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半导体

先进制程三巨头即将迎来3D封装市场排位赛

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近日,英特尔宣布其首个3D封装技术Foveros已实现大规模量产。 与此同时,三星也在积极开发其3D封装技术X-Cube,并表示将在2024年量产。 


虽然3D封装的理论已经提出多年,但是由于技术难度比较大,所以能量产3D封装的企业并不多。2022年,台积电成为业内首家量产3D封装的厂商,而随着英特尔3D封装量产的到来以及三星3D封装技术的渐行渐近,先进制程三巨头在3D封装市场的排位赛也即将开启。


3D封装成AI芯片制胜法宝

目前,业内对台积电CoWos等2.5D封装已经供不应求。随着业内对于AI芯片算力的需求不断提升,这一现象将很快蔓延到3D封装领域, 3D封装甚至将成为AI芯片的制胜法宝。


台积电SoIC是业内第一个高密度3D chiplet堆迭技术,需求量持续走高。据了解,目前台积电SoIC技术月产能约为1900片,预计2024年月产能将超过3000片,增幅近60%;2027年的月产能有望拉升到7000片以上,是2023年月产能的约3.7倍。


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此前,英国AI芯片公司Graphcore发布了世界上首颗采用台积电SoIC 3D封装技术的AI芯片,芯片性能提升了40%,并首次突破7纳米工艺极限。该款芯片的出现,也展示了3D封装技术在AI芯片领域的巨大潜力。如今,苹果、AMD等业内龙头企业都成为了台积电3D封装的客户。

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台积电3D封装与其2.5D封装对比图(图片来源:台积电)


芯谋研究副总监严波对《中国电子报》记者表示,随着芯片制程接近物理极限,芯片加工工艺受限,人们很难在单个芯片上加工多种线宽。然而,3D封装技术允许将不同线宽的芯片拼接在一起,这对于处理大量数据的AI芯片非常有利。这种技术可以有效地提高数据搬运、处理和功耗控制能力,减少访问延迟,降低发热。此外,如果将所有功能都集成在一个AI芯片上,设计会变得非常复杂且成本高昂。3D封装允许在芯片设计阶段,将大规模的芯片按功能模块分解为芯粒。这种模块化设计可以使部分芯粒在不同的芯片产品中重复使用,从而大大降低设计难度和成本,并加速产品的上市周期。同时,从制造工艺的角度看,将大芯片分解为多个芯粒也可以降低制造成本,提高良率。


咨询公司Yole Intelligence称,未来,全球先进芯片封装市场规模预计将从2022年的443亿美元增长到2027年的660亿美元,3D封装预计将占四分之一左右的市场规模。


英特尔成为AI芯片3D封装供应商

随着AI芯片对3D封装的需求不断增长,仅台积电一家公司的3D封装产能难以满足庞大的市场需求。刚刚实现3D封装量产的英特尔,或将缓解市场的焦虑。。


据悉,在此前的2D以及2.5D封装技术中,英特尔基本上都将其用于生产自家产品。但是在3D封装领域,英特尔将要开始接受外部订单,与台积电展开竞争。


就在不久前,英特尔宣布其首个3D封装技术Foveros已实现大规模量产。英特尔相关负责人向《中国电子报》记者透露,英特尔于去年年底发布的酷睿Ultra处理器已经采用了英特尔Foveros 3D封装技术,而此次宣布量产意味着英特尔可以为客户大批量生产3D封装产品。

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英特尔Foveros示意图(图片来源:英特尔官网)


此外,在英特尔近期发布的2024年财报明确指出,其先进封装代工客户新增三家。业内猜测,这些客户中可能有英伟达,并预计英特尔最快将于2024年第二季度正式加入英伟达先进封装供应链行列,为其提供每月高达5000片的产能。


在先进制程领域,英特尔一度落后三星,但是在3D封装领域英特尔却先三星一步实现量产,并同样将在代工市场中分一杯羹。


严波认为,英特尔的3D封装技术之所以能快速发展,一部分原因是美国建设本土产业集群带来的助推作用。。


“虽然英伟达、AMD等公司的AI芯片仍采用台积电的先进封装技术,但目前美国是全球大型芯片设计公司的聚集地,在美国致力于强化半导体供应链的背景下,英特尔的先进封装技术有望迎来本土政策带来的发展红利。”严波说。


三星蓄势待发

作为代工三巨头之一,三星正在积极开发其3D封装技术X-Cube,并表示将在2024年量产。同时,其为AI芯片开发的最新3D封装技术SAINT也在渐行渐近。


X-Cube是三星在2020年推出3D封装技术。该技术是将硅晶圆或芯片物理堆叠,并通过硅通孔(TSV)连接,最大程度上缩短了互联长度,在降低功耗的同时提高传输速率。


2023年,三星推出了3D封装技术SAINT,主要有三种方案:在垂直堆叠SRAM内存芯片和CPU中采用的SAINT S;在CPU、GPU等处理器和DRAM内存中使用的SAINTD;在堆叠应用处理器(AP)中使用的SAINT L。其中,SAINT S技术已经通过了目前的验证测试。三星很有可能将SAINT这一技术应用于集成高性能芯片所需的存储器和处理器,其中就包括 AI 芯片。


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三星SAINT示意图(图片来源:三星官网)


有消息称,三星内部正考虑将其SAINT 3D封装技术应用于Exynos系列移动处理器上,以进一步提高Exynos处理器的整体性能和生产效率。而在为客户代工方面,还需要与客户进一步测试后才能推出商用服务。此外,还有消息称,三星的SAINT封装技术将为英伟达的Blackwell AI加速器生产关键组件。


目前,台积电在先进封装领域已经具备了强大的技术和生产优势,而英特尔也在美国政府的扶持下不断拓展其3D封装的客户。在竞争如此激烈的当下,三星需要通过加大研发投入、提高生产效率以及优化产品定价等方式来提升自身的竞争力,赢得市场份额。

责任编辑:沈丛


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