如火如荼的人工智能技術革命所需的AI芯片中，先進封裝技術發揮了關鍵作用
當前全球半導體產業鏈的現實是，六成以上芯片需運往中國、九成以上芯片需運往亞洲進行封測，然後才能在包括西方國家在內的全球市場上銷售
除馬來西亞外，日本、新加坡、越南、菲律賓、印度等，也是美布局半導體海外制造基地的重要目的地
當下，在先進封裝領域，中美處在同一起跑線上。美國過去幾十年在半導體微細化領域積累的優勢，已無法用來在先進封裝領域限制中國
文 | 譚笑間
前不久，美國商務部釋出公告，宣布啟動初期共16億美元的創新投資基金，以實作和加速美半導體先進封裝產業的落地與升級。作為【芯片與科學法案】專用於半導體技術研發撥款計劃中優先級最高的一項，先進封裝技術緣何如此重要？美國在相關領域的布局意欲何為？
工作人員在蘇州光電技術研究院的封裝測試公共服務平台車間內檢測一塊激光雷達芯片（2024年6月2日攝） 李尕攝/本刊
先進封裝的崛起
討論芯片技術的發展，「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量每過18至24個月便增加一倍。
「摩爾定律」是仙童半導體公司（英特爾的前身）研究開發實驗室主任哥頓·摩爾於1965年提出的一種經驗性規律，反映的是數碼產業對芯片技術不斷發展的需求，同時也是美芯片企業維持領先地位的商業策略。
一方面，芯片效能不斷提升推動了美國數碼產業的持續增長。科技巨頭在嘗到數碼技術帶來的市場甜頭後，會反過來投入巨資支持美芯片企業研發下一代芯片，使美芯片企業敢於投入巨資進行技術改良與創新。
另一方面，技術的不斷更新也導致技術指標停滯不前的芯片價格不斷下跌。美國透過向市場釋放這種降價預期來打壓美芯片企業的競爭者，後者落後越多就會虧損越大，甚至可能因收不抵支而破產。
兩方面共同作用，在半導體領域造成了「強者恒強」的結果。「摩爾定律」不僅是一種產業規律，亦幫助美國維護其在資訊科技領域的優勢地位。
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「半導體微細化」這條商業技術發展路徑並認為這條路徑可以走上幾十年——芯片的設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行光刻，就能以相對穩定的方式和較低的成本提升芯片效能，並可隨著每一次制程縮小而獲取最大利潤，實作長足發展。
然而，到了2010年前後，隨著「半導體微細化」不斷逼近其物理極限，支撐「摩爾定律」的經濟需求與商業策略開始動搖。
一方面，研發微細化元器件所需的費用不斷上漲。研發16nm工藝時匯入了鰭式場效應晶體管（FinFET）技術，研發7nm工藝時匯入了極紫外（EUV）光刻技術，而今研發5nm以下工藝又匯入了全環繞柵極晶體管（GAA）技術……每一次技術革新的背後，都是大量的額外技術攻關，不僅研發投入越來越高，額外技術攻關的頻次也越來越密，新制程芯片的利潤率不斷下降。
另一方面，半導體微細化所帶來的芯片效能提升也變得愈發「雞肋」。根據台積電的技術路線圖，3nm芯片相比於5nm芯片在晶體管邏輯密度上提升了1.7倍，但效能僅提升了11%，相比於此前每次微細化都有近50%的效能提升縮水不少。
這就使得芯片制造企業開始慎重考慮對更低制程芯片的研發投入，轉而尋求「摩爾定律」之外的技術發展路徑。正是在這一背景下，先進封裝技術開始受到越來越多的關註。
如果說半導體微細化是在「芯片內整合」上下功夫，那麽先進封裝則將目光投向了「芯片間整合」——透過采用特殊的封裝方式來提升芯片與外部元件的整合度，使多個芯片整合為一個有機整體來發揮原本由單一處理器芯片發揮的計算功能，進而實作在「摩爾定律」之外繼續提升計算單元效能的目標。這被半導體行業稱為「超摩爾路線」。與此同時，針對半導體微細化的研發仍在繼續，被稱為「深度摩爾路線」，只不過它不再像過去那樣是半導體效能提升的唯一路徑，其突破速度也在逐漸放緩。這種與過去單純依靠半導體微細化的「摩爾定律」時代明顯不同的新的半導體發展時期，被稱為「後摩爾時代」。
