熬出頭的CoWoS

作者：米樂

據(jù)中國臺灣媒體報(bào)道，臺積電正在擴(kuò)大CoWoS先進(jìn)封裝產(chǎn)能，以滿足客戶，尤其是AI芯片領(lǐng)域的需求。英偉達(dá)等大客戶增加了對CoWoS封裝的訂單量，AMD、亞馬遜等其他大廠也出現(xiàn)了緊急訂單。為了滿足這些需求，臺積電已要求設(shè)備供應(yīng)商增加CoWoS機(jī)臺的生產(chǎn)數(shù)量，并計(jì)劃在明年上半年完成交付和安裝。

9月底，傳出消息臺積電再次追加30%半導(dǎo)體設(shè)備訂單，帶動(dòng)聯(lián)電、日月光投控等CoWoS先進(jìn)封裝中介層供應(yīng)商接單量，并傳出后者要漲價(jià)的消息。

?01、CoWoS也曾“煎熬”

CoWoS是臺積電獨(dú)門技術(shù)，2012年即推出。不過，由于成本昂貴，因而推出后除了賽靈思等少數(shù)客戶采用，之后便乏人問津。

不過隨著AI熱潮引爆，臺積電CoWoS封裝技術(shù)也熬出頭，產(chǎn)能大爆發(fā)。臺積電總裁魏哲家在本月20日法說會(huì)上坦言，AI相關(guān)需求增加，預(yù)測未來五年內(nèi)將以接近50％的年平均成長率成長，并占臺積電營收約1成，臺積電也決定將資本支出中加重在CoWoS先進(jìn)封裝產(chǎn)能的建置，且是越快越好（As quickly as possible）！

隨著ChatGPT橫空出世，生成式AI紅遍全球，帶動(dòng)AI芯片的需求強(qiáng)勁，英偉達(dá)（NVIDIA）的H100、A100全部由臺積電代工，并使用臺積電的CoWoS先進(jìn)封裝技術(shù)，除了英偉達(dá)外，AMD MI300也導(dǎo)入CoWoS技術(shù)，造成CoWoS產(chǎn)能供不應(yīng)求。

為什么是CoWoS？

CoWoS可以將CPU、GPU、DRAM等各式芯片以并排方式（side-by-side）堆疊，有節(jié)省空間、減少功耗的優(yōu)勢；另外，因?yàn)镃oWoS能將不同制程的芯片封裝在一起，可達(dá)到加速運(yùn)算但同時(shí)控制成本的目的，適用于AI 、GPU 等高速運(yùn)算芯片封裝。

相較于傳統(tǒng)的芯片封裝技術(shù)，CoWoS技術(shù)有以下幾個(gè)優(yōu)勢：

高度密集：此技術(shù)可以使多個(gè)芯片在一個(gè)封裝中實(shí)現(xiàn)高度集成，從而可以在更小的空間內(nèi)提供更強(qiáng)大的功能。在需求高度集成的行業(yè)（例如互聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能等）中得到廣泛應(yīng)用。

高速和高可靠性：由于芯片與晶圓直接相連，從而可以提高信號傳輸速度和可靠性。同時(shí)，此技術(shù)還可以有效地縮短電子器件的信號傳輸距離，從而減少傳輸時(shí)延和能量損失。

高性價(jià)比：CoWoS技術(shù)可以降低芯片的制造成本和封裝成本，因?yàn)樗梢员苊鈧鹘y(tǒng)封裝技術(shù)中的繁瑣步驟（例如銅線纏繞、耗材成本高等），從而可以提高生產(chǎn)效率和降低成本。

CoWoS技術(shù)是目前HBM與CPU/GPU處理器集成的主流方案。HBM的高焊盤數(shù)和短跡線長度要求需要2.5D先進(jìn)封裝技術(shù)，目前幾乎所有的HBM系統(tǒng)都封裝在CoWoS上，而高端AI服務(wù)器基本都使用HBM，因此幾乎所有領(lǐng)先的數(shù)據(jù)中心GPU都是臺積電封裝在CoWos上的。

