2023年度系列 | 熱點技術回顧

2023年，我們站在了一個科技飛速發展的十字路口。半導體行業觀察整理了本年度特別值得關注的技術熱點，包括Chiplet架構、RISC-V指令集、人工智能（AI）芯片、高帶寬內存（HBM）、先進的封裝技術、新興的接口互聯標准（如PCIe和UCIe）、光子芯片、寬禁帶半導體，以及不斷進化的光刻技術。這些技術不僅僅是科技發展的單點突破，它們相互交織、互爲補充，共同推動了整個半導體產業和電子制造領域的巨大飛躍。

01 Chiplet

Chiplet 是小型模塊化芯片，組合起來形成完整的片上系統 (SoC)。它們提高了性能、降低了功耗並提高了設計靈活性。概念已經存在了幾十年，早在2007年5月，DARPA也啓動異構異構系統的COSMOS項目Chiplet，其次是用於Chiplet模塊化計算機的 CHIPS 項目。但最近，Chiplet在解決傳統單片 IC 縮小尺寸的挑战方面受到關注。這是當前芯片制造產業發展瓶頸與終端對芯片性能需求之間矛盾所產生的妥協結果。

據Yole所說，每個新芯片設計都需要設計和工程資源，並且由於新節點的復雜性不斷增加，每個新工藝節點的新設計的典型成本也隨之增加。這進一步激勵人們創建可重復使用的設計。小芯片設計理念使這成爲可能，因爲只需改變小芯片的數量和組合即可實現新的產品配置，而不是啓動新的單片設計。例如，通過將單個小芯片集成到 1、2、3 和 4 芯片配置中，可以從單個流片創建 4 種不同的處理器品種。如果完全通過整體方法完成，則需要 4 次單獨的流片。

正因爲如此，異構小芯片集成市場正在快速增長。據估計，小芯片的市場價值預計到 2025 年將達到 57 億美元，到 2031 年將達到 472 億美元。電子設計中對高性能計算、數據分析、模塊化和定制的需求不斷增長正在推動這一增長。

02 RISC-V

放眼全球芯片市場，x86與ARM指令集架構各立山頭。前者在通用處理器市場稱霸多年，在PC及服務器市場一家獨大；後者隨着移動互聯網大潮崛起，成爲當下移動端最主流的處理器架構，而憑借开源、精簡、模塊化的優勢，RISC-V开始備受企業追捧，正在成爲搭建計算生態的一種新選擇。

2015年，RISC-V國際基金會的成立，將RISC-V從高校推向產業界，其生態建設才开始加速。與此同時，RISC-V的發展與同時期興起的物聯網熱潮不謀而合。物聯網市場的爆發改變了x86和ARM兩強稱霸的局面，RISC-V架構开放、靈活、精簡的獨特優勢完美解決了物聯網領域對碎片化和差異化的市場需求。

據統計，2022年全球採用RISC-V架構的處理器出貨量超過100億顆，僅用十二年就走完了傳統架構30年的發展歷程。據Counterpoint Research預測，2025年RISC-V架構芯片預計將突破800億顆，年復合增長率高達114.9%。RISC-V的商業化價值將更加凸顯。

03 AI芯片

如今在全球市場中，我們正在見證一場前所未有的範式轉變。在 OpenAI的ChatGPT引起消費者和投資者的關注後，各行業的企業都在競相整合人工智能功能。美股市值超1萬億的巨頭中，蘋果以3.08兆美元的市值位列榜首，緊隨其後的是微軟（2.51兆美元）、Google母公司Alphabet（1.67兆美元）、亞馬遜（1.35兆美元）和英偉達（1.15兆美元），除蘋果依靠iPhone等消費類設備，其他四家科技巨擘都在全力推動與AI領域的融合。

AI這場東風，也使得芯片供應鏈中的企業獲益匪淺，首先是，英偉達憑GPU獨攬整個生成式AI芯片市場，SK海力士和三星等因HBM而受惠，負責封裝和代工的台積電也是供不應求，產能直线告急，日月光/SPIL等封測廠得以從台積電手中分得封裝外包訂單。還有衆多AI芯片玩家在虎視眈眈，就連IBM也在推其潛心研究了5年的AIU芯片。生成式人工智能的“淘金熱”，正在率先讓一部分“賣鏟人”富起來。

