De trend is als een onderstroom die zich snel aandient, en ook de marktleiders hebben haast. Wanneer het procesminiaturisatiespel van halfgeleiderverwerking ten einde loopt, zijn geavanceerde verpakkingen geleidelijk de winnaar in de chipindustrie geworden. Aan het begin van het jaar had niemand kunnen vermoeden dat de halfgeleiderindustrie dit jaar in zo’n staat van chaos zou verkeren. Dit jaar, wanneer de hele chipindustrie last heeft van voorraadafbouw, zijn de AI-chips van NVIDIA moeilijk te vinden. Binnenlandse internetgiganten vlogen persoonlijk naar het hoofdkantoor van NVIDIA in Californië, alleen maar om nog een paar A800- en H800-chips te bemachtigen.

01

De trend is als een onderstroom: leider Huang ging de strijd aan om orders af te dwingen, TSMC breidde haastig de productie uit

Dit is niet omdat Master Huang een zeldzaam goed heeft, maar omdat de hele AI-chipindustrie lijdt onder onvoldoende productiecapaciteit van TSMC.

Op 27 mei ging leider Huang ogenschijnlijk naar de National Taiwan University om een ​​afstudeertoespraak te houden. Hoewel de kippensoep voor de ziel die de ondernemende magnaat aan de jonge studenten geeft heerlijk is, is het aansporen van TSMC om de productie uit te breiden een van de kerndoelen van Huangs reis. Het is duidelijk dat TSMC al coördineert om de productiecapaciteit te vergroten en naar verwachting tegen eind 2024 een productiecapaciteit van 200.000 stuks zal bereiken. CEO Wei Zhejia zei op de aandeelhoudersvergadering van TSMC dat het de inspanningen zal opvoeren om de CoWoS-productiecapaciteit in de Longtan-fabriek uit te breiden, en dat de Zhunan AP6-fabriek ook zal ondersteunen.


Foto: Huang Renxun woonde de diploma-uitreiking van de National Taiwan University bij en hield een toespraak

Wordt er niet gezegd dat de productiecapaciteit van de chipgieterij overcapaciteit is? Waarom moet Lao Huang persoonlijk naar TSMC gaan om toezicht te houden op de oorlog? In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, is het deze keer niet de wafergieterij van geavanceerde processen zoals TSMC's 7 nm en 5 nm, maar de geavanceerde verpakking die voorheen niet serieus werd genomen en de kortste schakel in de hele industriële keten is geworden.

In de arbeidsverdeling van de halfgeleiderindustrie heeft de verpakking altijd onderaan de minachtingsketen gestaan. Met een lage toegevoegde waarde en hoge kapitaaluitgaven proberen chipbedrijven dit te vermijden.

Dit tekort aan AI-chips heeft CoWoS, een van de vertegenwoordigers van geavanceerde verpakkingstechnologie, voor het eerst in de schijnwerpers gezet. Deze voorheen impopulaire term is een begrip geworden. De industrie wordt zelfs zo overdreven dat ze de productiecapaciteit van geavanceerde CoWoS-verpakkingen rechtstreeks kan volgen om de prestaties van Nvidia in het volgende kwartaal te voorspellen, en vervolgens op gekke wijze callopties kan kopen tijdens het winstseizoen van Nvidia.

Als we een logische conclusie van boven naar beneden trekken, is deze als volgt: industriegiganten strijden om een ​​AI-wapenwedloop -> de AI-wapenwedloop vereist een groot aantal AI-chips -> AI-chips vereisen TSMC-gieterij -> TSMC-gieterij wordt beperkt door CoWoS-productiecapaciteit voor geavanceerde verpakkingen.

Het is niet overdreven om te zeggen dat geavanceerde verpakkingen van de ene op de andere dag een feniks zijn geworden en het grootste knelpunt zijn geworden dat de ontwikkeling van de TMT-industrie beperkt.

Ook al loopt TSMC, als de onwrikbare grote broer in de halfgeleiderproductie, nog steeds voorop op het gebied van geavanceerde verpakkingen, het is duidelijk niet voorbereid op de snelle ontwikkeling van deze trend. Onder aandringen van klanten kan het alleen dringend fabrikanten van apparatuur aansporen om de CoWoS-productiecapaciteit passief te vergroten.

Dit is ook de eerste keer dat iedereen de verpakkingsindustrie onder ogen moet zien.


