La tendencia es como una corriente subterránea que avanza rápidamente y los líderes de la industria también tienen prisa. Cuando el juego de miniaturización del proceso de procesamiento de semiconductores llega a su fin, los envases avanzados se han convertido gradualmente en los ganadores en la industria de los chips. A principios de año, nadie podría haber imaginado que la industria de los semiconductores estaría en tal estado de caos este año. Este año, cuando toda la industria de chips sufre una reducción de existencias, los chips de IA de NVIDIA son difíciles de encontrar. Los gigantes nacionales de Internet volaron personalmente a la sede de NVIDIA en California, solo para obtener algunos chips A800 y H800 más.
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La tendencia es como una corriente subterránea: el líder Huang entró en batalla para instar pedidos, TSMC amplió apresuradamente la producción.
Esto no se debe a que el Maestro Huang tenga un bien escaso, sino a que toda la industria de chips de IA sufre de una capacidad de producción insuficiente de TSMC.
El 27 de mayo, el líder Huang aparentemente iba a la Universidad Nacional de Taiwán para pronunciar un discurso de graduación. Aunque la sopa de pollo para el alma que el magnate empresarial les dio a los jóvenes estudiantes es deliciosa, de hecho, instar a TSMC a expandir la producción es uno de los propósitos principales del viaje de Huang. Se entiende que TSMC ya se está coordinando para aumentar la capacidad de producción y se espera que alcance una capacidad de producción de 200.000 piezas para fines de 2024. El director ejecutivo Wei Zhejia en la reunión de accionistas de TSMC dijo que aumentará los esfuerzos para expandir la capacidad de producción de CoWoS en la fábrica de Longtan, y la fábrica de Zhunan AP6 también se unirá para apoyar.
Imagen: Huang Renxun asistió a la ceremonia de graduación de la Universidad Nacional de Taiwán y pronunció un discurso.
¿No se dice que la capacidad de producción de fundición de chips es un exceso de capacidad? ¿Por qué Lao Huang necesita ir personalmente a TSMC para supervisar la guerra? Contrariamente a la creencia popular, lo que está apretado esta vez no es la fundición de obleas de procesos avanzados como los 7 nm y 5 nm de TSMC, sino el embalaje avanzado que antes no se tomaba en serio y se ha convertido en el eslabón más corto de toda la cadena industrial.
En la división del trabajo de la industria de los semiconductores, el embalaje siempre ha estado al final de la cadena del desprecio. Con un valor añadido bajo y un gasto de capital elevado, las empresas de chips intentan evitarlo.
Esta escasez de chips de IA ha puesto por primera vez en el centro de atención a CoWoS, uno de los representantes de la tecnología de embalaje avanzada. Este término, que antes era impopular, se ha convertido en un nombre muy conocido. La industria es incluso exagerada hasta el punto de que puede rastrear directamente la capacidad de producción de CoWoS de empaque avanzado para predecir el desempeño del próximo trimestre de Nvidia y luego comprar opciones de compra locamente durante la temporada de ganancias de Nvidia.
Si hacemos una deducción lógica de arriba a abajo, es la siguiente: los gigantes de la industria están compitiendo por una carrera armamentista de IA -> la carrera armamentista de IA requiere una gran cantidad de chips de IA -> los chips de IA requieren la fundición de TSMC -> La fundición de TSMC está limitada por la capacidad de producción de CoWoS de embalaje avanzado.
No es exagerado decir que el embalaje avanzado se ha convertido de la noche a la mañana en un fénix y se ha convertido en el mayor cuello de botella que restringe el desarrollo de la industria TMT.
Aunque TSMC, como hermano mayor inquebrantable en la fabricación de semiconductores, sigue liderando el camino en embalajes avanzados, obviamente no está preparado para el rápido desarrollo de esta tendencia. Ante la insistencia de los clientes, sólo puede instar urgentemente a los fabricantes de equipos a aumentar pasivamente la capacidad de producción de CoWoS.
Esta es también la primera vez que todos tienen que enfrentarse a la industria del embalaje.
