半導體工程師 2022-12-29 09:38 發(fā)表于北京

在2022年之初，整個電子產業(yè)仍處于芯片供應短缺之時，沒有人能想到反轉來得這么快。進入下半年來，PC、智能手機等消費電子市場接連交出出貨嚴重下滑的數據，下游需求疲軟也直接影響到上游的芯片公司和晶圓代工廠，整個半導體行業(yè)有了“一夜入冬”的感覺。進入回調期后，全球半導體銷售額及需求增速明顯放緩，行業(yè)內追漲擴產的晶圓廠商顯著縮減其資本支出，半導體行業(yè)指數也在2022下半年大幅回撤。

與此同時，美國逆全球化的技術封鎖行為，也進一步刺激了其他國家在先進半導體技術上的突圍決心。諸如Chiplet、先進封裝、高性能計算芯片、硅光芯片和寬禁帶半導體等新興技術領域的研發(fā)捷報頻傳。

AspenCore全球分析師團隊在這一年中與業(yè)內專家和廠商交流，總結分析后挑選出了2023年全球半導體行業(yè)將出現或高速發(fā)展的10大技術趨勢。

01

以AR/VR硬件和內容為入口，元宇宙生態(tài)加速成長

以蘋果、meta、索尼、PICO為代表的行業(yè)巨頭，在經過前期技術投入與沉淀之后，將在2023年推出更多的AR/VR產品，特別是蘋果MR設備的加入，將進一步加速硬件迭代升級，相關內容生態(tài)和產業(yè)鏈生態(tài)也將逐步建立與完善。

在硬件上，硅基OLED技術更加成熟，整體產能也將得到進一步提升，將與逐漸趨向主流化的Pancake光學方案“完美配合”，帶來更好的舒適度和沉浸感;從成本角度考慮，Pancake+MiniLED背光Fast-LCD組合,仍將是主流硬件方案。

在交互上，交互操作將配置更多的傳感器和智能硬件，以滿足面部追蹤、眼動追蹤等交互技術多樣化和更自然的人機交互的需求，同時軟件即操作系統(tǒng)也將獲得新進展，特別是蘋果MR設備可能又一次定義交互方式，掀起交互方式模仿風潮，不過蘋果MR設備在初期可能仍需要依托iPhone生態(tài)，作為其一個昂貴的配件或產品功能的延伸。

在內容上，元宇宙內容端不斷豐富，將進一步拓寬游戲以外的需求，比如影視動畫、音樂會、直播等，同時相關新內容的制作方將更多參與進來，利好硬件與內容生態(tài)正向循環(huán)。在應用上，應用場景不斷向消費和工業(yè)端延伸，其中遠程工作會議、遠程教育、視頻社交、線上營銷、線上旅游等應用場景，將以多樣化交互方式進行交流與體驗，比如meta高端VR頭顯Quest pro已引入辦公場景。

在數據應用上，基于豐富的內容和場景數據，元宇宙將與人工智能、數字孿生、區(qū)塊鏈等技術深度融合發(fā)展，通過數字化、虛擬化重構現實世界的產品、流程或操作，替代或輔助人去發(fā)揮一些建設性的作用，比如安全培訓、工業(yè)設計與制造等。

02

Chiplet拐點已至

摩爾定律逐步逼近物理極限、芯片先進制程產能緊缺、全球大環(huán)境局勢緊張，種種因素使得具有高性能、低功耗、高面積使用率以及低成本優(yōu)勢的Chiplet技術越發(fā)受到重視。Omdia數據顯示，預計到2024年，全球Chiplet市場將達58億美元，而到2035年,這一數字將發(fā)展至570億美元。

眾所周知，摩爾定律的前進腳步正日漸趨緩，利用先進工藝提升芯片性能的方式不但越來越難以實現，而且也難以滿足性能提升與成本下降的雙重需求。在這樣的背景下，把大的芯片拆解成一些小的芯片，再進行封裝或異構的Chiplet技術將成為一個比較好的選項。這意味著，Chiplet技術在某種程度上延續(xù)了摩爾定律，半導體器件未來將可以采用多種方式集成，系統(tǒng)空間的功能密度將持續(xù)增長。

同時，對于渴望創(chuàng)新的中國半導體廠商來說，如何利用好Chiplet技術，使IP復用和硬件化用于異構集成，是加快下游企業(yè)迭代、實現多元化創(chuàng)新并提高良率、降低成本的重要一環(huán)。