Figuur: keten van de halfgeleiderindustrie; Zhongtai-effecten

02

Wanneer het traditionele denken ten einde komt

De meest directe manier om de chipprestaties te verbeteren is door het aantal transistors zoveel mogelijk te vergroten, wat niet anders is dan het verlengen van de levensduur van de batterij van elektrische voertuigen door meer batterijpakketten te stapelen. Daarom is het traditionele idee van geavanceerd chiponderzoek en -ontwikkeling voor de ontwikkeling van de halfgeleiderindustrie altijd geweest om 'ophef te maken over transistors'. Simpel gezegd komt het erop neer dat het chipoppervlak wordt vergroot en het proces wordt verkleind.

Het doel van proceskrimp is onder meer om meer transistors per oppervlakte-eenheid te plaatsen, wat we vaak horen over 14 nm, 7 nm, 5 nm en 3 nm. Op deze manier kunnen de transistors steeds kleiner worden gemaakt, en natuurlijk kunnen er meer transistors per oppervlakte-eenheid worden gestapeld. De andere manier is om het gebied uit te breiden, wat inhoudt dat de chip zoveel mogelijk groter wordt gemaakt onder de vooronderstelling van een bepaald proces.

Er kan worden gezegd dat we de afgelopen decennia op deze methode hebben vertrouwd met de logica-chips van computers en mobiele telefoons om hun levensduur te verlengen. Omdat deze methode zich tot op de dag van vandaag heeft ontwikkeld, stuitte zij onvermijdelijk op twee belangrijke beperkingen.

Beperking 1: De marginale voordelen van procesinkrimping worden steeds kleiner.

Sinds 28 nm is de kosteneffectiviteit van het nastreven van geavanceerdere processen in chipontwerp zelfs steeds lager geworden. Volgens gegevens uit het prospectus van VeriSilicon stegen de oppervlaktekosten per eenheid chips snel na 14/16 nm, en bleef de wet van Moore vertragen. Naarmate het proces evolueert van 28 nm naar 5 nm, zijn de afzonderlijke R&D-investeringen ook scherp gestegen van 50 miljoen dollar naar meer dan 500 miljoen dollar.

Geavanceerde processen zijn een geldverbrandende concurrentie geworden, dus slechts een paar bedrijven zoals Apple, Nvidia, Samsung, AMD, Intel, MediaTek, Tesla en Huawei maken de meest geavanceerde chips. Aan het begin van het jaar had OPPO geen andere keuze dan zijn Zheku-team op te heffen, het beste voorbeeld van de hoge drempel voor het ontwikkelen van geavanceerde chips.

Juist omdat de geavanceerde input-output-verhouding niet per se passend is, blijven veel chips achter 28nm en streven ze niet langer blindelings geavanceerde processen na.


Figuur: Chipontwerpkosten van verschillende procesknooppunten in verschillende toepassingsperioden (eenheid: miljoen dollar); Bron: VeriSilicon-prospectus

Beperking 2: Het rendement van grote chips wordt steeds lager.

Naast het nastreven van geavanceerde processen om de transistordichtheid te vergroten, is een andere methode het groter maken van de chip. Er wordt gezegd dat grote inspanningen wonderen kunnen voortbrengen. Aan deze eenvoudige methode is echter feitelijk een einde gekomen.

Neem nog steeds de AI-chip van Nvidia als voorbeeld. Vergeleken met traditionele chips hebben AI-chips grotere oppervlakken om ultieme prestaties te bereiken. De grootte van de AI-chips van NVIDIA is doorgaans groter dan 800 mm2, wat meerdere malen groter is dan de hoofdbesturingschips van gewone mobiele telefoons. Het directe probleem dat wordt veroorzaakt door een te grote chip is dat de productieopbrengst snel afneemt.

Er bestaat een Bose-Einstein-model in de industrie voor het beoordelen van de opbrengst van procesproductie: opbrengst = 1/(1+chipoppervlak*defectdichtheid)n. Het is niet moeilijk om uit deze formule te zien dat hoe groter het oppervlak van een enkele chip is, hoe lager het rendement zal zijn.

Sommige mensen zullen natuurlijk zeggen dat het niet uitmaakt of de opbrengst laag is, zolang we er maar een paar meer verdienen, komt het goed. Dit is duidelijk te wijten aan een onvoldoende kennis van de industriële productie. NVIDIA AI-chips worden nu verkocht voor meer dan 10.000 dollar per chip, en niemand kan zich de verliezen veroorloven die worden veroorzaakt door de lage opbrengsten.

Volgens modelschattingen bedraagt ​​het rendement van middelgrote en grote spanen van 150 mm² ongeveer 80%, terwijl het rendement van ultragrote spanen van 700 mm² en meer zal dalen tot 30%. Bovendien is, volgens insiders uit de industrie, vanwege de beperkingen van de grootte van fotolithografiemaskers het oppervlak van een enkele chip over het algemeen niet groter dan 800 mm2, dus de AI-chips van Nvidia naderen feitelijk de bovengrens van het oppervlak.

