臺(tái)積電的產(chǎn)能再度供不應(yīng)求——然而這一次不是代工產(chǎn)能，而是封裝產(chǎn)能。AI芯片大廠涌向臺(tái)積電的急單，不僅需要先進(jìn)制程，也需要先進(jìn)封裝。臺(tái)積電于2011年推出的2.5D封裝CoWoS（基板上晶圓芯片）壓力凸顯，產(chǎn)能尤甚。臺(tái)積電不得不一邊將部分oS（基板連接，CoWoS的后段工藝）流程交由封測(cè)廠處理，一邊啟動(dòng)了CoWoS的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃。

密切關(guān)注CoWoS動(dòng)態(tài)的不僅是芯片設(shè)計(jì)企業(yè)，還有臺(tái)積電的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。韓國(guó)產(chǎn)業(yè)界于近期表示，即使三星率先實(shí)現(xiàn)3nm量產(chǎn)，英偉達(dá)、蘋果等IT企業(yè)依然希望采用臺(tái)積電的工藝，關(guān)鍵就在于臺(tái)積電的CoWoS封裝。被AI芯片頭部企業(yè)和韓國(guó)產(chǎn)業(yè)界視為AI競(jìng)爭(zhēng)關(guān)鍵的CoWoS，正在成為臺(tái)積電的又一個(gè)殺手锏。

十年磨一劍的秘密武器

長(zhǎng)達(dá)36年的代工發(fā)展歷史，是臺(tái)積電最為人熟知的一面。然而，臺(tái)積電還有一個(gè)沒有代工高調(diào)卻不容忽視，已經(jīng)耕耘了超過(guò)12年時(shí)間的秘密武器——先進(jìn)封裝。

傳統(tǒng)封裝形式，多是將晶片單獨(dú)封裝成芯片，再將芯片固定在封裝基板上。這種封裝方式需要給每一個(gè)芯片做引腳，且芯片安裝到電路板之后，彼此之間還需要連接通電，既占據(jù)空間又增加了功耗。

在代工制程按照摩爾定律飛速發(fā)展的甜蜜期，封裝并沒有進(jìn)入代工廠的視野。然而，進(jìn)入 28nm 以后，先進(jìn)制程的成本快速提升，摩爾定律開始放緩。根據(jù) IBS 統(tǒng)計(jì)，在達(dá)到 28nm制程節(jié)點(diǎn)以后，如果繼續(xù)縮小制程節(jié)點(diǎn)，每百萬(wàn)門晶體管的制造成本不降反升。

芯片每百萬(wàn)門制造成本隨制程節(jié)點(diǎn)變化趨勢(shì)（圖源：IBS）

正當(dāng)產(chǎn)業(yè)界對(duì)于28nm以后的工藝成本和摩爾定律是否失效進(jìn)行探討。臺(tái)積電于2011年率先推出了28nm制程，也是在這一年，臺(tái)積電宣布進(jìn)軍先進(jìn)封裝。在當(dāng)年第二季度的法人說(shuō)明會(huì)上，時(shí)任臺(tái)積電董事長(zhǎng)兼CEO的張忠謀向在場(chǎng)的金融及咨詢機(jī)構(gòu)代表展示了通過(guò)硅中介層進(jìn)行子系統(tǒng)集成的技術(shù)框架，并表達(dá)了將封裝作為制程工藝之外另一條業(yè)務(wù)路徑的意愿。

“在遵循摩爾定律推動(dòng)IC發(fā)展的同時(shí)，我們也在實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)集成的潛力。硅中介層解決方案將封裝數(shù)量從 9 個(gè)減少到 1 個(gè)，減小了芯片尺寸和功耗，并提高了內(nèi)存帶寬和系統(tǒng)速度?！睆堉抑\表示。

張忠謀展示的硅中介層，正是CoWoS的關(guān)鍵技術(shù)。在一個(gè)季度之后的第三季度財(cái)報(bào)法人說(shuō)明會(huì)上，張忠謀展示了CoWoS的測(cè)試芯片。他表示，CoWoS將從28nm開始啟用。

“CoW（晶圓上芯片）是將較大的芯片、DRAM 芯片或模塊放置在硅中介層上，然后整體封裝到基板上（oS），這就是 COWOS。我們?cè)跍y(cè)試工具上取得了非常好的產(chǎn)量和令人鼓舞的可靠性?！睆堉抑\說(shuō)。