值得一提的是，如火如荼的人工智能技術革命所需的AI芯片中，先進封裝技術發揮了關鍵作用。例如，當前在人工智能領域大放異彩的輝達p00芯片，就使用了台積電研發的CoWos先進封裝技術。其原理是透過在計算芯片與記憶體芯片之間插入一個中間層矽載片，將它們有機連線並封裝到一起，使得芯片存取外部數據的速度顯著提高。透過先進封裝實作的這種芯片間的高速連線，被命名為高頻寬記憶體（HBM）技術。HBM總線還設定了外部介面，可用於串聯更多外部芯片，其理論傳輸速度最高可達每秒450GB，是此前芯片與外部數據之間通訊速度的幾十倍，且還存在不小的提升空間。
可以說，先進封裝技術扼守著「人工智能時代」與「後摩爾時代」的交叉路口，沒有先進封裝技術，人工智能芯片就不可能取得如此大的進步，半導體技術發展也會降速。
美國的危機感
傳統的封裝測試作為芯片出廠前的最後一道工序，一直處於產業鏈的末端，不僅利潤微薄，也曾被視為低技術與勞動密集型產業。上世紀七八十年代，美國在「無晶圓廠」與「離岸外包」商業策略下將部份半導體產業遷往亞洲時，芯片的封裝測試環節幾乎第一個被外包出去，先是轉移到南韓與中國台灣地區，隨後又轉移至中國大陸，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，中國企業從日本東芝引進了5微米芯片封裝測試生產線，開啟了中國芯片封測產業的發展歷程。時至今日，大陸的一些芯片封測廠商已發展成為年營收數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%，僅次於日月光等台灣企業。目前，兩岸企業合計可以占到全球芯片封測六成以上的市場份額。而美歐日韓企業在芯片封測領域存在感相對薄弱，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，在美國國內僅保留了技術研發部門。
當前全球半導體產業鏈的現實是，美國在芯片設計制造工具等產業鏈上遊占據優勢，中國則牢牢占據了產業鏈末端的封測環節。六成以上芯片需運往中國、九成以上芯片需運往亞洲進行封測，然後才能在包括西方國家在內的全球市場上銷售。由於先進封裝技術在「後摩爾時代」「人工智能時代」的角色日益吃重，這樣的產業格局引起美國的警覺。
2023年11月，美國【芯片與科學法案】的首個研發投資專案就投向了先進封裝技術。法案專門撥劃了30億美元用於資助美國的芯片封裝企業，該計劃被命名為「國家先進封裝制造計劃」。2024年7月9日，美商務部釋出公告，宣布啟動該計劃首批共16億美元的研發資助獎項，覆蓋先進封裝技術的五個分領域，每項研發創新獎勵多達1.5億美元。
美謀求「戰略自主」難以實作
在政界推動下，美國企業加緊了對先進封裝產業的布局。
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裏亞市建造一座先進封測廠。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。英特爾也在技術研發端不斷發力，自主研發了Foveros先進封裝技術，並宣布了全新的芯片架構以適配該項技術。
美國企業也在進軍海外市場。2023年8月，英特爾宣布斥巨資在馬來西亞檳城打造基於其技術的首座海外先進封測廠。2023年12月，輝達又宣布將在馬來西亞柔佛興建雲端運算中心。加上AMD、美光等美企競相湧入，馬來西亞芯片封測產業發展提速。除馬來西亞外，日本、新加坡、越南、菲律賓、印度等，也是美布局半導體海外制造基地的重要目的地。
美國借此謀求「戰略自主」的目標恐難以實作。
其一，當前，受美國內建廠成本高企等因素影響，台積電亞利桑那工廠等美【芯片與科學法案】重點資助專案的行程，都陷入不同程度的延遲乃至暫停之中；外企在美投資興業也面臨商業文化、政治操弄等方面的「水土不服」。
其二，日本、東南亞、南亞等國家和地區和美國一樣，缺乏足夠數量的高技術熟練工種，許多芯片制造領域的上遊工業品與元器件要從中國大陸與台灣等地進口。
這背後所反映的，是多年來在工業、科技、教育等領域長期投入下積累形成的各種獨特優勢，包括豐富齊全的本地工業品資源、較低的制造業綜合成本、龐大的技術人口等，已使中國成為任何先進制造領域都繞不過去、無可替代的存在。
當下，在先進封裝領域，中美處在同一起跑線上。美國過去幾十年在半導體微細化領域積累的優勢，已無法用來在先進封裝領域限制中國。美國在先進封裝領域推行「去中國化」，不僅不可能限制中國科技發展，反而會激發中國不斷突破，在全球半導體產業鏈中和全球市場上形成更強勁的競爭力。
（作者系中國現代國際關系研究院科技與網絡安全研究所副研究員、人工智能專案負責人）■