Wanneer de methoden om de vooruitgang van geavanceerde chips te bevorderen voor ongekende uitdagingen komen te staan, moet de industrie nieuwe manieren vinden om te overleven.

03

Duik in de toekomst en ontdek het mysterie van geavanceerde verpakkingen

Hoewel de verpakkingsindustrie niet zo in het oog springt als chipontwerp en wafergieterij, is dankzij de snelle ontwikkeling van chiptypen de omvang van de mondiale chipverpakkingsindustrie ook aanzienlijk. De marktomvang zal in 2022 de 80 miljard dollar overschrijden. Het is een sector die moeilijk te negeren is, maar die altijd als cyclisch is bestempeld.

Terugkerend naar de industrie: halfgeleiderverpakkingen zijn een back-endproces van het halfgeleiderproductieproces. Het is ontworpen om elektrische verbindingen tussen chips en andere elektronische componenten beter te realiseren. Iemand in de industrie heeft ooit de metafoor gemaakt dat de chip gelijk staat aan de hersenschors, en dat de verpakking lijkt op de schedel van de hersenen. Daarom heeft de verpakking in de lange geschiedenis van halfgeleiders slechts een ondersteunende rol gespeeld en is de aandacht van de markt niet groot geweest. Het zijn juist de geavanceerde verpakkingen die de verpakkingsindustrie voor het eerst op de voorgrond hebben gebracht.

Op een ander niveau verloopt de technologische ontwikkeling van de verpakkingsindustrie niet traag, en is het geen zogenaamde “puur cyclische” industrie.

In de afgelopen 70 jaar heeft de verpakkingsindustrie minstens vier grote technologische veranderingen meegemaakt. Vooral sinds de jaren 2010 is de industrie geleidelijk een nieuwe ontwikkelingsfase van geavanceerde verpakkingen ingegaan (in 2010 stelde de heer Jiang Shangyi een methode voor om meerdere chips met elkaar te verbinden via halfgeleiderbedrijven, die verschilt van traditionele verpakkingen en wordt gedefinieerd als geavanceerde verpakkingen). Sindsdien zijn er de een na de ander nieuwe concepten ontstaan, zoals FC, SiP, 2.5D-verpakkingen, 3D-verpakkingen, FO, RDL, TSV, enz.

Dit zorgt er natuurlijk ook voor dat onderzoekers die geavanceerde verpakkingen bestuderen in 2023 plotseling overweldigd worden door zoveel onbekend vocabulaire, wat echt overweldigend is.


Figuur: Geschiedenis van de ontwikkeling van verpakkingstechnologie

Het begrijpen van geavanceerde verpakkingen is eigenlijk niet ingewikkeld. Kunnen we, in navolging van het eerder genoemde idee, aangezien het steeds onhaalbaarder wordt om simpelweg de oppervlakte van een enkele chip uit te breiden en het productieproces te verkleinen, de enkele chip, die oorspronkelijk erg groot had moeten zijn, opsplitsen in verschillende functionele modules, en dan een bepaald proces gebruiken om kleine chips met uitstekende prestaties te maken? Ten slotte worden deze kleine chips samengevoegd tot een "grote chip" om het effect te bereiken van "drie handlangers vergeleken met Zhuge Liang".

Dit is het basisprincipe van geavanceerde verpakkingen, dat de moeilijkheidsgraad aanzienlijk vermindert door het in delen op te delen. Als verschillende chips van dezelfde materialen worden gemaakt en vervolgens samen worden verpakt, heet dit heterogene integratie in de industrie; als zelfs sommige chips van verschillende materialen zijn gemaakt en vervolgens samen worden verpakt, wordt dit heterogene integratie in de industrie genoemd.

Om bovenstaande ideeën te realiseren vertrouwt de industrie op de ontwikkeling van nieuwe processen om dit idee werkelijkheid te laten worden, zoals TSV-technologie (ThroughSiliconVia, through-silicon via technology) en RDL (redistributietechnologie) die de verbinding tussen siliciumwafels realiseren.

Neem 3D-verpakkingen als voorbeeld. Als de bovenste en onderste stapels van hetzelfde type chip zijn, kan TSV de elektrische verbindingsfunctie meestal rechtstreeks voltooien. Als de bovenste en onderste stapels verschillende soorten chips zijn, moeten de IO's van de bovenste en onderste chips worden uitgelijnd via de RDL-herbedradingslaag om de elektrische verbinding te voltooien.

