先進(jìn)封裝“去中國化”適得其反
?如火如荼的人工智能技術(shù)革命所需的AI芯片中，先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用
?當(dāng)前全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的現(xiàn)實是，六成以上芯片需運往中國、九成以上芯片需運往亞洲進(jìn)行封測，然后才能在包括西方國家在內(nèi)的全球市場上銷售
?除馬來西亞外，日本、新加坡、越南、菲律賓、印度等，也是美布局半導(dǎo)體海外制造基地的重要目的地
?當(dāng)下，在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，中美處在同一起跑線上。美國過去幾十年在半導(dǎo)體微細(xì)化領(lǐng)域積累的優(yōu)勢，已無法用來在先進(jìn)封裝領(lǐng)域限制中國
文?|?譚笑間
前不久，美國商務(wù)部發(fā)布公告，宣布啟動初期共16億美元的創(chuàng)新投資基金，以實現(xiàn)和加速美半導(dǎo)體先進(jìn)封裝產(chǎn)業(yè)的落地與升級。作為《芯片與科學(xué)法案》專用于半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)撥款計劃中優(yōu)先級最高的一項，先進(jìn)封裝技術(shù)緣何如此重要？美國在相關(guān)領(lǐng)域的布局意欲何為？
先進(jìn)封裝的崛起
討論芯片技術(shù)的發(fā)展，“摩爾定律”是一個繞不過去的名詞。其基本含義是：單位集成電路上可容納的晶體管數(shù)量每過18至24個月便增加一倍。
“摩爾定律”是仙童半導(dǎo)體公司（英特爾的前身）研究開發(fā)實驗室主任戈登·摩爾于1965年提出的一種經(jīng)驗性規(guī)律，反映的是數(shù)字產(chǎn)業(yè)對芯片技術(shù)不斷發(fā)展的需求，同時也是美芯片企業(yè)維持領(lǐng)先地位的商業(yè)策略。
一方面，芯片性能不斷提升推動了美國數(shù)字產(chǎn)業(yè)的持續(xù)增長。科技巨頭在嘗到數(shù)字技術(shù)帶來的市場甜頭后，會反過來投入巨資支持美芯片企業(yè)研發(fā)下一代芯片，使美芯片企業(yè)敢于投入巨資進(jìn)行技術(shù)改良與創(chuàng)新。
另一方面，技術(shù)的不斷更新也導(dǎo)致技術(shù)指標(biāo)停滯不前的芯片價格不斷下跌。美國通過向市場釋放這種降價預(yù)期來打壓美芯片企業(yè)的競爭者，后者落后越多就會虧損越大，甚至可能因收不抵支而破產(chǎn)。
兩方面共同作用，在半導(dǎo)體領(lǐng)域造成了“強(qiáng)者恒強(qiáng)”的結(jié)果?！澳柖伞辈粌H是一種產(chǎn)業(yè)規(guī)律，亦幫助美國維護(hù)其在信息科技領(lǐng)域的優(yōu)勢地位。
美國之所以篤定自己可以長期成為“摩爾定律”下的主要贏家，是因為看到了“半導(dǎo)體微細(xì)化”這條商業(yè)技術(shù)發(fā)展路徑并認(rèn)為這條路徑可以走上幾十年——芯片的設(shè)計制造端只需要不斷縮小電路的尺寸，采用波長更短的光進(jìn)行光刻，就能以相對穩(wěn)定的方式和較低的成本提升芯片性能，并可隨著每一次制程縮小而獲取最大利潤，實現(xiàn)長足發(fā)展。
然而，到了2010年前后，隨著“半導(dǎo)體微細(xì)化”不斷逼近其物理極限，支撐“摩爾定律”的經(jīng)濟(jì)需求與商業(yè)策略開始動搖。
一方面，研發(fā)微細(xì)化元器件所需的費用不斷上漲。研發(fā)16nm工藝時導(dǎo)入了鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）技術(shù)，研發(fā)7nm工藝時導(dǎo)入了極紫外（EUV）光刻技術(shù)，而今研發(fā)5nm以下工藝又導(dǎo)入了全環(huán)繞柵極晶體管（GAA）技術(shù)……每一次技術(shù)革新的背后，都是大量的額外技術(shù)攻關(guān)，不僅研發(fā)投入越來越高，額外技術(shù)攻關(guān)的頻次也越來越密，新制程芯片的利潤率不斷下降。
