先进封装正在彻底重塑芯片生态系统

分析师在评论芯片行业时会定期宣称摩尔定律已经过时。然而，尽管进步速度正在放缓，芯片制造商仍然大约每 2.5 年将集成电路 (IC) 上的晶体管数量增加一倍。过去，全新的芯片设计方法似乎从未流行起来。但情况已不再如此，因为对于运行当今一些最重要的应用程序至关重要的新想法正在迅速受到青睐。

这些新概念中最重要的概念之一是先进封装，它本质上是通过减小电触点的尺寸来容纳不断增加的晶体管数量。传统上，半导体芯片专注于执行一项特定的操作或过程。相比之下，先进的多芯片封装将多个芯片和工艺集成到一个组件中。这种变革性方法将多个半导体元件集成到一个封装中，直接解决最关键的半导体技术和商业限制。

先进的多芯片封装可提高性能并缩短上市时间，同时降低芯片制造成本和功耗。此外，由于芯片集成发生了根本性的变化，释放了更多功能并缩小了外形尺寸，先进的芯片封装非常适合移动设备等关键应用，以及未来几年的汽车计算和生成人工智能（基因人工智能）。

对于芯片制造商、投资者以及计算设备和设备制造商来说，先进封装的出现代表着半导体行业格局的根本转变。下一代行业领先的组织将认识到价值创造正在转向能够使用先进封装等概念设计和集成复杂的系统级芯片解决方案的公司。仅仅制造单个组件将很快失去光彩，取而代之的是汇集最佳设计、封装和系统集成以满足市场需求的协作努力。

包装或灭亡

我们现在正处于“超越摩尔”时代。正如戈登摩尔本人所预测的那样，他的法律最终不可避免地会遇到经济回报递减的门槛。随着行业达到晶体管密度和芯片尺寸的物理极限，在狭小的空间中塞入更多晶体管的成本正在呈爆炸式增长。但先进的多芯片封装不是试图将额外的晶体管挤到单个芯片上，而是能够组合更小的、成本和性能优化的芯片——由功能集成电路组成的未封装的半导体芯片。它通过使用高带宽互连和最新的前端或晶圆制造技术来释放封装组件的综合能力来实现这一点。也许最重要的是，每个组件都有不同的用途，计算和内存运行在比已达到其扩展限制的组件（例如输入/输出块）更小的技术节点上。

这些组件可以更靠近地放置在先进的基板上，从而使数据传输速率比最新主板快 35 倍。这还允许跨多个系统重复使用模具设计，因为模块化组件可以以多种方式组合以驱动各种不同的应用。相比之下，更广泛使用的片上系统 (SoC) 仅针对单一应用而设计。

四个例子说明了先进封装的优势。 （参见图表 2。）NVIDIA Hopper H200 是当今最具创新性的 AI 核心图形处理单元 (GPU) 之一。六个高带宽内存 (HBM) 堆栈与中央 IC 芯片封装在一起，互连速度高达 4.8 TB/s。芯片通过印刷电路板连接的传统系统通常限制在 200 GB/s 以下。近距离的互连距离还大大降低了这些芯片的功耗，使支持大型语言模型 (LLM) 的数据中心在经济上变得可行。

第二个例子是AMD Ryzen系列。通过选择多个较小的芯片而不是单个大型 SoC，设计人员能够为每个异构集成芯片选择一系列节点尺寸，并选择针对每个封装功能进行优化的芯片。这种方法可将制造成本降低多达 50%。较小的芯片尺寸通过提高制造良率来有助于降低成本，因为晶圆上相同数量的缺陷分布在更多芯片上。

第三个例子涉及芯片面积大小。通过将 Optireg 线性电压控制器中使用的各个芯片集成到先进的封装中，英飞凌能够将部件的占地面积减少 60%。压缩复杂系统所需的空间可以在不影响计算能力或功能的情况下实现新一代紧凑型设备。这种小型化对于空间宝贵的行业至关重要，例如移动和物联网 (IoT) 设备、助听器和起搏器等小型医疗设备以及汽车计算系统。

最后，英特尔与其他集成设计制造商（IDM）一样，大幅扩大了对其业务制造方面的投资，以开发先进的多芯片封装能力。英特尔已经证明，在其数据中心 GPU Max 系列中从单个大型 SoC 切换到多个芯片可以最大限度地降低芯片复杂性，并允许现有芯片设计在多个封装中重复使用。在此过程中，英特尔发现这可以将上市时间缩短高达 75%。

