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【文/觀察者網(wǎng) 呂棟 編輯/周遠(yuǎn)方】

8月19日，在2022世界半導(dǎo)體大會(huì)暨南京國(guó)際半導(dǎo)體博覽會(huì)上，CIC灼識(shí)咨詢合伙人趙曉馬提出，隨著半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入后摩爾時(shí)代，新集成Chiplet和新材料SiC是未來(lái)的發(fā)展方向。

其中，Chiplet在GPU、FPGA等高算力領(lǐng)域潛力巨大，2021年全球Chiplet市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到18.5億美元，預(yù)計(jì)未來(lái)五年仍將以46%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率高速增長(zhǎng)；新材料SiC制成的第三代功率半導(dǎo)體器件未來(lái)將在制造工藝、結(jié)構(gòu)改善方面進(jìn)一步突破，商業(yè)化進(jìn)程有望加速，2021年全球SiC器件市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)84億元人民幣，預(yù)計(jì)2026年將增長(zhǎng)到199.5億元人民幣。

基于Chiplet技術(shù)的芯片結(jié)構(gòu)示意 圖源：英特爾

Chiplet被寄予厚望

在早期發(fā)展中，集成電路技術(shù)進(jìn)步的主要驅(qū)動(dòng)力是依靠尺寸微縮。所謂的摩爾定律是指，集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過(guò)18個(gè)月到24個(gè)月便會(huì)增加一倍。換言之，處理器的性能大約每?jī)赡攴槐?，同時(shí)價(jià)格下降為之前的一半。

從1971年到2003年，在尺寸微縮占主導(dǎo)的時(shí)代，集成電路經(jīng)歷了11代技術(shù)更新，尺寸實(shí)現(xiàn)從10微米到130納米的突破，晶體管的數(shù)量從2300增加到5.92億，但單個(gè)CPU的面積幾乎沒(méi)有增加，工藝的進(jìn)步可以給集成電路帶來(lái)很大的性能提升。在尺寸微縮的最好時(shí)期，一代技術(shù)可以為計(jì)算機(jī)帶來(lái)50%以上性能的提升，大大促進(jìn)個(gè)人電腦和服務(wù)器的發(fā)展。

當(dāng)單純依靠尺寸微縮提升芯片性能的空間變小時(shí)，則出現(xiàn)了將不同功能的電路集成在一起，依靠尺寸微縮和設(shè)計(jì)優(yōu)化兩條路提升芯片性能。SoC就是將更多性能集成在單一芯片上，促進(jìn)了手機(jī)/嵌入設(shè)備的發(fā)展。以CPU為例，單核處理器性能難以進(jìn)一步提升時(shí)，采用了多核處理器提升性能，進(jìn)一步采用了異構(gòu)多核的架構(gòu)、協(xié)處理器以及GPU架構(gòu)、專用處理器等。

不過(guò)，隨著處理器的核越來(lái)越多，芯片復(fù)雜度增加，設(shè)計(jì)周期越來(lái)越長(zhǎng)，成本大大增加，SoC芯片驗(yàn)證的時(shí)間、成本也在急劇增加，大芯片快要接近制造瓶頸，特別是一些高端處理芯片、大芯片，單純靠傳統(tǒng)的SoC這條路走下去已遭遇瓶頸，需要從系統(tǒng)層面來(lái)考慮。

圖源：灼識(shí)咨詢

灼識(shí)咨詢指出，后摩爾時(shí)代，Chiplet由于其高性能、低功耗、高面積使用率以及低成本受到廣泛關(guān)注，在延續(xù)摩爾定律的“經(jīng)濟(jì)效益”方面被寄予厚望。Chiplet通常被翻譯為“芯?！被颉靶⌒酒薄螐淖置嬉饬x上可以理解為更為“粒度更小的芯片”。通過(guò)半導(dǎo)體制造將若干“芯?！奔?，而非純粹封裝集成，以此形成復(fù)雜功能芯片，可以突破單芯片光刻面積的瓶頸，突破設(shè)計(jì)周期制約等。

舉例來(lái)說(shuō)，在一顆7nm制程芯片中，一些次要的模塊可以用如22nm的制程做成Chiplet，再“拼裝”至7nm芯片上，原理如同搭積木一樣，這樣可以減少對(duì)7nm工藝制程的依賴。

由中介層上多個(gè)chiplets組成的基于chiplets的系統(tǒng)

據(jù)灼識(shí)咨詢報(bào)告，盡管Chiplet的標(biāo)準(zhǔn)化才剛剛起步，但它已在高性能CPU、FPGA等領(lǐng)域表現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，未來(lái)市場(chǎng)空間巨大。Chiplet也已吸引英特爾和AMD等國(guó)際芯片廠商投入相關(guān)研發(fā)，在當(dāng)前SoC遭遇工藝節(jié)點(diǎn)和成本瓶頸的情況下有望發(fā)展成為一種新的芯片生態(tài)。