如張忠謀所言，CoWoS將計(jì)算、內(nèi)存等晶片堆疊到硅中介層（硅轉(zhuǎn)接板），通過(guò)硅中介層上的高密度布線實(shí)現(xiàn)晶片互連，再安裝到基板上進(jìn)行封裝。這種多個(gè)晶片共享一個(gè)基板的封裝方式，減少了封裝體積、晶片間的信號(hào)傳輸距離及引腳數(shù)量，進(jìn)而提升了芯片的連接速度，并降低了功耗。

雖然CoWoS能夠?yàn)樾酒善穾?lái)優(yōu)勢(shì)，但受限于成本，在推出的早期只有少數(shù)廠家的高端產(chǎn)品采用。甚至臺(tái)積電也因?yàn)镃oWoS成本偏高而推出了更具性價(jià)比的封裝方案InFO.然而，AIGC引發(fā)的熱潮，將CoWoS推到了浪尖上。

迎頭趕上AI浪潮

深耕了十多年的CoWoS，終于在AI時(shí)代看到了可觀的營(yíng)收空間。TrendForce集邦咨詢近期研報(bào)顯示，AI及高性能計(jì)算等芯片對(duì)先進(jìn)封裝技術(shù)的需求日益提升，其中，臺(tái)積電的CoWoS成為AI服務(wù)器芯片廠商主要采用的封裝。該機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，臺(tái)積電的CoWoS月產(chǎn)能將在2023年底達(dá)到1.2萬(wàn)片，其中英偉達(dá)對(duì)CoWoS產(chǎn)能的需求量較年初提升近5成，加上AMD、谷歌等高端AI芯片需求，將導(dǎo)致下半年CoWoS產(chǎn)能較為緊缺。

CoWoS為何突然行情火熱？原因在于大模型對(duì)高性能計(jì)算的需求，使AI芯片廠商越來(lái)越傾向于選擇HBM內(nèi)存，這種內(nèi)存芯片采用3D堆疊技術(shù)將DRAM堆疊起來(lái)，以縮小體積、降低功耗并提升數(shù)據(jù)傳輸速度。

而臺(tái)積電一直致力于提升CoWoS的硅中介層面積，使之能承載更大的邏輯芯片和更多的HBM堆棧，這恰恰適應(yīng)了AI芯片設(shè)計(jì)廠商的需求。至2023年，臺(tái)積電CoWoS已經(jīng)能容納多達(dá)12個(gè)HBM堆棧。

CoWoS近12年硅中介面積提升幅度及HBM可集成數(shù)量走勢(shì)

（圖源：臺(tái)積電）

另一個(gè)值得注意的地方是，先進(jìn)制程已經(jīng)逼近物理極限，每前進(jìn)一步都需要天文數(shù)字的投資，而先進(jìn)封裝尚處于有著較高成本效益的階段。對(duì)于AI芯片廠商，先進(jìn)封裝是一種具有性價(jià)比的性能提升方式。

“根據(jù)SEMI的數(shù)據(jù)，晶圓制造的設(shè)備投資占比超80%，封裝測(cè)試的設(shè)備投資占比不到20%。盡管先進(jìn)封裝也會(huì)用到光刻、刻蝕、沉積設(shè)備，但這些設(shè)備的精度要求小于晶圓制造，設(shè)備價(jià)值也就相對(duì)較低。且先進(jìn)封裝技術(shù)現(xiàn)在屬于快速發(fā)展階段，百家爭(zhēng)鳴，相信仍有較高的成本效益和進(jìn)步空間。”CINNO Research首席分析師周華向《中國(guó)電子報(bào)》表示。

沖出IDM和封測(cè)廠的包圍圈

隨著先進(jìn)制程的重要性日益凸顯，三星、英特爾等IDM，日月光等OSAT（外包半導(dǎo)體組裝和測(cè)試）廠商都在發(fā)力先進(jìn)封裝。然而，在更專業(yè)的OSAT與更全面的IDM的包圍下，臺(tái)積電的封裝業(yè)務(wù)依然保持著差異化的競(jìng)爭(zhēng)能力。

相對(duì)OSTA，臺(tái)積電有著更強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)鏈整合能力。

“有一個(gè)問(wèn)題很關(guān)鍵：為什么IC設(shè)計(jì)大廠將先進(jìn)封裝需求交付給臺(tái)積電，而不是日月光等封測(cè)廠商。這是因?yàn)槟壳跋冗M(jìn)封裝要從芯片設(shè)計(jì)開始布局，所以臺(tái)積電能拿到訂單，而后端封測(cè)廠商則有些‘無(wú)能為力’?！睒I(yè)界專家莫大康向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示。

