波士顿咨询 | 先进封装重塑半导体行业

逍遥设计自动化 · 发表于 2024-9-14 08:00:00

引言
半导体行业长期以来一直受摩尔定律驱动，律预测集成线路上的晶体管数量大约每两年翻一番。虽然这一原则几十年来一直指导着芯片开发，但我们正在进入一个新时代，其中替代方法正在获得突顯。最显著的发展之一是先进封装，正在彻底重塑芯片生态系统[1]。

理解先进封装
先进封装是半导体设计和制造的革命性方法，通过减小电气接触的尺寸来容纳不断增加的晶体管数量。与专注于执行一项特定操作或过程的传统半导体芯片不同，先进多芯片封装将多个芯片和过程整合到单个组件中。

这种创新技术将多种半导体组件集成到单个封装中，直接解决了关键的半导体技术和商业限制。结果是性能提高、上市时间缩短、芯片制造成本降低以及功耗降低。

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图1：先进封装的概念及其相比传统封装方法的优势。

先进封装特别适合移动设备、汽车计算和生成式人工智能（GenAI）等关键应用。随着我们进入"超越摩尔"时代，简单地将更多晶体管塞进单个芯片变得越来越具有挑战性和昂贵，先进封装提供了引人注目的替代方案。
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先进封装的优势
1.性能提升：先进封装允许结合更小、成本和性能优化的裸片。这些组件可以在先进基板上更紧密地放置，数据传输速率比最新主板快35倍。
2.成本降低：通过选择多个较小的芯片而不是单个大型片上系统（SoC），制造商可以为每个异构集成的裸片选择不同的节点尺寸。这种方法可以将制造成本降低多达50%。
3.尺寸缩小：先进封装可以显著减少复杂系统的占用空间。例如，英飞凌通过先进封装将其Optireg线性电压控制器的部件占用空间减少了60%。
4.更快上市：像英特尔这样的公司已经表明，从单个大型SoC转向多个裸片可以将上市时间缩短多达75%。
5.功率效率：先进封装中的近距离互连大大降低了功耗，使驱动大型语言模型（LLM）的数据中心在经济上更加可行。

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图2：先进封装应用的例子及其具体优势。

对半导体价值链的影响
先进封装的崛起将极大地改变半导体行业格局。目前，先进封装占半导体市场总额的约8%，预计到2030年将翻一番，超过960亿美元，增速快于芯片行业其他部分。

这一增长趋势正在以几个关键方式重塑传统半导体价值链：
1.系统设计角色提升：先进封装设计贡献的价值份额显著上升，突显其战略重要性。芯片设计师正在将焦点从单个芯片扩展到整个系统，包括将多个裸片集成到先进封装中。
2.从前端向后端转移：虽然前端制造将继续占据高价值份额，但后端设计和封装正在获得更多重要性和利润价值。封装本身正成为创新点和系统性能的关键驱动因素。
3.复杂性增加：制造先进半导体封装是一个复杂的过程，需要整个行业进行调整。电子设计自动化（EDA）软件必须更新以设计和模拟封装中的多个芯片。材料供应商需要开发新的创新材料来解决热膨胀和热传递问题。封装设备必须进行修改以满足不断减小的特征尺寸和不断提高的精度要求。

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图3：先进封装如何改变半导体生态系统和价值链。

行业参与者的战略影响
先进封装的出现需要半导体行业各参与者进行战略调整。以下是不同细分领域如何为成功定位：

无晶圆厂芯片制造商：

扩展业务模型以应对先进封装挑战

专注于集成整个系统开发和生产

管理跨芯片设计师、晶圆厂和材料供应商的复杂供应链

对复杂产品性能负责

晶圆厂：

领先节点晶圆厂应将业务扩展到先进封装，将自身定位为系统晶圆厂

成熟节点晶圆厂可以专注于开发用于硅中介层的硅通孔（TSV）

集成器件制造商（IDM）：

为专业应用捕获系统设计师角色

考虑向无晶圆厂客户提供前端和后端设施作为系统晶圆厂服务

在内部产品和为竞争对手制造的产品之间实施强大的防火墙

外包半导体组装和测试（OSAT）供应商：

确定在简单焊线和先进2.5D/3D封装之间的最佳定位

建立在高产量、成本效益高的制造等传统优势上

发展面板级封装能力

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图4：总结半导体行业不同参与者的战略影响。

人工智能在先进封装中的作用
随着半导体行业拥抱先进封装，人工智能（AI）将在设计和制造过程中发关键作用。集成到EDA软件中的AI功能可以：

自动化IC布局和平面规划

优化功耗、性能和面积（PPA）

简化和加速芯片生产

在这种情况下，AI平台的成功很大程度上取决于学习数据集的规模和准确性。这为EDA软件供应商和芯片设计师创造了一个微妙的平衡，必须找到方法来汇集内部蓝图和框架以增强AI知识库，而不向竞争对手透露设计机密。

地缘政治和监管考虑
半导体行业先进封装的崛起并非发生在真空中。地缘政治和监管因素越来越多地影响着这一领域：
1.政府补贴：许多政府正在为先进多芯片封装提供补贴，以吸引、保留和支持芯片制造的技术创新。
2.贸易壁垒：由于半导体被认为对国家和经济安全重要，一些地区正在竖起贸易壁垒以保护国内制造业。
3.供应链影响：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，需要仔细的战略规划。

先进封装的未来
展望未来，很明显先进封装将在塑造半导体行业方面发挥关键作用。认识到并投资于先进封装战略价值的公司正在为成功做好准备。不仅扩大了自身的竞争优势，还影响着行业的未来发展方向。

在这个新格局中的赢家将是成功实现以下目标的公司：

在先进封装技术方面创新

有效应对全球政府政策

与客户及其应用生态系统建立深厚联系

利用最新的AI和设计流程

这些行业领导者将能够充分利用价值创造从前端向更加细致、复杂和高价值的后端流程转移。还将为利用新兴的GenAI应用市场做好准备，该市场严重依赖先进封装组件。

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图5：先进封装在半导体行业中不断增加的价值份额。

结论
先进封装时代的到来为半导体行业带来了机遇和挑战。认识到并投资于先进封装战略价值的公司正在为这个不断发展的格局中的成功做好准备。

对于投资者、战略合作伙伴和半导体公司来说，信息很明确：现在是优先考虑和投资先进封装的时候了。那些这样做的公司将处于引领半导体行业迈向下一个性能前沿的前列，进入一个以创新、速度和持续增长为特征的未来。

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参考文献
[1]J. Fitzgerald et al., "Advanced Packaging Is Radically Reshaping the Chip Ecosystem," Boston Consulting Group, May 20, 2024.

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