2023年热点技术回顾

旺材芯片 | 2024-02-15 22:59:46 阅读：203

2023年，我们站在了一个科技飞速发展的十字路口。半导体行业观察整理了本年度特别值得关注的技术热点，包括Chiplet架构、RISC-V指令集、人工智能（AI）芯片、高带宽内存（HBM）、先进的封装技术、新兴的接口互联标准（如PCIe和UCIe）、光子芯片、宽禁带半导体，以及不断进化的光刻技术。这些技术不仅仅是科技发展的单点突破，它们相互交织、互为补充，共同推动了整个半导体产业和电子制造领域的巨大飞跃。

Chiplet

Chiplet 是小型模块化芯片，组合起来形成完整的片上系统 (SoC)。它们提高了性能、降低了功耗并提高了设计灵活性。概念已经存在了几十年，早在2007年5月，DARPA也启动异构异构系统的COSMOS项目Chiplet，其次是用于Chiplet模块化计算机的 CHIPS 项目。但最近，Chiplet在解决传统单片 IC 缩小尺寸的挑战方面受到关注。这是当前芯片制造产业发展瓶颈与终端对芯片性能需求之间矛盾所产生的妥协结果。

据Yole所说，每个新芯片设计都需要设计和工程资源，并且由于新节点的复杂性不断增加，每个新工艺节点的新设计的典型成本也随之增加。这进一步激励人们创建可重复使用的设计。小芯片设计理念使这成为可能，因为只需改变小芯片的数量和组合即可实现新的产品配置，而不是启动新的单片设计。例如，通过将单个小芯片集成到 1、2、3 和 4 芯片配置中，可以从单个流片创建 4 种不同的处理器品种。如果完全通过整体方法完成，则需要 4 次单独的流片。

正因为如此，异构小芯片集成市场正在快速增长。据估计，小芯片的市场价值预计到 2025 年将达到 57 亿美元，到 2031 年将达到 472 亿美元。电子设计中对高性能计算、数据分析、模块化和定制的需求不断增长正在推动这一增长。

RISC-V

放眼全球芯片市场，x86与ARM指令集架构各立山头。前者在通用处理器市场称霸多年，在PC及服务器市场一家独大；后者随着移动互联网大潮崛起，成为当下移动端最主流的处理器架构，而凭借开源、精简、模块化的优势，RISC-V开始备受企业追捧，正在成为搭建计算生态的一种新选择。

2015年，RISC-V国际基金会的成立，将RISC-V从高校推向产业界，其生态建设才开始加速。与此同时，RISC-V的发展与同时期兴起的物联网热潮不谋而合。物联网市场的爆发改变了x86和ARM两强称霸的局面，RISC-V架构开放、灵活、精简的独特优势完美解决了物联网领域对碎片化和差异化的市场需求。

据统计，2022年全球采用RISC-V架构的处理器出货量超过100亿颗，仅用十二年就走完了传统架构30年的发展历程。据Counterpoint Research预测，2025年RISC-V架构芯片预计将突破800亿颗，年复合增长率高达114.9%。RISC-V的商业化价值将更加凸显。

AI芯片

如今在全球市场中，我们正在见证一场前所未有的范式转变。在 OpenAI的ChatGPT引起消费者和投资者的关注后，各行业的企业都在竞相整合人工智能功能。美股市值超1万亿的巨头中，苹果以3.08兆美元的市值位列榜首，紧随其后的是微软（2.51兆美元）、Google母公司Alphabet（1.67兆美元）、亚马逊（1.35兆美元）和英伟达（1.15兆美元），除苹果依靠iPhone等消费类设备，其他四家科技巨擘都在全力推动与AI领域的融合。

AI这场东风，也使得芯片供应链中的企业获益匪浅，首先是，英伟达凭GPU独揽整个生成式AI芯片市场，SK海力士和三星等因HBM而受惠，负责封装和代工的台积电也是供不应求，产能直线告急，日月光/SPIL等封测厂得以从台积电手中分得封装外包订单。还有众多AI芯片玩家在虎视眈眈，就连IBM也在推其潜心研究了5年的AIU芯片。生成式人工智能的“淘金热”，正在率先让一部分“卖铲人”富起来。