先进封装撼动价值链

先进封装目前约占整个半导体市场的 8%，预计到 2030 年将翻一番，达到 960 亿美元以上，超过芯片行业的其他领域。目前，智能手机等消费电子产品主导着先进封装应用，但人工智能领域的爆发将推动未来的增长。 AI 需要计算和存储元件之间的快速数据交换，这是通过 2.5D 和 3D 封装实现的。这些方法将两个以上的芯片彼此相邻放置，以相对较低的成本产生高互连速度。人工智能应用已占先进封装市场总量的 25%，并且在未来十年内将以每年 20% 左右的速度增长。

随着这种增长趋势的加速，先进封装将显着改变半导体生态系统。 （参见图表 3。）传统上，芯片制造的价值链相当简单：一家芯片设计公司、一家前端制造商以及一家负责封装和测试的后端公司。有时，所有这些角色都由同一集成设备制造商承担。在这种情况下，价值获取的最大份额集中在芯片设计和前端（大部分创新都集中在前端），而封装则被降级为利润率较低的角色。

但先进的多芯片封装需要对封装设计以及如何有效、持续地改进它进行深刻的反思。它要求提高芯片价值链每个环节的能力。随着封装成为系统性能的核心决定因素，多个半导体芯片（通常由不同公司设计和制造）将必须集成在同一个封装中，而该封装本身可能是由另一家公司生产的。因此，系统设计人员将需要协调这个新的、更复杂的供应链，并推动所有参与者之间的密切合作和协调。

传统芯片制造周期即将发生的彻底改变已经促使企业重新分配资本支出并重新集中研发工作，以领先于新兴趋势。我们认为，芯片产业结构的主要变化将体现在三个方面：

• 提升系统设计的作用。先进封装设计贡献的价值份额将大幅上升，凸显其战略重要性。 （参见图表 4。）作为回应，芯片设计人员正在通过将设计从单芯片扩展到整个系统（包括将多个芯片集成到先进封装中）来巩固他们对这一关键部分的掌握。
• 从前端转移到后端。该封装将成为一个创新点，一个对系统性能至关重要的差异化驱动因素。虽然前端制造将继续在价值创造中占据较高份额，但后端设计和包装的重要性和利润价值将增加。
• 适应复杂性。制造先进的半导体封装是一个复杂的过程。为了管理它，必须对电子设计自动化 (EDA) 软件进行编程，以设计和模拟封装中的多个芯片以及它们的相互作用如何影响工作条件，例如散热和翘曲。同样，材料供应商必须开发新的创新材料，以解决先进封装中众多界面的热膨胀和传热问题。必须对封装设备进行改造，以满足先进封装不断减小的特征尺寸和不断提高的精度要求。

芯片行业的变脸

随着这些技术变革的发生，半导体行业的面貌将发生重大变化。主要是，芯片设计、封装工程和系统架构之间将有更大程度的协作，因为每一个都会直接影响另一个。一个芯片的功率分布将影响下一个芯片的热负载，并且可能需要定制材料来优化系统性能。

就像当今芯片设计和制造共同发展的前端格局一样，战略合作伙伴关系将越来越多地从多个前端参与者扩展到后端封装制造。 NVIDIA的Hopper H100就是一个很好的例子，它采用了台积电CoWoS-S封装，将NVIDIA设计并由台积电制造的芯片与SK海力士设计和制造的HBM结合在一起。另一个例子：如今，芯片设计人员在构建芯片时，在其电子设计自动化软件中使用特定代工厂的制造工艺开发套件。明天，该套件可能会以类似的方式包含特定的软件包解决方案。

更大合作的另一个潜在领域将涉及 GenAI 和机器智能。集成在EDA软件中的人工智能功能可以实现IC布局和平面规划的自动化；优化功率、性能、面积 (PPA)，这是半导体设计的重要组成部分；并以无与伦比的程度简化和加快芯片生产。但由于 AI 平台的成功在很大程度上取决于其学习数据集的大小和准确性，EDA 软件供应商和芯片设计人员必须平衡内部蓝图和框架的池化，以增强 AI 知识库，同时又不向竞争对手泄露其设计秘密。

即使公司争夺地位，地缘政治和监管限制和机会也会出现，从而影响供应链和市场准入。随着政府试图吸引、保留和支持芯片制造技术创新，对先进多芯片封装的补贴越来越流行。与此同时，由于半导体被认为对国家和经济安全至关重要，各个地区正在设置贸易壁垒以保护国内制造业。然而，这些措施可能会影响半导体公司的供应、合作伙伴和客户的可用性。