Figura: Cadena de la industria de semiconductores; Valores de Zhongtai
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Cuando el pensamiento tradicional llega a su fin
La forma más directa de mejorar el rendimiento del chip es aumentar la cantidad de transistores tanto como sea posible, lo que no es diferente de aumentar la duración de la batería de los vehículos eléctricos apilando más paquetes de baterías. Por lo tanto, para el desarrollo de la industria de los semiconductores, la idea tradicional de la investigación y el desarrollo de chips avanzados siempre ha sido "hacer un escándalo por los transistores". En pocas palabras, se trata de expandir el área del chip mientras se reduce el proceso.
Entre ellos, el propósito de la contracción del proceso es colocar más transistores por unidad de área, que es lo que a menudo escuchamos sobre 14 nm, 7 nm, 5 nm y 3 nm. De esta manera, los transistores se pueden hacer cada vez más pequeños y, naturalmente, se pueden apilar más transistores por unidad de área. La otra forma es expandir el área, es decir, hacer que el chip sea lo más grande posible bajo la premisa de un proceso determinado.
Se puede decir que en las últimas décadas, los chips lógicos de computadoras y teléfonos móviles hemos confiado en este método para alargar su vida. A medida que este método se ha desarrollado hasta el día de hoy, inevitablemente se ha topado con dos limitaciones importantes.
Limitación 1: Los beneficios marginales de la reducción del proceso son cada vez menores.
De hecho, desde los 28 nm, la rentabilidad de aplicar procesos más avanzados en el diseño de chips es cada vez menor. Según los datos revelados en el prospecto de VeriSilicon, el costo unitario por área de los chips aumentó rápidamente después de 14/16 nm, y la Ley de Moore continuó desacelerándose. A medida que el proceso evoluciona de 28 nm a 5 nm, la inversión única en I+D también ha aumentado considerablemente de 50 millones de dólares a más de 500 millones de dólares.
Los procesos avanzados se han convertido en una competencia que quema dinero, por lo que sólo unas pocas empresas como Apple, Nvidia, Samsung, AMD, Intel, MediaTek, Tesla y Huawei están fabricando los chips más avanzados. A principios de año, OPPO no tuvo más remedio que disolver su equipo Zheku, que es el mejor ejemplo del alto umbral para el desarrollo de chips avanzados.
Precisamente porque la relación entrada-salida avanzada no es necesariamente apropiada, muchos chips permanecen después de los 28 nm y ya no persiguen ciegamente procesos avanzados.
Figura: Costos de diseño de chips de diferentes nodos de proceso en diversos períodos de aplicación (unidad: millones de dólares estadounidenses); Fuente: Folleto de VeriSilicon
Limitación 2: la tasa de rendimiento de los chips de gran tamaño es cada vez menor.
Además de seguir procesos avanzados para aumentar la densidad de los transistores, otro método consiste en agrandar el chip. Se dice que grandes esfuerzos pueden producir milagros. Sin embargo, este sencillo método básicamente ha llegado a su fin.
Sigo tomando como ejemplo el chip de inteligencia artificial de Nvidia. En comparación con los chips tradicionales, los chips de IA tienen áreas más grandes para lograr el máximo rendimiento. El tamaño de los chips básicos de IA de NVIDIA suele superar los 800 mm2, que es varias veces más grande que los chips de control principal de los teléfonos móviles normales. El problema directo causado por un chip demasiado grande es que la tasa de rendimiento de producción disminuye rápidamente.
Existe un modelo de Bose-Einstein en la industria para juzgar el rendimiento del proceso de fabricación: rendimiento = 1/(1+área del chip*densidad de defectos)n. No es difícil ver en esta fórmula que cuanto mayor sea el área de un solo chip, menor será la tasa de rendimiento.
Algunas personas, naturalmente, dirán que no importa si la tasa de rendimiento es baja, siempre que hagamos algunos más, estará bien. Obviamente, esto se debe a una comprensión insuficiente de la producción industrial. Los chips de IA de NVIDIA se venden ahora a más de 10.000 dólares cada uno y nadie puede permitirse las pérdidas causadas por las bajas tasas de rendimiento.