高端芯片走向多個(gè)小芯片、內(nèi)存，堆疊成為必然發(fā)展趨勢，CoWoS 封裝技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域廣泛，包含高效能運(yùn)算 HPC、AI 人工智能、數(shù)據(jù)中心、5G、物聯(lián)網(wǎng)、車用電子等等，可以說在未來的各大趨勢，CoWoS 封裝技術(shù)會(huì)扮演著相當(dāng)重要的地位。

?02、漲價(jià)和擴(kuò)產(chǎn)進(jìn)程

今年是AI爆火的一年。隨著ChatGPT橫空出世，生成式AI紅遍全球，帶動(dòng)AI芯片的需求強(qiáng)勁，英偉達(dá)的H100、A100全部由臺積電代工，并使用臺積電的CoWoS先進(jìn)封裝技術(shù)，除了英偉達(dá)外，AMD MI300也導(dǎo)入CoWoS技術(shù)，造成CoWoS產(chǎn)能供不應(yīng)求。

6月份，臺積電宣布計(jì)劃擴(kuò)充CoWoS封裝產(chǎn)能，預(yù)計(jì)下半年月產(chǎn)能將增加3000片。此舉旨在滿足全球電子產(chǎn)品和芯片市場的旺盛需求，同時(shí)提升公司在全球半導(dǎo)體市場的競爭力。

7月，臺積電董事長劉德音表示，臺積電自有先進(jìn)封裝產(chǎn)能去年迄今幾乎翻倍增長，今年到明年若又要翻倍，“確實(shí)是挑戰(zhàn)”。為應(yīng)對明年先進(jìn)封裝的CoWoS產(chǎn)能擴(kuò)產(chǎn)，甚至把一些InFO產(chǎn)能挪到南科去，臺積電希望能在龍?zhí)稊U(kuò)張CoWoS產(chǎn)能，很多計(jì)劃都會(huì)積極推動(dòng)，希望應(yīng)對客戶即時(shí)需求。臺積電也在近期的法說會(huì)上稱，當(dāng)前AI芯片相關(guān)產(chǎn)能瓶頸主要集中在后端的CoWoS環(huán)節(jié)，臺積電正在與客戶緊密合作擴(kuò)張產(chǎn)能，預(yù)計(jì)CoWoS的產(chǎn)能緊張將于2024年底得到緩解，2024年的CoWoS產(chǎn)能將達(dá)到2023年水平的約兩倍。為了應(yīng)對產(chǎn)能不足問題，臺積電宣布規(guī)劃斥資近900億元新臺幣，在中國臺灣竹科銅鑼科學(xué)園區(qū)設(shè)先進(jìn)封裝晶圓廠。經(jīng)過兩個(gè)月的跨部門協(xié)商，竹科管理局日前正式發(fā)函，同意臺積電取得竹科銅鑼園區(qū)約7公頃土地。新工廠預(yù)計(jì)2026年底建成，2027年第三季度開始量產(chǎn)。

8月摩根大通指出，AI需求下半年持續(xù)強(qiáng)勁，臺積電CoWoS產(chǎn)能擴(kuò)張進(jìn)度將超出預(yù)期，明年底前產(chǎn)能翻揚(yáng)至每月2.8萬～3萬片，并將在2024年下半年明顯加速。同時(shí)，非臺積電陣營的類CoWoS產(chǎn)能，也都在積極擴(kuò)張中。摩根大通估計(jì)，英偉達(dá)2023年占整體CoWoS需求量的六成，臺積電約可生產(chǎn)180萬～190萬套H100芯片，接下來需求量較大的則是博通、亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的Inferentia芯片與賽靈思。放眼2024年，因臺積電產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)張，可供應(yīng)英偉達(dá)所需的H100芯片數(shù)量上看410萬～420萬套。

9月，又有消息傳出臺積電正在著手將急單的CoWoS價(jià)格提高20%，這也暗示著，困擾整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈已久的CoWoS產(chǎn)能瓶頸有望得到緩解。

分這塊蛋糕的不止有臺積電。英特爾副總裁兼亞太區(qū)總經(jīng)理Steven Long 8月下旬表示，英特爾正在馬來西亞檳城興建封測廠，強(qiáng)化2.5D/3D封裝布局。這將是繼英特爾新墨西哥州及奧勒岡廠之后，首座在美國之外采用英特爾Foveros先進(jìn)封裝架構(gòu)的3D封裝廠。