HBM

近年来，在AI高算力需求推动下，HBM正在大放异彩。尤其是进入2023年后，以ChatGPT为代表的生成式AI市场的疯狂扩张，在让AI服务器需求迅速增加的同时，也带动了HBM高阶存储产品的销售上扬。

TrendForce数据显示，2023年全球搭载HBM总容量将达2.9亿GB，同比增长近60%，预计2024年还将再增长30%。SK海力士预测，HBM市场到2027年将出现82%的复合年增长率。

在此发展势头下，作为AI芯片的主流解决方案，HBM受到了存储巨头的高度重视。自2014年SK海力士首次成功研发HBM以来，三星、美光等存储巨头也纷纷入局，展开了HBM的升级竞赛，目前HBM已从第一代HBM升级至第四代HBM3，产品带宽和最高数据传输速率记录被不断刷新。下一代HBM3E超带宽解决方案也已在样品测试阶段，HBM4也被提上议程。

先进封装

在后摩尔时代，随着半导体制程技术逐渐接近物理极限，先进封装（Advanced Packaging）技术，尤其是3D封装技术，已成为推动行业发展的关键力量。这些技术通过高度集成的方法，实现了更多组件在有限空间内的密集封装，从而显著提升了芯片的整体性能和能源效率。此外，先进封装技术在满足数据中心和高速网络基础设施对高密度、高性能计算需求方面发挥着至关重要的作用。

随着技术的成熟和应用领域的扩展，先进封装技术的市场份额预计将逐渐超过传统封装方法。根据市场调研机构Yole数据预测，全球先进封装市场规模将由2022年的443亿美元，增长到2028年的786亿美元，年复合成长率为10.6%。这种趋势不仅反映了技术创新的需求，也指出了封测市场未来的主要增长方向。

值得注意的是，众多行业巨头已经在先进封装领域展开了激烈的竞争。台积电、三星和英特尔等集成电路制造商，以及日月光、Amkor和长电科技等外围供应链上的封装与测试（OSAT）厂商，都在积极推进先进封装技术的研发和商业化应用。这些公司不仅在提高封装技术的性能和可靠性方面做出了贡献，同时也在探索更为经济高效的生产方法，以适应日益增长的市场需求。

接口互联

在当今日益复杂和数据驱动的计算世界中，硬件互联技术的重要性不断增长。随着数据中心、云计算和人工智能的迅速发展，需要更高效、更灵活的通信解决方案来应对日益增长的性能需求。在这个背景下，PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)、UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express)和CXL(Compute Express Link)这三种技术成为了推动现代计算革新的关键力量。

PCIe是一种高速串行计算机扩展总线标准，广泛用于连接主板与多种硬件设备，如显卡、网络卡、SSD等。其高带宽和低延迟的特性使其在各类计算设备中占据核心地位。然而，随着技术的发展，单一设备内部的通信需求日益复杂化，这促使行业寻求更先进的互联方案。

这几年，UCIe和CXL应运而生。UCIe作为一种新兴的标准，旨在提高不同制造商Chiplet技术的互操作性。它为芯片粒间的通信提供一个统一的接口，从而简化了多个芯片粒组合成单一集成电路的设计和生产过程。这有助于加速Chiplet技术的发展和采用，特别是在高性能计算领域。与此同时，CXL技术，基于PCIe的基础上发展而来，专注于优化处理器与加速器之间的通信。CXL能够提供高带宽、低延迟的通信，并支持先进的内存协同特性。这使得CXL适合于数据中心和高性能计算环境，尤其是在需要大量数据共享和处理的场景中。

总的来说，PCIe、UCIe和CXL不仅仅是连接技术的进步，更是计算领域发展的一个缩影。它们代表着向更高效、更互联、更智能计算生态系统的转变。

光子芯片

硅光子技术（Silicon Photonics）被业界视为突破现有技术瓶颈、开启摩尔定律新篇章的关键。台积电声称硅光子代表了半导体的新时代。

硅光子技术由英特尔于2010年推出，硅光子技术的核心在于集成「光」路，即在硅基平台上将电信号转换为光信号，实现电与光的高效传导。光与电子的结合不仅解决了传统铜导线在信号传输过程中的能量损耗问题，更为芯片间的高速通信提供了前所未有的可能性。由于其成本相对较高，目前仅限于数据中心和服务器市场。