We gaan nog steeds terug naar de AI-chips van NVIDIA, als representatieve oplossing voor geavanceerde verpakkingen. Hoewel CoWoS tien jaar geleden werd ontwikkeld door TSMC en Xilinx, werd het uiteindelijk voortgezet op de AI-chips van NVIDIA.

De huidige belangrijkste producten van NVDIA, de A- en H-serie, maken beide gebruik van TSMC CoWoS2.5D-verpakkingen. Als we de A100 als voorbeeld nemen: de hoofdchip A100 is een architectuur met één chip die gebruikmaakt van een 7nm-proces en is uitgerust met HBM van Hynix. Via CoWoS wordt een snelle interconnectie tussen deze twee belangrijkste chips bereikt.


Figuur: CoWoS-verpakkingsoplossing geleverd door TSMC aan Nvidia.

Daarom twijfelde de industrie in het verleden nog steeds aan geavanceerde verpakkingen (verpakkingsfabrieken investeerden niet zwaar, maar waferfabriek TSMC dook plotseling op), maar NVIDIA's populaire AI-chips maakten officieel bekend dat geavanceerde verpakkingen de winnaar van halfgeleiders worden.

Toonaangevende spelers in de sector realiseren zich ook dat geavanceerde verpakkingen een steeds belangrijkere rol zullen spelen naarmate de wet van Moore de fysieke limiet nadert, en daarom zijn ze dringend bezig met een inhaalslag op het gebied van geavanceerde verpakkingen.

Tandpastafabrikant Intel richt zich bijvoorbeeld op twee geavanceerde verpakkingsoplossingen:

1) 2.5D-verpakking EMIB, gericht op lage kosten; 2) Foveros3D face-to-face chipstapelverpakkingstechnologie, gericht op hoge prestaties.

Volgens rapporten zal de 14e generatie CPU Meteor Lake die Intel dit jaar wil lanceren voor het eerst een Tile-achtig chipletontwerp introduceren, waarbij vier onafhankelijke modules van CPU, GPU, IO en SoC worden geïntegreerd, en gebruik wordt gemaakt van Foveros-verpakkingstechnologie.

Samsung heeft momenteel vier geavanceerde verpakkingsoplossingen, waaronder I-Cube, X-Cube, R-Cube en H-Cube. De technische principes zijn vergelijkbaar, dus ik zal niet in details treden.

Afgezien van de technische details zijn de geavanceerde verpakkingen van verschillende fabrikanten in feite vergelijkbaar met TSMC, maar zijn ze tot op zekere hoogte omzeild om patentgeschillen te onderscheiden en te voorkomen. Er is geen essentieel verschil tussen verschillende namen. Belangrijker nog: nadat de giganten het belang van geavanceerde verpakkingen begonnen te beseffen, kozen ze ervoor om zich aan te sluiten als ze hen niet konden verslaan.

Volgens de samenvatting van Minsheng Securities kunnen we zien dat producten die afhankelijk zijn van geavanceerde verpakkingen in de toekomst zullen doordringen in servers, mobiele telefoons, AI, wearables en grafische displays, waarbij feitelijk alle aspecten van het leven betrokken zijn, en dat hun belang met de dag zal toenemen.


Figuur: Representatieve oplossingen voor mondiale geavanceerde verpakkingen; Bron: Minsheng Securities.

04

Wat betekent nog een betekenis voor de binnenlandse industriële keten?

Iedereen moet zich natuurlijk afvragen: hoe staat ons land tegenover zo’n belangrijke trend?

Allereerst moeten we een mogelijk misverstand ophelderen. Hoewel de ontwikkeling van de binnenlandse halfgeleiderindustrie achterblijft, kent de keten van de verpakkingsindustrie relatief lage technische barrières en een relatief vroege ontwikkeling, waardoor het mondiale concurrentievermogen nog steeds opmerkelijk is.

Volgens de statistieken komen er in de top tien van verpakkingsbedrijven ter wereld drie uit het vasteland van China, vijf uit Taiwan en één uit de Verenigde Staten. Onder hen staan ​​Changdian Technology, Tongfu Microelectronics en Huatian Technology bekend als de drie binnenlandse verpakkings- en testgiganten, en ze behoren allemaal tot de top tien van de wereld. Bovendien is de bedrijfsstructuur van deze drie verpakkingsfabrieken zeer mondiaal, waarbij de buitenlandse omzet meer dan 50% voor haar rekening neemt. Als we Tongfu Microelectronics als voorbeeld nemen, wordt het grootste deel van AMD's verpakking voltooid door Tongfu Microelectronics. Daarom is het niet overdreven om te zeggen dat binnenlandse verpakkingsfabrieken mondiaal concurrerend zijn.