另一方面，半導(dǎo)體微細(xì)化所帶來的芯片性能提升也變得愈發(fā)“雞肋”。根據(jù)臺積電的技術(shù)路線圖，3nm芯片相比于5nm芯片在晶體管邏輯密度上提升了1.7倍，但性能僅提升了11%，相比于此前每次微細(xì)化都有近50%的性能提升縮水不少。
這就使得芯片制造企業(yè)開始慎重考慮對更低制程芯片的研發(fā)投入，轉(zhuǎn)而尋求“摩爾定律”之外的技術(shù)發(fā)展路徑。正是在這一背景下，先進(jìn)封裝技術(shù)開始受到越來越多的關(guān)注。
如果說半導(dǎo)體微細(xì)化是在“芯片內(nèi)集成”上下功夫，那么先進(jìn)封裝則將目光投向了“芯片間集成”——通過采用特殊的封裝方式來提升芯片與外部組件的集成度，使多個芯片集成為一個有機(jī)整體來發(fā)揮原本由單一處理器芯片發(fā)揮的計算功能，進(jìn)而實現(xiàn)在“摩爾定律”之外繼續(xù)提升計算單元性能的目標(biāo)。這被半導(dǎo)體行業(yè)稱為“超摩爾路線”。與此同時，針對半導(dǎo)體微細(xì)化的研發(fā)仍在繼續(xù)，被稱為“深度摩爾路線”，只不過它不再像過去那樣是半導(dǎo)體性能提升的唯一路徑，其突破速度也在逐漸放緩。這種與過去單純依靠半導(dǎo)體微細(xì)化的“摩爾定律”時代明顯不同的新的半導(dǎo)體發(fā)展時期，被稱為“后摩爾時代”。
值得一提的是，如火如荼的人工智能技術(shù)革命所需的AI芯片中，先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。例如，當(dāng)前在人工智能領(lǐng)域大放異彩的英偉達(dá)H100芯片，就使用了臺積電研發(fā)的CoWos先進(jìn)封裝技術(shù)。其原理是通過在計算芯片與內(nèi)存芯片之間插入一個中間層硅載片，將它們有機(jī)連接并封裝到一起，使得芯片訪問外部數(shù)據(jù)的速度顯著提高。通過先進(jìn)封裝實現(xiàn)的這種芯片間的高速連接，被命名為高帶寬內(nèi)存（HBM）技術(shù)。HBM總線還設(shè)置了外部接口，可用于串聯(lián)更多外部芯片，其理論傳輸速度最高可達(dá)每秒450GB，是此前芯片與外部數(shù)據(jù)之間通信速度的幾十倍，且還存在不小的提升空間。
可以說，先進(jìn)封裝技術(shù)扼守著“人工智能時代”與“后摩爾時代”的交叉路口，沒有先進(jìn)封裝技術(shù)，人工智能芯片就不可能取得如此大的進(jìn)步，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展也會降速。
工作人員在蘇州光電技術(shù)研究院的封裝測試公共服務(wù)平臺車間內(nèi)
檢測一塊激光雷達(dá)芯片（2024 年 6 月 2 日攝） 李尕攝 / 本刊
美國的危機(jī)感
傳統(tǒng)的封裝測試作為芯片出廠前的最后一道工序，一直處于產(chǎn)業(yè)鏈的末端，不僅利潤微薄，也曾被視為低技術(shù)與勞動密集型產(chǎn)業(yè)。上世紀(jì)七八十年代，美國在“無晶圓廠”與“離岸外包”商業(yè)策略下將部分半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)遷往亞洲時，芯片的封裝測試環(huán)節(jié)幾乎第一個被外包出去，先是轉(zhuǎn)移到韓國與中國臺灣地區(qū)，隨后又轉(zhuǎn)移至中國大陸，以及馬來西亞、越南等東南亞國家。
1978年，在國家的大力支持下，我國企業(yè)從日本東芝引進(jìn)了5微米芯片封裝測試生產(chǎn)線，開啟了我國芯片封測產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程。時至今日，大陸的一些芯片封測廠商已發(fā)展成為年營收數(shù)百億元人民幣的國際封測大廠，占全球芯片封測市場份額近20%，僅次于日月光等臺灣企業(yè)。目前，兩岸企業(yè)合計可以占到全球芯片封測六成以上的市場份額。而美歐日韓企業(yè)在芯片封測領(lǐng)域存在感相對薄弱，只有美國安靠科技（Amkor）一家約占全球14%的市場份額，其余均在1%以下，且安靠科技的封測廠亦建在亞洲國家，在美國國內(nèi)僅保留了技術(shù)研發(fā)部門。