Según las estimaciones del modelo, la tasa de rendimiento de los chips medianos y grandes de 150 mm² es de aproximadamente el 80%, mientras que la tasa de rendimiento de los chips ultragrandes de 700 mm² y superiores caerá en picado al 30%. Además, según expertos de la industria, debido a las limitaciones de tamaño de las máscaras de fotolitografía, el área de un solo chip generalmente no excede los 800 mm2, por lo que los chips de IA de Nvidia en realidad se están acercando al límite superior de área.
Cuando los métodos para promover el avance de los chips avanzados comienzan a enfrentar desafíos sin precedentes, la industria debe encontrar nuevas formas de sobrevivir.
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Sumérgete en el futuro y descubre el misterio del packaging avanzado
Aunque la industria del embalaje no es tan llamativa como el diseño de chips y la fundición de obleas, gracias al rápido desarrollo de los tipos de chips, la escala de la industria mundial del embalaje de chips también es considerable. El tamaño del mercado superará los 80 mil millones de dólares en 2022. Es una industria difícil de ignorar, pero siempre ha sido etiquetada como cíclica.
Volviendo a la industria, el embalaje de semiconductores es un proceso final del proceso de fabricación de semiconductores. Está diseñado para realizar mejor las conexiones eléctricas entre chips y otros componentes electrónicos. Alguien en la industria alguna vez hizo la metáfora de que el chip es equivalente a la corteza cerebral y el empaque es como el cráneo del cerebro. Por lo tanto, en la larga historia de los semiconductores, el embalaje sólo ha desempeñado un papel de apoyo y la atención del mercado no ha sido alta. Fue precisamente el embalaje avanzado el que puso a la industria del embalaje a la vanguardia por primera vez.
Por otro lado, el desarrollo tecnológico de la industria del embalaje no es lento y no se trata de una industria denominada "puramente cíclica".
En los últimos 70 años, la industria del embalaje ha experimentado al menos cuatro cambios tecnológicos importantes. Especialmente desde la década de 2010, la industria ha entrado gradualmente en una nueva etapa de desarrollo de embalaje avanzado (en 2010, el Sr. Jiang Shangyi propuso un método para conectar múltiples chips a través de empresas de semiconductores, que es diferente del embalaje tradicional y se define como embalaje avanzado). Desde entonces, han empezado a surgir nuevos conceptos uno tras otro, como FC, SiP, packaging 2.5D, packaging 3D, FO, RDL, TSV, etc.
Por supuesto, esto también hace que los investigadores que estudian envases avanzados en 2023 se sientan repentinamente abrumados por tanto vocabulario desconocido, lo cual es realmente abrumador.
Figura: Historia del desarrollo de la tecnología de embalaje.
En realidad, comprender el embalaje avanzado no es complicado. Siguiendo la idea mencionada anteriormente, dado que es cada vez más inviable simplemente expandir el área de un solo chip y reducir el proceso de fabricación, ¿podemos dividir el chip único que originalmente se suponía que era muy grande en diferentes módulos funcionales y luego usar un determinado proceso para fabricar chips pequeños con excelente rendimiento? Finalmente, estos pequeños chips se juntan para formar un "chip grande" para lograr el efecto de "tres títeres en comparación con Zhuge Liang".
Este es el principio básico del embalaje avanzado, que reduce en gran medida la dificultad al dividirlo en partes. Si se fabrican diferentes chips con los mismos materiales y luego se empaquetan juntos, esto se denomina integración heterogénea en la industria; incluso si algunos chips están hechos de diferentes materiales y luego empaquetados juntos, esto se denomina integración heterogénea en la industria.
Para hacer realidad las ideas anteriores, la industria depende del desarrollo de nuevos procesos para hacer realidad esta idea, como la tecnología TSV (ThroughSiliconVia, tecnología a través del silicio) y RDL (tecnología de redistribución) que realizan la conexión entre obleas de silicio.