05 HBM

近年來，在AI高算力需求推動下，HBM正在大放異彩。尤其是進入2023年後，以ChatGPT爲代表的生成式AI市場的瘋狂擴張，在讓AI服務器需求迅速增加的同時，也帶動了HBM高階存儲產品的銷售上揚。

TrendForce數據顯示，2023年全球搭載HBM總容量將達2.9億GB，同比增長近60%，預計2024年還將再增長30%。SK海力士預測，HBM市場到2027年將出現82%的復合年增長率。

在此發展勢頭下，作爲AI芯片的主流解決方案，HBM受到了存儲巨頭的高度重視。自2014年SK海力士首次成功研發HBM以來，三星、美光等存儲巨頭也紛紛入局，展开了HBM的升級競賽，目前HBM已從第一代HBM升級至第四代HBM3，產品帶寬和最高數據傳輸速率記錄被不斷刷新。下一代HBM3E超帶寬解決方案也已在樣品測試階段，HBM4也被提上議程。

05 先進封裝

在後摩爾時代，隨着半導體制程技術逐漸接近物理極限，先進封裝（Advanced Packaging）技術，尤其是3D封裝技術，已成爲推動行業發展的關鍵力量。這些技術通過高度集成的方法，實現了更多組件在有限空間內的密集封裝，從而顯著提升了芯片的整體性能和能源效率。此外，先進封裝技術在滿足數據中心和高速網絡基礎設施對高密度、高性能計算需求方面發揮着至關重要的作用。

隨着技術的成熟和應用領域的擴展，先進封裝技術的市場份額預計將逐漸超過傳統封裝方法。根據市場調研機構Yole數據預測，全球先進封裝市場規模將由2022年的443億美元，增長到2028年的786億美元，年復合成長率爲10.6%。這種趨勢不僅反映了技術創新的需求，也指出了封測市場未來的主要增長方向。

值得注意的是，衆多行業巨頭已經在先進封裝領域展开了激烈的競爭。台積電、三星和英特爾等集成電路制造商，以及日月光、Amkor和長電科技等外圍供應鏈上的封裝與測試（OSAT）廠商，都在積極推進先進封裝技術的研發和商業化應用。這些公司不僅在提高封裝技術的性能和可靠性方面做出了貢獻，同時也在探索更爲經濟高效的生產方法，以適應日益增長的市場需求。

06 接口互聯

在當今日益復雜和數據驅動的計算世界中，硬件互聯技術的重要性不斷增長。隨着數據中心、雲計算和人工智能的迅速發展，需要更高效、更靈活的通信解決方案來應對日益增長的性能需求。在這個背景下，PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)、UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express)和CXL(Compute Express Link)這三種技術成爲了推動現代計算革新的關鍵力量。

PCIe是一種高速串行計算機擴展總线標准，廣泛用於連接主板與多種硬件設備，如顯卡、網絡卡、SSD等。其高帶寬和低延遲的特性使其在各類計算設備中佔據核心地位。然而，隨着技術的發展，單一設備內部的通信需求日益復雜化，這促使行業尋求更先進的互聯方案。

這幾年，UCIe和CXL應運而生。UCIe作爲一種新興的標准，旨在提高不同制造商Chiplet技術的互操作性。它爲芯片粒間的通信提供一個統一的接口，從而簡化了多個芯片粒組合成單一集成電路的設計和生產過程。這有助於加速Chiplet技術的發展和採用，特別是在高性能計算領域。與此同時，CXL技術，基於PCIe的基礎上發展而來，專注於優化處理器與加速器之間的通信。CXL能夠提供高帶寬、低延遲的通信，並支持先進的內存協同特性。這使得CXL適合於數據中心和高性能計算環境，尤其是在需要大量數據共享和處理的場景中。

總的來說，PCIe、UCIe和CXL不僅僅是連接技術的進步，更是計算領域發展的一個縮影。它們代表着向更高效、更互聯、更智能計算生態系統的轉變。

07 光子芯片

硅光子技術（Silicon Photonics）被業界視爲突破現有技術瓶頸、开啓摩爾定律新篇章的關鍵。台積電聲稱硅光子代表了半導體的新時代。

硅光子技術由英特爾於2010年推出，硅光子技術的核心在於集成「光」路，即在硅基平台上將電信號轉換爲光信號，實現電與光的高效傳導。光與電子的結合不僅解決了傳統銅導线在信號傳輸過程中的能量損耗問題，更爲芯片間的高速通信提供了前所未有的可能性。由於其成本相對較高，目前僅限於數據中心和服務器市場。