需要指出的是，Chiplet技術的普及還面臨許多技術方面的挑戰(zhàn)，不僅包括物理電氣工藝/構型、中介層(Interposer)和導線材料、通信互連/I/O、模擬/邏輯設計規(guī)則、電源和信號控制等挑戰(zhàn)，同時還面臨著生態(tài)和制造端的挑戰(zhàn)。

這里尤其需要強調先進封裝技術的重要性?？紤]到Chiplet技術的最終目的是要整合成一顆“系統(tǒng)級芯片”，這就要求每顆芯粒之間擁有高密度的互聯(lián)，才能實現類高速的互聯(lián)，達到類似原來單顆大芯片中各個功能模塊間的信號傳輸速度，這并非易事。

03

受新能源汽車等需求驅動，碳化硅應用價值凸顯

由于碳化硅器件高效率、高功率密度等特性，新能源汽車、太陽能光伏、5G通信、智能電網等領域的強勁需求有望在2023年帶動碳化硅滲透率快速提升。在新能源汽車領域，車載逆變器、車載充電器、DC/DC變換器、充電裝置等SiC功率器件將隨著汽車電動化及800V高壓平臺的大規(guī)模上車，進入快速爆發(fā)階段。

保時捷、特斯拉、比亞迪等頭部新能源車廠帶來的“示范效應”，將推動更多車企逐步采用SiC方案，特別是在更多高端車型上布局800V 高壓快充方案，以提升續(xù)航里程，加速800V架構時代的到來。

在太陽能光伏領域，受益“雙碳”剛性政策目標以及疊加能源轉型需求，碳化硅器件在光伏逆變器中將得到更大范圍應用，以延長逆變器壽命，降低由于替換光伏逆變器帶來的成本，滿足光伏電站特高壓輸電的需求。

同時，隨著“新基建”的提速部署，將推動以碳化硅為代表的第三代半導體產業(yè)進入發(fā)展紅利期，進一步在5G基建、特高壓、城際高鐵和城際軌道交通、智能電網、大數據中心和工業(yè)互聯(lián)網等新基建領域實現全方位滲透。

另外，基于降低應用成本的考慮，大尺寸碳化硅研發(fā)將從6英寸向8英寸發(fā)展，預計8英寸碳化硅襯底集中量產時間在2023年出現，行業(yè)有望迎來爆發(fā)拐點。

04

HPC高性能計算的主角，徹底轉向加速計算

早年HPC和超算的宣傳，普遍在強調CPU這類通用處理器的核心數與算力;超算主角也多為IBM、Intel之類的角色。不過這些年的ISC頂會，英偉達這類著眼在GPU、AI芯片之類加速計算的角色顯然更加活躍。

這兩年的TOP500榜單上，頻繁可見采用英偉達GPU與DPU的選手。今年GTC Spring上，英偉達總結超算的5大應用領域：邊緣、HPC + AI、模擬、數字孿生、量子計算。

這些抽象還是比較準確的。普羅大眾所知的氣候預測、蛋白質折疊之類的科研問題都可歸結于其中;而更多人關心的“元宇宙”也歸屬于模擬與數字孿生。從這個角度來看，加速計算硬件成為主角幾乎成為HPC領域的必然，因為這些應用無一不對大規(guī)模并行計算有如饑似渴的算力需求。加速計算硬件載體往上是GPU、DPU、AI芯片，往下可能還包含FPGA和更多形態(tài)的專用芯片。

摩爾定律面臨終結，最直接影響的就是CPU這類通用計算芯片的算力提升速度，這在全社會數字化轉型的大環(huán)境下是整個人類科技發(fā)展需求不能接受的。于是包括AI技術在內的更專用的加速計算越來越在大算力市場占有一席之地。

“DPU”這個形態(tài)的專用芯片興起，于HPC和超算的主要價值，在于為GPU、AI芯片為算力主體，DPU需要為不同節(jié)點的性能“聚合”和最大化性能發(fā)揮提供新的載體。DPU的存在，本身就表現出了加速計算的新趨勢。再加上“低碳化”時代走向，CPU這個形態(tài)的芯片在大算力市場正逐步被邊緣化。像Grace Superchip這類CPU的存在，更多的不過是為了兼容FORTRAN老應用罷了。