Figuur: Ranglijst van de belangrijkste verpakkings- en testfabrieken ter wereld; Gegevensbron: China International Finance Securities.

Het moet gezegd worden dat we weliswaar niet achterlopen op het gebied van verpakkingen, maar dat geavanceerde verpakkingen wel degelijk een stap achterlopen.

Laten we het over gegevens hebben. Op het gehele gebied van geavanceerde verpakkingen bereikt het aandeel van ASE 26%, gevolgd door TSMC en Amkor, terwijl het marktaandeel van de hoogste in eigen land geproduceerde Changdian Technology slechts 8% bedraagt. Als het verder uitgroeit tot de meest geavanceerde, geavanceerde verpakkingen, zal de binnenlandse aanwezigheid nog zwakker zijn. Als bewijs, volgens de door Nvidia vereiste CoWoS, is de aanwezigheid van de industrieketen op het vasteland van China gelijk aan 0.

Met deze wereldwijde golf van geavanceerde verpakkingen zijn ook binnenlandse verpakkingsfabrieken met de tijd begonnen te draaien. Volgens onderzoeksinformatie uit de sector:

●Changdian Technology heeft zijn plannen uiteengezet in TSV-loze, RDL en andere technologieën. Het heeft XDFOI-technologieoplossingen gelanceerd en massaproductie en verzending van 4nm-node-chipletproducten voor internationale klanten gerealiseerd.

●Tongfu Microelectronics heeft VISionS gelanceerd, een geavanceerd verpakkingsplatform dat 2.5D, 3D, MCM-Chiplet en andere technologieën integreert. Het beschikt momenteel over 7nm Chiplet-massaproductiecapaciteiten en blijft de samenwerking met toonaangevende fabrikanten zoals AMD versterken. Er wordt verwacht dat het een belangrijke rol zal spelen in AMD's MI300, die op het punt staat in massaproductie te gaan;

●Huatian Technology lanceert het nieuwste geavanceerde verpakkingstechnologieplatform - 3DMatrix, bestaande uit TSV, eSiFo en 3DSiP.

Welke betekenis hebben geavanceerde verpakkingen, afgezien van deze verpakkingsfabrieken, voor de binnenlandse halfgeleiderindustrie?

In feite is geavanceerde verpakking niet alleen een noodzakelijk proces voor de ontwikkeling van AI en andere chips, maar ook een belangrijke ‘hoek’ voor het bereiken van doorbraken in het land. Dit komt omdat geavanceerde verpakkingen het hoeksteenproces vormen voor het realiseren van chiplettechnologie.

Veel mensen verwarren chiplets met geavanceerde verpakkingen. Chiplets zijn per definitie verdeeld in meerdere identieke of verschillende kleine chips. Deze kleine chips kunnen worden vervaardigd met behulp van dezelfde of verschillende procesknooppunten, en vervolgens op pakketniveau worden geïntegreerd door middel van cross-chip interconnectie en verpakkingstechnologie om de kosten te verlagen en een hogere integratie te bereiken.

Chiplet is dus slechts een ontwerpconcept, en een van de belangrijkste processen om dit ontwerpconcept te realiseren is geavanceerde verpakking. Het is alleen zo dat dit concept van groter belang is voor de ontwikkeling van binnenlandse chips.

Als we onder de overzeese blokkade alleen maar vertrouwen op de binnenlandse industriële keten, bedraagt ​​de theoretische limiet van wat ons chipproductieproces kan bereiken ongeveer 7 nm, wat nog steeds meer dan twee generaties achterloopt op de overzeese 3 nm. Om de generatiekloof verder te dichten, is het noodzakelijk om meerdere kleine chips op elkaar te stapelen, waardoor mogelijk producten met hogere prestaties kunnen worden geproduceerd.

Simpel gezegd: we kunnen chiplets gebruiken om blokkadedoorbraken te bereiken en zelfs van rijstrook te wisselen om in te halen.

Volgens de wet van de industriële ontwikkeling worden geavanceerde verpakkingen steeds meer de winnaar van de halfgeleiderconcurrentie, en samen met geavanceerde productieprocessen is het een noodzakelijk proces geworden voor geavanceerde chips; voor de binnenlandse keten is geavanceerde verpakking de enige manier om inhalen in bochten te bewerkstelligen. Kortom: de binnenlandse ontwikkeling van geavanceerde verpakkingen is feitelijk urgenter. Wanneer de revolutie een nieuwe richting inslaat, moeten kameraden harder werken.

toegang:

Jingdong-winkelcentrum