半导体厂商的战略解决方案

由于先进封装即将带来如此多的变化，半导体行业的不同参与者将需要采取不同的战略要务来定位自己，以实现持续的差异化和价值获取。以下详细介绍了该行业的各个部分如何最好地定位自己。 （参见图表 5。）

无晶圆厂芯片制造商

专注于设计芯片并与代工厂合作进行制造的无晶圆厂芯片制造商将不得不大幅扩展其业务模式，以应对先进封装的挑战。随着单芯片成为先进多芯片封装的一部分，成功集成整个系统开发和生产的无晶圆厂芯片设计人员将获得最高的价值份额。然而，这也带来了协调和管理跨其他芯片设计商、多家代工厂甚至材料供应商的复杂供应链的巨大挑战。除了实际执行之外，系统设计者还将对复杂产品的性能向客户负责，而与其合作者建立信任关系的封装制造商可能愿意对系统承担全部责任。或者，供应链中的所有相关方可能会同意在产品推出后的一段时间内共同承担责任，此时他们有足够的样本来确定最常见的故障点。

铸造厂

先进封装将威胁领先节点代工厂的收入，因为它减少了对大型单片 SoC 的需求，代之以更小、更标准化的芯片。为了维持利润水平，领先节点代工厂应该将其产品扩展到先进封装领域，将自己定位为系统代工厂。

然而，专注于成熟节点的代工厂将很难开发出能够与领先节点同行直接竞争的先进封装解决方案，而领先节点同行更乐于创新，并且更愿意进入新市场。这些代工厂仍然可以通过在其产品组合中添加用于硅中介层的硅通孔 (TSV) 来进军先进封装领域，硅中介层是促进许多先进封装中连接和通信的关键成分。这将使他们能够在成熟芯片前端需求较低的时期提高晶圆厂利用率。

集成设备制造商

传统上，IDM 设计、制造和封装自己的芯片，即使价值链的部分内容可能被外包。然而，这种商业模式的经济性可能会在先进的封装环境中受到挑战，在这种环境中，系统设计人员越来越需要将未封装的芯片集成到其他供应商的封装中，从而限制了对 IDM 封装最终产品的需求。领先的 IDM 或许能够自己担任系统设计师的角色，特别是对于利润丰厚的专业应用。

另一种选择是 IDM 向无晶圆厂客户提供前端和后端设施，从而提供系统代工服务。虽然这肯定会提高资产利用率，但需要在 IDM 自己的产品和为成为客户的无晶圆厂竞争对手制造的产品之间建立强大的防火墙。这些防火墙应确保生产线或团队的严格隔离。这显着增加了复杂性，但如果 IDM 希望避免在先进封装占据主导地位时失去其在芯片生态系统中的作用，那么可能必须制定一项策略来克服这一挑战。

外包半导体组装和测试 (OSAT) 供应商

由于约 30% 的先进封装晶圆已由 IDM 和代工厂生产，传统 OSAT 必须仔细评估自己在市场中最适合的位置，即使市场在发展，也在一定程度上转向价值链的其他部分。在新的封装世界中，OSAT 需要在简单的引线键合和最先进的 2.5D/3D 封装之间确定自己的最有利位置。

OSAT 应该建立在大批量、经济高效制造的传统优势之上，重点关注在一段时间内仍需要的基本封装活动，例如凸块，其中凸块或焊球在形成之前遍布整个晶圆。被切成单独的芯片。 OSAT 可以采取更具创新性的方法来开发面板级封装的能力。处理大尺寸面板会增加同时处理的芯片数量，并且比代工厂通常使用的晶圆级封装更便宜。

在先进封装时代的黎明，前景充满希望，但也有很多值得警惕的地方。认识到并投资先进封装战略价值的公司正在为成功做好准备。他们不仅在扩大自身的竞争优势，而且在塑造半导体行业的未来方向。获胜者将是那些成功创新、引导全球政府政策、与客户及其应用生态系统建立深厚联系、并利用最新人工智能和设计流程的公司。

这些行业领跑者准备充分利用价值创造从前端流程向更细致、更复杂、价值更丰富的后端流程的转变。当 GenAI 应用程序（几乎所有这些应用程序都依赖于先进的封装组件）从当今有趣的新颖想法转变为未来几年的绝对主导平台时，他们处于最佳位置。

对于投资者、战略合作伙伴和半导体公司来说，信息很明确：现在是投资并优先考虑先进封装的时候了。那些做到这一点的企业将会蓬勃发展，引导半导体行业迈向下一个性能前沿，并进入一个以独创性、速度和持续增长为标志的未来。