05

3D異構封裝黃金時代強勢來襲

3D異構封裝是指將單獨制造的“組件”以搭建樂高積木的形式整合到更高層次的系統(tǒng)級封裝(System in a Package)，以使整體性能提升。在該定義中，“組件”可以是任何單元，例如單顆芯片、MEMS器件、被動元件、甚至是子系統(tǒng)，涉及到材料、元件類型、電路類型、工藝節(jié)點、互連方法等眾多關鍵技術，需要代工廠、封裝廠、EDA廠商、材料廠商等供應鏈上多個環(huán)節(jié)的支持。

但系統(tǒng)級封裝并不是隨便將若干個芯片封裝在一起就可以的，而是必須滿足下列條件才行：1. 封裝后體積必須變小;2. 須整合不同類型的封裝技術;3. 必須包含各種類型的主動與被動元件。

根據Yole Developpement最新的數據，以2.5D/3D異構封裝為代表的先進封裝市場總收入在2021年達到了321億美元，預計2027年將以10%的年復合年增長率(CAGR) 達到572億美元，5G、汽車信息娛樂/高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、人工智能(AI)、數據中心和可穿戴應用的大趨勢繼續(xù)推動先進封裝向前發(fā)展。而在封裝的各個細分類別中，尤以2.5D/3D封裝市場的年復合增長率最大，將從2021年的67億美元增加到2027年的147億美元，高達14.34%。

總體而言，封裝/組裝業(yè)務正在發(fā)生范式轉變，傳統(tǒng)意義上屬于OSAT和IDM的領域，正面臨來自不同商業(yè)模式、代工廠、基板/PCB供應商的挑戰(zhàn)和蠶食。但他們彼此之間的關系并非是獨立的、排他的，畢竟，封裝的進步是多個方面創(chuàng)新的集合，并且有時需要階躍函數式的進步，以及多方面的提升，需要產業(yè)鏈上的所有合作伙伴及利益相關者共同發(fā)揮作用，以應對挑戰(zhàn)和變化。

06

兼顧低功耗大算力，存算一體方案陸續(xù)面世

在去年的10大技術趨勢預測中，我們介紹了存算一體技術兼顧功耗與大算力，在突破“存儲墻”和“功耗墻”方面較傳統(tǒng)馮·諾依曼架構有著不可比擬的優(yōu)勢，被業(yè)界和資本屆普遍看好。

2022年，存算一體無論在理論研究還是實質產品上都迎來了小爆發(fā)。2022 ISSCC上，SK海力士、臺積電等多家國際大廠發(fā)表關于存內計算存儲器IP的論文, SK海力士還發(fā)表了基于GDDR接口的DRAM存內計算成果，并展示了其首款基于存內計算技術產品GDDR6-AiM的樣本;10月份，SK海力士還推出了業(yè)界首個將計算功能與CXL存儲器相結合的CMS;三星在2022 Hotchip上披露了其HBM-PIM方案，是業(yè)界第一個可編程的PIM解決方案，Myhtic的存算一體模擬AI芯片也有了新進展。

國內專注存算一體公司有阿里達摩院、知存科技、蘋芯科技、九天睿芯、后摩智能、合肥恒爍、閃憶科技、新憶科技、杭州智芯科等。今年多家公司獲得億元級融資，用于新品研發(fā)和人才建設，其中有廠商已經實現流片甚至量產。

從目前來看，大多數廠商基于較易獲得、流片成本較低的SRAM進行開發(fā)，也有基于DDR的，不過這些易失性存儲器斷電后無法保存數據，仍面臨數據傳輸的問題。也有一部分走Flash路線的方案，雖然可以保存處理后的數據，且成本低、容量大，但存取速度慢，依然限制著未來存內計算芯片的速度。

我們預計，未來基于新型存儲器如MRAM、ReRAM才是存算一體的終極形態(tài)，他們在算力潛能、算力精度和算力效率等主要指標上有著數量級優(yōu)勢。但這些新型存儲器的技術工藝尚不成熟，只能期待在未來幾年能夠實現突破。

07

ADAS進階Level 3，“初級自動駕駛”上路

新能源汽車智能化成為主流趨勢，其核心是實現自動駕駛。自動駕駛共分5個級別，現階段以Level 2級別的ADAS(高級輔助駕駛系統(tǒng))為主，跨過Level 2級別后進入的Level 3級別可以初步稱為自動駕駛汽車。到2023年，Level 3級別的ADAS市場規(guī)模將逐步起量，到2027年有望與Level 2的市場規(guī)模持平，并不斷蠶食Level 2汽車銷量，成為全球乘用車最常見的自動駕駛汽車級別。