市場(chǎng)信息顯示，華為于2019年推出了基于Chiplet技術(shù)的7nm鯤鵬920處理器；AMD今年3月推出基于臺(tái)積電3D Chiplet封裝技術(shù)的服務(wù)器處理芯片，蘋(píng)果則推出了采用臺(tái)積電CoWos-S橋接工藝的M1 Ultra芯片。

中國(guó)科學(xué)院院士劉明日前在一場(chǎng)講座上指出，集成芯片是摩爾時(shí)代國(guó)際集成電路技術(shù)創(chuàng)新的前沿，為我國(guó)提供了一條基于自主低世代集成電路工藝研制高端芯片的新途徑?！爸袊?guó)有巨大的市場(chǎng)，依靠產(chǎn)業(yè)來(lái)推動(dòng)，可能也可以形成自己的標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)，大家倡導(dǎo)很久的硬件開(kāi)源，也許會(huì)搭載這樣一個(gè)機(jī)遇得以實(shí)現(xiàn)。”

灼識(shí)咨詢報(bào)告提到，Chiplet模式落地必須實(shí)現(xiàn)異構(gòu)芯片的集成，其中涉及兩個(gè)難點(diǎn)：異構(gòu)芯片之間的互連、集成性能的優(yōu)化，先進(jìn)封裝技術(shù)是后者的關(guān)鍵。目前行業(yè)內(nèi)主要的先進(jìn)封裝工藝有倒裝封裝、晶圓級(jí)封裝、2.5D/3D封裝以及SiP系統(tǒng)級(jí)封裝等，后三者是行業(yè)焦點(diǎn)。

SiC“市場(chǎng)潛力巨大”

按照材料性質(zhì)劃分，半導(dǎo)體襯底目前大致可分為四代，其中第三代以碳化硅（SiC）為代表。

據(jù)灼識(shí)咨詢報(bào)告，目前SiC二極管和SiC MOSFET已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，與傳統(tǒng)解決方案相比，具有多方面性能優(yōu)勢(shì)，是高溫、高頻、大功率、高壓場(chǎng)景的理想器件，能使系統(tǒng)效率更高、重量更輕、結(jié)構(gòu)更緊湊。

在產(chǎn)業(yè)鏈上，SiC功率器件主要分為上游原材料設(shè)備、中游器件模塊和下游應(yīng)用；在SiC功率器件領(lǐng)域，IDM（設(shè)計(jì)、制造、封裝一體化）和Fabless（純?cè)O(shè)計(jì)）各有優(yōu)劣，其中IDM在工藝設(shè)計(jì)互動(dòng)、研發(fā)迭代速度、研發(fā)迭代成本方面具有優(yōu)勢(shì)。

在下游應(yīng)用中，SiC功率器件主要應(yīng)用在電動(dòng)汽車、新能源發(fā)電、開(kāi)關(guān)電源、軌道交通和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，有利于功率密度和效率提升，在部分領(lǐng)域開(kāi)始取代Si器件，市場(chǎng)潛力巨大。

灼識(shí)咨詢報(bào)告顯示，全球SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模逐年上升，2021年全球SiC器件市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)84億元人民幣，預(yù)計(jì)2026年將增長(zhǎng)到199.5億元人民幣。其中，新能源汽車和工控為增長(zhǎng)較快的應(yīng)用領(lǐng)域。中國(guó)SiC器件市場(chǎng)發(fā)展迅速，在全球市場(chǎng)的份額逐步增長(zhǎng)，2017年為9%，預(yù)計(jì)2026年有望達(dá)到56%。

SiC產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)與硅基功率半導(dǎo)體類似。不過(guò)，硅基器件晶圓制造成本占比大，而SiC器件襯底和外延占比最高，其中襯底占據(jù)成本的半壁江山，因此襯底供應(yīng)商掌握著碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的核心話語(yǔ)權(quán)，而全球SiC襯底市場(chǎng)主要被國(guó)外巨頭占領(lǐng)，2021年美國(guó)Wolfspeed的市占率達(dá)到62%。

灼識(shí)咨詢報(bào)告指出，國(guó)內(nèi)廠商SiC器件襯底規(guī)劃投資規(guī)模大，而投資落地情況不足預(yù)期，有效產(chǎn)能不足。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021年中，全國(guó)碳化硅襯底規(guī)劃投資超300億元，預(yù)計(jì)規(guī)劃年產(chǎn)能大約200萬(wàn)片，而2021年全國(guó)碳化硅產(chǎn)能則小于30萬(wàn)片。

“未來(lái)SiC器件制成難點(diǎn)將逐步突破和解決，SiC功率器件結(jié)構(gòu)的改善將帶來(lái)性能及可靠性的顯著提升，使用SiC的各種類型器件不斷推出，推動(dòng)SiC產(chǎn)品在大功率領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用?！眻?bào)告稱。

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