Tomemos como ejemplo el embalaje 3D. Si las pilas superior e inferior son del mismo tipo de chip, TSV generalmente puede completar directamente la función de interconexión eléctrica. Si las pilas superior e inferior son diferentes tipos de chips, las IO de los chips superior e inferior deben alinearse a través de la capa de recableado RDL para completar la interconexión eléctrica.
Volviendo a los chips de IA de NVIDIA, como solución representativa para empaquetamientos avanzados, aunque CoWoS fue desarrollado por TSMC y Xilinx hace 10 años, finalmente se trasladó a los chips de IA de NVIDIA.
Los principales productos actuales de NVDIA, las series A y H, utilizan embalaje TSMC CoWoS2.5D. Tomando el A100 como ejemplo, el chip principal A100 es una arquitectura de un solo chip que utiliza un proceso de 7 nm y está equipado con HBM de Hynix. La interconexión de alta velocidad entre estos dos chips más importantes se logra mediante CoWoS.
Figura: Solución de empaquetado CoWoS proporcionada por TSMC a Nvidia.
Por lo tanto, en el pasado, la industria todavía tenía dudas sobre el empaque avanzado (las fábricas de empaque no invirtieron mucho, pero de repente surgió la fábrica de obleas TSMC), pero los chips de inteligencia artificial más vendidos de NVIDIA anunciaron oficialmente que el empaque avanzado se está convirtiendo en el ganador de los semiconductores.
Los actores líderes de la industria también se dan cuenta de que los envases avanzados desempeñarán un papel cada vez más importante a medida que la Ley de Moore se acerca al límite físico, por lo que están poniéndose al día con urgencia en materia de envases avanzados.
Por ejemplo, el fabricante de pasta de dientes Intel se centra en dos soluciones de envasado avanzadas:
1) EMIB de embalaje 2.5D, centrándose en el bajo costo; 2) Tecnología de empaquetado de apilamiento de chips cara a cara Foveros3D, centrada en un alto rendimiento.
Según los informes, la CPU Meteor Lake de 14.ª generación que Intel planea lanzar este año introducirá por primera vez un diseño de chiplet similar a Tile, integrando cuatro módulos independientes de CPU, GPU, IO y SoC, y utilizando la tecnología de empaquetado Foveros.
Samsung cuenta actualmente con cuatro soluciones de embalaje avanzadas, incluidas I-Cube, X-Cube, R-Cube y H-Cube. Los principios técnicos son similares, por lo que no entraré en detalles.
Dejando de lado los detalles técnicos, de hecho, los empaques avanzados de diferentes fabricantes son similares a los de TSMC, pero se han eludido hasta cierto punto para distinguirlos y evitar disputas sobre patentes. No existe una diferencia esencial entre diferentes nombres. Más importante aún, después de que los gigantes comenzaron a darse cuenta de la importancia del embalaje avanzado, optaron por unirse si no podían vencerlos.
Según el resumen de Minsheng Securities, podemos ver que en el futuro, los productos basados en empaques avanzados penetrarán en servidores, teléfonos móviles, inteligencia artificial, dispositivos portátiles y pantallas gráficas, involucrando básicamente todos los aspectos de la vida, y su importancia aumentará día a día.
Figura: Soluciones representativas para embalaje avanzado global; Fuente: Minsheng Securities.
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¿Qué significa un significado más para la cadena industrial doméstica?
Naturalmente, todo el mundo se pregunta: ¿cómo le va a nuestro país con una tendencia tan importante?
En primer lugar, debemos aclarar un posible malentendido. Aunque el desarrollo de la industria nacional de semiconductores está rezagado, la cadena de la industria del embalaje tiene barreras técnicas relativamente bajas y un desarrollo relativamente temprano, por lo que su competitividad global sigue siendo notable.
Según las estadísticas, entre las diez principales empresas de envasado del mundo, 3 son de China continental, 5 son de Taiwán y 1 es de Estados Unidos. Entre ellos, Changdian Technology, Tongfu Microelectronics y Huatian Technology son conocidos como los tres gigantes nacionales de embalaje y pruebas, y todos se encuentran entre los diez primeros del mundo. Además, el diseño comercial de estas tres fábricas de envases es muy global y los ingresos en el extranjero representan más del 50%. Tomando a Tongfu Microelectronics como ejemplo, la mayor parte del empaque de AMD lo completa Tongfu Microelectronics. Por tanto, no es exagerado decir que las fábricas de envases nacionales tienen competitividad global.
