primeiros do mundo. Além disso, o layout comercial destas três fábricas de embalagens é muito global, com receitas no exterior representando mais de 50%. Tomando a Tongfu Microelectronics como exemplo, a maior parte das embalagens da AMD é completada pela Tongfu Microelectronics. Portanto, não é exagero dizer que as fábricas nacionais de embalagens têm competitividade global.


Figura: Ranking das principais fábricas de embalagens e testes do mundo; Fonte de dados: China International Finance Securities.

É preciso dizer que, embora não estejamos atrasados ​​nas embalagens, as embalagens avançadas estão de fato um passo atrás.

Vamos falar sobre dados. Em todo o campo de embalagens avançadas, a participação da ASE chega a 26%, seguida pela TSMC e Amkor, enquanto a participação de mercado da tecnologia Changdian produzida internamente de mais alta classificação é de apenas 8%. Se subir ainda mais para as embalagens mais avançadas, a presença nacional será ainda mais fraca. Como prova do CoWoS exigido pela Nvidia, a presença da cadeia industrial na China continental é igual a 0.

Com esta onda global de embalagens avançadas, as fábricas nacionais de embalagens também começaram a mudar com o tempo. De acordo com informações de pesquisas do setor:

●A Changdian Technology expôs seus planos em tecnologias sem TSV, RDL e outras. Ela lançou soluções de tecnologia XDFOI e alcançou produção em massa e envio de produtos de chips de nós de 4 nm para clientes internacionais.

●A Tongfu Microelectronics lançou o VISionS, uma plataforma de embalagem avançada que integra 2,5D, 3D, MCM-Chiplet e outras tecnologias. Atualmente possui capacidade de produção em massa de chips de 7nm e continua a fortalecer a cooperação com fabricantes líderes como a AMD. Espera-se que desempenhe um papel importante no MI300 da AMD, que está prestes a ser produzido em massa;

●A Huatian Technology lança a mais recente plataforma de tecnologia de embalagem avançada - 3DMatrix, composta por TSV, eSiFo e 3DSiP.

Deixando de lado essas fábricas de embalagens, qual a importância das embalagens avançadas para a cadeia da indústria nacional de semicondutores?

Na verdade, embalagens avançadas não são apenas um processo necessário para o desenvolvimento de IA e outros chips, mas também um importante “canto” para alcançar avanços no país. Isso ocorre porque a embalagem avançada é o processo fundamental para a realização da tecnologia de chips.

Muitas pessoas confundem chips com embalagens avançadas. Por definição, os chips são divididos em vários pequenos chips idênticos ou diferentes. Esses pequenos chips podem ser fabricados usando nós de processo iguais ou diferentes e, em seguida, integrados no nível do pacote por meio de interconexão entre chips e tecnologia de empacotamento para reduzir custos e obter maior integração.

Portanto, chiplet é apenas um conceito de design, e um dos processos mais importantes para concretizar esse conceito de design é a embalagem avançada. Acontece que esse conceito é de maior importância para o desenvolvimento de chips nacionais.

Sob o bloqueio estrangeiro, se confiarmos apenas na cadeia industrial nacional, o limite teórico do que nosso processo de fabricação de chips pode atingir é de cerca de 7 nm, o que ainda está mais de duas gerações atrás dos 3 nm estrangeiros. Para compensar ainda mais a lacuna entre gerações, é necessário empilhar vários chips pequenos, que podem produzir produtos de maior desempenho.

Simplificando, podemos usar chips para romper o bloqueio e até mesmo mudar de faixa para ultrapassar.

De acordo com a lei do desenvolvimento da indústria, as embalagens avançadas estão se tornando cada vez mais vencedoras da competição de semicondutores e, juntamente com os processos de fabricação avançados, tornaram-se um processo necessário para chips avançados; para a cadeia nacional, a embalagem avançada é a única forma de conseguir ultrapassagens nas curvas. Resumindo, o desenvolvimento nacional de embalagens avançadas é, na verdade, mais urgente. Quando a revolução toma uma nova direcção, os camaradas precisam de trabalhar mais.

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