硅光子還具有解決熱量問題的潛力，這是當前電子芯片最大的挑战之一。多家半導體行業巨頭，如台積電、英特爾等，已經投入大量資源研發這項革命性技術。2023年10月，據台媒報道，台積電攜手英偉達、博通，投入200位研發人員，專攻硅光，預計最早將於2024年下半年开始生產。從市場前景上來看，據SEMI估計，至2030年全球硅光子市場價值將達到78.6億美元，年復合成長率（CAGR）爲25.7％。

08 寬禁帶半導體

寬禁帶半導體是指禁帶寬度大於2.4 eV的半導體材料。寬禁帶半導體如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）在2023年得到了更廣泛的應用。它們因其在高溫、高電壓和高頻率下的優異性能而受到青睞，尤其是在電力電子和電動汽車領域。

SiC的熱度。Yole的數據，到2027年，SiC器件市場預計將從2021年的10億美元增長到60 億美元以上。因此，衆多的功率半導體廠商如英飛凌、ST、安森美、羅姆等都重磅押注SiC。下遊的汽車廠商爭着抱這些SiC巨頭的“大腿”，與這些廠商籤訂長約。瑞薩也不甘於人後，豪擲20億美元與WolfSpeed籤署 10 年碳化硅晶圓供應協議宣布入局SiC。

在SiC MOSFET的技術發展路线上，呈現出“平面柵”和“溝槽刪”花开兩朵的局勢。國際的SiC巨頭如羅姆、英飛凌、日本電裝、住友電工、三菱電機、ST、安森美、Qorvo等基本上都在布局溝槽式。國內方面目前大多以平面柵爲主。

氮化鎵也具有獨特的優勢，隨着東芝、羅姆等大廠的相繼入場，讓GaN成爲了功率半導體新的增長點。從技術發展來看，GaN器件也有兩種技術路线，分別是：平面型和垂直型，平面型GaN器件通常基於非本徵襯底，如Si、SiC、藍寶石（Sapphire）等，但是平面型的不同襯底各自有難以改變的缺點，難以滿足大家的需求；因此，垂直型的GaN-on-GaN帶來了新的希望。不少專家預測，氮化鎵的前景之廣闊，比SiC有過之無不及。

而金剛石（也稱鑽石）則被稱爲是半導體的終極材料。它具有最高的熱導率，這意味着它能夠非常有效地散發熱量，在高功率電子器件中，熱管理是一個重要問題，金剛石半導體在這方面具有明顯優勢。此外它還具有極高的絕緣性，一組數據可以有着直觀的感受：硅材料的擊穿電場強度爲0.3 MV/cm左右，SiC爲3 MV/cm，GaN爲5 MV/cm，而鑽石則爲10 MV/cm。

更重要的是，已經有公司研究證明，金剛石可與集成電路晶圓直接粘合。金剛石半導體在提高能源效率、減小體積以及提高性能方面顯示出巨大的潛力。金剛石半導體也有望應用於射頻通信、高頻率電子器件、粒子探測器，甚至在未來的量子計算領域。

09 光刻技術

近幾年來，大衆對光刻技術已經有所了解。光刻技術是半導體制造中不可或缺的一部分，光刻是將光學圖形轉移到硅晶圓表面上的過程。而且隨着芯片制程來到7nm以下，還需要極紫外（EUV）光刻技術。

EUV光刻機的供應商荷蘭的ASML，正在不斷改進EUV光刻機的性能，包括提高光源功率、提升圖案覆蓋率和減少機器停機時間。一台EUV光刻機的價格大約接近1.7億美元，未來每個High-NA EUV光刻機的成本將超過3.5億美元。

隨着芯片晶體管线寬已趨近物理極限，而且EUV光刻機產能有限、成本高等發展難題之下，納米壓印技術（NIL）走到了台前。納米壓印是一種創新的納米制造技術，它通過物理壓印方法來創建納米級別的圖案。相比傳統的光刻技術，NIL提供了更高的分辨率、更低的成本和更快的生產速度。在半導體制造、納米器件生產和各種納米級應用中受到了廣泛關注。