Figura: Clasificación de las principales plantas de embalaje y pruebas del mundo; Fuente de datos: Valores financieros internacionales de China.
Hay que decir que, aunque no nos estamos quedando atrás en materia de embalaje, el embalaje avanzado sí que está un paso por detrás.
Hablemos de los datos. En todo el campo del embalaje avanzado, la participación de ASE alcanza el 26%, seguida de TSMC y Amkor, mientras que la participación de mercado de Changdian Technology, la tecnología de producción nacional de mayor rango, es solo del 8%. Si avanza hasta llegar a los envases más avanzados y de última generación, entonces la presencia nacional será aún más débil. Como evidencia, el CoWoS requerido por Nvidia, la presencia de la cadena industrial en China continental es igual a 0.
Con esta ola global de envases avanzados, las fábricas de envases nacionales también han comenzado a cambiar en el tiempo. Según información de investigaciones de la industria:
●Changdian Technology ha presentado sus planes en tecnologías sin TSV, RDL y otras. Lanzó soluciones tecnológicas XDFOI y logró la producción y envío en masa de productos chiplet de 4 nm para clientes internacionales.
●Tongfu Microelectronics ha lanzado VISionS, una plataforma de empaquetado avanzada que integra 2.5D, 3D, MCM-Chiplet y otras tecnologías. Actualmente tiene capacidades de producción en masa de chiplets de 7 nm y continúa fortaleciendo la cooperación con fabricantes líderes como AMD. Se espera que desempeñe un papel importante en el MI300 de AMD, que está a punto de ser producido en masa;
●Huatian Technology lanza la última plataforma de tecnología de embalaje avanzada: 3DMatrix, que se compone de TSV, eSiFo y 3DSiP.
Dejando de lado estas plantas de embalaje, ¿qué importancia tiene el embalaje avanzado para la cadena de la industria nacional de semiconductores?
De hecho, el empaquetado avanzado no sólo es un proceso necesario para el desarrollo de la IA y otros chips, sino también un "rincón" importante para lograr avances en el país. Esto se debe a que el embalaje avanzado es el proceso fundamental para hacer realidad la tecnología chiplet.
Mucha gente confunde los chiplets con el empaquetado avanzado. Por definición, los chiplets se dividen en múltiples chips pequeños idénticos o diferentes. Estos pequeños chips se pueden fabricar utilizando los mismos o diferentes nodos de proceso y luego integrarse a nivel de paquete mediante tecnología de empaquetado e interconexión entre chips para reducir costos y lograr una mayor integración.
Entonces, el chiplet es solo un concepto de diseño, y uno de los procesos más importantes para realizar este concepto de diseño es el empaque avanzado. Es solo que este concepto es de mayor importancia para el desarrollo de chips nacionales.
Bajo el bloqueo extranjero, si solo confiamos en la cadena industrial nacional, el límite teórico de lo que nuestro proceso de fabricación de chips puede lograr es de aproximadamente 7 nm, que todavía está más de dos generaciones por detrás de los 3 nm en el extranjero. Para compensar aún más la brecha generacional, es necesario apilar varios chips pequeños, que pueden producir productos de mayor rendimiento.
En pocas palabras, podemos usar chiplets para lograr avances en el bloqueo e incluso cambiar de carril para adelantar.
De acuerdo con la ley de desarrollo industrial, los envases avanzados se están convirtiendo cada vez más en los ganadores de la competencia de semiconductores y, junto con los procesos de fabricación avanzados, se han convertido en un proceso necesario para los chips avanzados; Para la cadena nacional, el embalaje avanzado es la única forma de lograr adelantamientos en las curvas. En resumen, el desarrollo nacional de envases avanzados es en realidad más urgente. Cuando la revolución toma una nueva dirección, los camaradas deben trabajar más duro.
acceso:
Centro comercial Jingdong