當(dāng)前全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的現(xiàn)實是，美國在芯片設(shè)計制造工具等產(chǎn)業(yè)鏈上游占據(jù)優(yōu)勢，中國則牢牢占據(jù)了產(chǎn)業(yè)鏈末端的封測環(huán)節(jié)。六成以上芯片需運往中國、九成以上芯片需運往亞洲進(jìn)行封測，然后才能在包括西方國家在內(nèi)的全球市場上銷售。由于先進(jìn)封裝技術(shù)在“后摩爾時代”“人工智能時代”的角色日益吃重，這樣的產(chǎn)業(yè)格局引起美國的警覺。
2023年11月，美國《芯片與科學(xué)法案》的首個研發(fā)投資項目就投向了先進(jìn)封裝技術(shù)。法案專門撥劃了30億美元用于資助美國的芯片封裝企業(yè)，該計劃被命名為“國家先進(jìn)封裝制造計劃”。2024年7月9日，美商務(wù)部發(fā)布公告，宣布啟動該計劃首批共16億美元的研發(fā)資助獎項，覆蓋先進(jìn)封裝技術(shù)的五個分領(lǐng)域，每項研發(fā)創(chuàng)新獎勵多達(dá)1.5億美元。
美謀求“戰(zhàn)略自主”難以實現(xiàn)
在政界推動下，美國企業(yè)加緊了對先進(jìn)封裝產(chǎn)業(yè)的布局。
2023年12月，安靠科技宣布將斥資20億美元在亞利桑那州皮奧里亞市建造一座先進(jìn)封測廠。蘋果公司第一時間表示支持，稱蘋果將成為該封測廠第一個也是最大客戶。英特爾也在技術(shù)研發(fā)端不斷發(fā)力，自主研發(fā)了Foveros先進(jìn)封裝技術(shù)，并宣布了全新的芯片架構(gòu)以適配該項技術(shù)。
美國企業(yè)也在進(jìn)軍海外市場。2023年8月，英特爾宣布斥巨資在馬來西亞檳城打造基于其技術(shù)的首座海外先進(jìn)封測廠。2023年12月，英偉達(dá)又宣布將在馬來西亞柔佛興建云計算中心。加上AMD、美光等美企競相涌入，馬來西亞芯片封測產(chǎn)業(yè)發(fā)展提速。除馬來西亞外，日本、新加坡、越南、菲律賓、印度等，也是美布局半導(dǎo)體海外制造基地的重要目的地。
美國借此謀求“戰(zhàn)略自主”的目標(biāo)恐難以實現(xiàn)。
其一，當(dāng)前，受美國內(nèi)建廠成本高企等因素影響，臺積電亞利桑那工廠等美《芯片與科學(xué)法案》重點資助項目的進(jìn)程，都陷入不同程度的延遲乃至?xí)和Ｖ校煌馄笤诿劳顿Y興業(yè)也面臨商業(yè)文化、政治操弄等方面的“水土不服”。
其二，日本、東南亞、南亞等國家和地區(qū)和美國一樣，缺乏足夠數(shù)量的高技術(shù)熟練工種，許多芯片制造領(lǐng)域的上游工業(yè)品與元器件要從中國大陸與臺灣等地進(jìn)口。
這背后所反映的，是多年來在工業(yè)、科技、教育等領(lǐng)域長期投入下積累形成的各種獨特優(yōu)勢，包括豐富齊全的本地工業(yè)品資源、較低的制造業(yè)綜合成本、龐大的技術(shù)人口等，已使中國成為任何先進(jìn)制造領(lǐng)域都繞不過去、無可替代的存在。
當(dāng)下，在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，中美處在同一起跑線上。美國過去幾十年在半導(dǎo)體微細(xì)化領(lǐng)域積累的優(yōu)勢，已無法用來在先進(jìn)封裝領(lǐng)域限制中國。美國在先進(jìn)封裝領(lǐng)域推行“去中國化”，不僅不可能限制我國科技發(fā)展，反而會激發(fā)我國不斷突破，在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中和全球市場上形成更強(qiáng)勁的競爭力。
（作者系中國現(xiàn)代國際關(guān)系研究院科技與網(wǎng)絡(luò)安全研究所副研究員、人工智能項目負(fù)責(zé)人）□