硅光子还具有解决热量问题的潜力，这是当前电子芯片最大的挑战之一。多家半导体行业巨头，如台积电、英特尔等，已经投入大量资源研发这项革命性技术。2023年10月，据台媒报道，台积电携手英伟达、博通，投入200位研发人员，专攻硅光，预计最早将于2024年下半年开始生产。从市场前景上来看，据SEMI估计，至2030年全球硅光子市场价值将达到78.6亿美元，年复合成长率（CAGR）为25.7％。

宽禁带半导体

宽禁带半导体是指禁带宽度大于2.4 eV的半导体材料。宽禁带半导体如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）在2023年得到了更广泛的应用。它们因其在高温、高电压和高频率下的优异性能而受到青睐，尤其是在电力电子和电动汽车领域。

SiC的热度。Yole的数据，到2027年，SiC器件市场预计将从2021年的10亿美元增长到60 亿美元以上。因此，众多的功率半导体厂商如英飞凌、ST、安森美、罗姆等都重磅押注SiC。下游的汽车厂商争着抱这些SiC巨头的“大腿”，与这些厂商签订长约。瑞萨也不甘于人后，豪掷20亿美元与WolfSpeed签署 10 年碳化硅晶圆供应协议宣布入局SiC。

在SiC MOSFET的技术发展路线上，呈现出“平面栅”和“沟槽删”花开两朵的局势。国际的SiC巨头如罗姆、英飞凌、日本电装、住友电工、三菱电机、ST、安森美、Qorvo等基本上都在布局沟槽式。国内方面目前大多以平面栅为主。

氮化镓也具有独特的优势，随着东芝、罗姆等大厂的相继入场，让GaN成为了功率半导体新的增长点。从技术发展来看，GaN器件也有两种技术路线，分别是：平面型和垂直型，平面型GaN器件通常基于非本征衬底，如Si、SiC、蓝宝石（Sapphire）等，但是平面型的不同衬底各自有难以改变的缺点，难以满足大家的需求；因此，垂直型的GaN-on-GaN带来了新的希望。不少专家预测，氮化镓的前景之广阔，比SiC有过之无不及。

而金刚石（也称钻石）则被称为是半导体的终极材料。它具有最高的热导率，这意味着它能够非常有效地散发热量，在高功率电子器件中，热管理是一个重要问题，金刚石半导体在这方面具有明显优势。此外它还具有极高的绝缘性，一组数据可以有着直观的感受：硅材料的击穿电场强度为0.3 MV/cm左右，SiC为3 MV/cm，GaN为5 MV/cm，而钻石则为10 MV/cm。

更重要的是，已经有公司研究证明，金刚石可与集成电路晶圆直接粘合。金刚石半导体在提高能源效率、减小体积以及提高性能方面显示出巨大的潜力。金刚石半导体也有望应用于射频通信、高频率电子器件、粒子探测器，甚至在未来的量子计算领域。

光刻技术

近几年来，大众对光刻技术已经有所了解。光刻技术是半导体制造中不可或缺的一部分，光刻是将光学图形转移到硅晶圆表面上的过程。而且随着芯片制程来到7nm以下，还需要极紫外（EUV）光刻技术。

EUV光刻机的供应商荷兰的ASML，正在不断改进EUV光刻机的性能，包括提高光源功率、提升图案覆盖率和减少机器停机时间。一台EUV光刻机的价格大约接近1.7亿美元，未来每个High-NA EUV光刻机的成本将超过3.5亿美元。

随着芯片晶体管线宽已趋近物理极限，而且EUV光刻机产能有限、成本高等发展难题之下，纳米压印技术（NIL）走到了台前。纳米压印是一种创新的纳米制造技术，它通过物理压印方法来创建纳米级别的图案。相比传统的光刻技术，NIL提供了更高的分辨率、更低的成本和更快的生产速度。在半导体制造、纳米器件生产和各种纳米级应用中受到了广泛关注。

结语

总体而言，2023年半导体行业技术创新呈现出以下特点：

系统级创新成为主流，Chiplet、RISC-V、先进封装等技术得到了快速发展。
新兴技术如光子芯片、宽禁带半导体等技术开始在部分领域得到应用。这些技术的不断发展，将推动半导体产业的进一步发展。

来源：半导体行业观察

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