而英特爾副總裁Robin Martin受訪時(shí)也透露，未來檳城新廠將成為公司最大的3D先進(jìn)封裝據(jù)點(diǎn)。除了檳城的3D封測廠之外，英特爾還將在馬來西亞另一居林高科技園區(qū)興建另一座組裝測試廠。全部完工后，英特爾在馬來西亞的封測廠將增至六座。

英特爾的先進(jìn)封裝包括2.5D EMIB與3D Foveros方案。

公司并未透露現(xiàn)階段其3D Foveros封裝的總產(chǎn)能，但其表示，美國奧勒岡州廠、新墨西哥州及檳城新廠三廠疊加，公司2025年的3D封裝產(chǎn)能將是目前水平的4倍。英特爾在兩年前已宣布，計(jì)劃投資35億美元，擴(kuò)充新墨西哥州的先進(jìn)封裝產(chǎn)能，目前建廠仍在進(jìn)行中。英特爾沒有進(jìn)一步透露檳城新廠的確切落成時(shí)程，外界預(yù)估，該廠將于2024年底或2025年初正式啟用。

CoWoS給英偉達(dá)撐腰，也徹底帶火了2.5D、3D封裝。

聯(lián)電最近也在先進(jìn)封裝方面頻頻發(fā)力。根據(jù)該公司官網(wǎng)資料，聯(lián)電是全球首個(gè)提供硅中介層制造開放解決方案的代工廠，即通過聯(lián)電+OSAT的合作模式，由聯(lián)電完成前段2.5D TSI硅中介層晶圓（FEoL+TSV+FS RDL），然后交由封測廠完成中段MEoL和后段BEoL工序。

在7月28日的日月光法說會(huì)上，該公司已經(jīng)證實(shí)，正在與代工廠合作中介層相關(guān)技術(shù)，并具備CoWoS整套制程的完整解決方案，預(yù)計(jì)今年下半年或明年初量產(chǎn)。

近日業(yè)界傳出，聯(lián)電已針對超急件的中介層訂單調(diào)漲價(jià)格，并啟動(dòng)產(chǎn)能倍增計(jì)劃應(yīng)對客戶需求，日月光先進(jìn)封裝報(bào)價(jià)也可能漲價(jià)。

?03、CoWoS的瓶頸：能笑到最后？

容量問題是英偉達(dá)在使用臺積電CoWoS的第一瓶頸。HBM和CoWoS是互補(bǔ)的。HBM的高焊盤數(shù)和短走線長度要求需要CoWoS等2.5D先進(jìn)封裝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)PCB甚至封裝基板上無法實(shí)現(xiàn)的密集、短連接。CoWoS是主流封裝技術(shù)，能夠以合理的成本提供最高的互連密度和最大的封裝尺寸。由于目前幾乎所有HBM系統(tǒng)都封裝在CoWoS上，并且所有高級AI加速器都使用HBM，因此，幾乎所有領(lǐng)先的數(shù)據(jù)中心GPU都由臺積電在CoWoS上封裝。

雖然臺積電的SoIC等3D封裝技術(shù)可以將芯片直接堆疊在邏輯之上，但由于散熱和成本的原因，這對于HBM來說沒有意義。SoIC在互連密度方面處于不同的數(shù)量級，并且更適合通過芯片堆疊擴(kuò)展片上緩存，如AMD的3DV-Cache解決方案所示。AMD的賽靈思也是多年前CoWoS的第一批用戶，用于將多個(gè)FPGA小芯片組合在一起。

雖然還有一些其他應(yīng)用程序使用CoWoS，例如網(wǎng)絡(luò)(其中一些用于網(wǎng)絡(luò)GPU集群，如Broadcom的Jericho3-AI)、超級計(jì)算和FPGA，但絕大多數(shù)CoWoS需求來自人工智能。與半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的其他部分不同，其他主要終端市場的疲軟意味著有足夠的閑置空間來吸收GPU需求的巨大增長，CoWoS和HBM已經(jīng)是大多數(shù)面向人工智能的技術(shù)，因此所有閑置空間已在第一季度被吸收。隨著GPU需求的爆炸式增長，供應(yīng)鏈中的這些部分無法跟上并成為GPU供應(yīng)的瓶頸。