如莫大康所言。臺(tái)積電不僅推出了一系列先進(jìn)封裝工藝，還成立了包含EDA、IP、DCA/VCA、內(nèi)存、OSAT、基板、測(cè)試7個(gè)環(huán)節(jié)頭部企業(yè)的臺(tái)積電3D Fabric聯(lián)盟。這也是為什么CoWoS產(chǎn)能告急時(shí)，臺(tái)積電能夠迅速反應(yīng)，將oS流程外包給日月光等封測(cè)廠商。

臺(tái)積電3D Fabric聯(lián)盟（圖源：臺(tái)積電）

相對(duì)三星、英特爾等IDM，臺(tái)積電的代工廠身份，使其服務(wù)具有更高的靈活性。

“盡管三星和英特爾均有各自的2.5D和3D技術(shù)，但三星和英特爾以IDM為主營(yíng)業(yè)務(wù)，臺(tái)積電為專業(yè)Foundry，更能適應(yīng)眾多客戶的需求，且臺(tái)積電的CoWoS也平行衍生出多種先進(jìn)封裝技術(shù)，即可滿足追求性價(jià)比的客戶需求，也符合追求高性能的客戶需求。”周華說(shuō)。

三星的追擊

關(guān)注著CoWoS產(chǎn)能動(dòng)態(tài)的不僅是芯片設(shè)計(jì)廠商，韓國(guó)產(chǎn)業(yè)界也感到一絲壓力。近期，韓國(guó)媒體表示，臺(tái)積電獨(dú)享英偉達(dá)AI芯片訂單的關(guān)鍵是CoWoS封裝，這也是為什么即使三星電子在2022年率先量產(chǎn)3nm，英偉達(dá)和蘋果等全球IT企業(yè)仍然選擇臺(tái)積電的代工業(yè)務(wù)。

韓國(guó)產(chǎn)業(yè)界的反應(yīng)不難理解，因?yàn)槿且呀?jīng)有過(guò)一次被臺(tái)積電封裝技術(shù)搶單的經(jīng)歷。在A7芯片之前，蘋果一直將三星作為主力代工商，其A9芯片也由三星與臺(tái)積電共享訂單。然而，臺(tái)積電推出的InFO（集成式扇出型封裝），打動(dòng)了蘋果的“芳心”。這種封裝方式不需要使用有機(jī)載板和C4凸點(diǎn)，從而降低了封裝厚度，也縮短了晶片與PCB板的互聯(lián)距離，實(shí)現(xiàn)了更薄的封裝、更低的功耗和更好的散熱。InFO的技術(shù)優(yōu)勢(shì)結(jié)合代工業(yè)務(wù)的一條龍服務(wù)，讓臺(tái)積電一躍成為蘋果A10芯片的獨(dú)家供應(yīng)商。自此蘋果與臺(tái)積電的綁定越來(lái)越深，三星逐步淡出了蘋果的視野。

面向AI時(shí)代的機(jī)遇，三星自然不會(huì)拱手相讓。在6月底召開的三星晶圓代工論壇上，三星代工業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Siyoung Choi先是透露面向高性能計(jì)算需求的2nm工藝將在2026年量產(chǎn)，隨后又宣布與內(nèi)存、基板封裝、測(cè)試等領(lǐng)域的合作伙伴成立“MDI（多芯片集成）聯(lián)盟”，構(gòu)建2.5D和3D異構(gòu)集成的封裝技術(shù)生態(tài)。基于聯(lián)盟和生態(tài)合作，三星將為下游客戶提供一站式服務(wù)，并通過(guò)定制化的封裝方案開發(fā)，滿足高性能計(jì)算和汽車等領(lǐng)域的需求。

三星代工業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Siyoung Choi在2023三星代工論壇透露代工和封裝動(dòng)作（圖源：三星）

此前，三星已經(jīng)推出了I-Cube、X-Cube等2.5D和3D封裝技術(shù)，此次成立聯(lián)盟，將提升其產(chǎn)業(yè)鏈整合能力，以及一站式和客制化服務(wù)能力。再加上在3nm和2nm量產(chǎn)時(shí)間的激進(jìn)態(tài)勢(shì)，三星未來(lái)能否與臺(tái)積電角逐AI芯片大單，也令人期待。無(wú)論三星能否挑戰(zhàn)臺(tái)積電在AI時(shí)代的領(lǐng)先地位，只要有角逐的意識(shí)和動(dòng)作，就能通過(guò)更加充分的競(jìng)爭(zhēng)逐步提升晶圓級(jí)封裝的性價(jià)比，也讓芯片設(shè)計(jì)企業(yè)有了更多的選擇。