為此，各家廠商也在積極推動并瓜分自動駕駛市場這塊大蛋糕，比如瑞薩、恩智浦等芯片廠商開始提供相關解決方案;英偉達最新推出的算力高達2000TOPS的Thor芯片;Mobileye推出適用于自動駕駛的 EyeQUltra、EyeQ6 Light 和 EyeQ6 High SoC;高通的驍龍Ride自動駕駛解決方案瞄準中高端自動駕駛市場。

自動駕駛等級越高，意味著汽車須做出足夠快速的決策，而且其研發(fā)支出和進入壁壘更高。自動駕駛解決方案除核心 AI 芯片，還應包括連接、傳感系統(tǒng)、圖像訓練模型、ADAS 地圖開發(fā)、路線規(guī)劃、車輛控制、駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)(DMS)、自然語言處理(NLP)和智能座艙解決方案。自動駕駛芯片還必須能夠提供定制的和區(qū)域特定的算法。這些需要通過汽車 OEM 和自動駕駛芯片公司的合作來實現?？梢娮詣玉{駛芯片的進階具有更多的挑戰(zhàn)性，且投資回收期很長。

不過目前來看，隨著攝像頭和雷達等ADAS傳感器成本的下降，Counterpoint預計到2024年全球ADAS在汽車出貨量中的滲透率將達到78.7%。在電動汽車全面“起飛”之時，ADAS進階將加速且全面滲透該市場。

08

手機衛(wèi)星通信或快速普及

2022年秋季，華為在蘋果新品會之前搶先發(fā)布了具有衛(wèi)星通信功能的Mate50，以“捅破天”的方式掀起了手機衛(wèi)星通信市場之爭。在5G基本普及的情況下，華為Mate50憑著超前的衛(wèi)星通信再次成為熱門手機。

蘋果隨后也發(fā)布了同樣帶有衛(wèi)星功能的iPhone14 Pro系列，坐實了這家全球頂級廠商對于手機衛(wèi)星通信功能的重視。同時，Android 14 開發(fā)者預覽版可能會在 2023年2 月啟動。據業(yè)界分析谷歌可能通過Android 14大版本更新，引入對衛(wèi)星連接功能的支持。

在半導體產業(yè)鏈上，中國已經可以量產支持北斗短報文的衛(wèi)星通信芯片，蘋果的衛(wèi)星通信功能芯片主要依賴高通，也可以實現量產。因此，手機衛(wèi)星通信功能的軟硬件兩個因素都已具備。隨著Android 14的推出，安卓手機廠商或將在2023年下半年開始全面普及衛(wèi)星通信功能。

目前手機上的衛(wèi)星通信功能主要局限在SOS求救，華為采用北斗衛(wèi)星通信增加了軌跡功能，以數字短報文字符轉化成軌跡坐標的方式實現。類似移動通信2G時代推出的低速GPRS和EDGE，手機衛(wèi)星通信上網或許也會走這樣一條路。

另一方面，星鏈走的是一條全新的直接聯(lián)網的高速通道，但需要一個 “大鍋”轉發(fā)，這種模式只有大幅降低成本才可能普及。

與移動通信從2G進化到3G、4G一樣，低速衛(wèi)星通信上網終究只會是一種過渡形式，高速連接才是最終的道路，而這一天，或許要等到6G。

09

5G將發(fā)展到Advanced高級階段

雖然在非個人用戶的垂直行業(yè)應用上5G正在發(fā)揮作用，普羅大眾現階段對5G的感知仍然不夠強烈。這與5G發(fā)展階段仍比較初級有關。

實際2022年的手機modem才開始對R16的部分特性做出支持，包括載波聚合、新的節(jié)能特性等。3GPP確立真正的6G標準預計是在2025年前后，則6G技術應用至少要等到2030年。從另一個角度來看，這表示5G還有很長的發(fā)展時間。

2021年12月確立的Release 18，屬于5G技術發(fā)展的一次大跨步演進，是5G Advanced的首個Release版本。R18內容涵蓋了XR(擴展現實)和媒體服務器、邊緣計算、基于AI的服務、網絡自動化等。預計R18第三階段將于2023年凍結。

除了節(jié)能、網絡覆蓋、遷移支持、MIMO、頻譜彈性化利用等特性的加強，R18的一大價值在行業(yè)數字化的加強上：包括工業(yè)互聯(lián)網、能源互聯(lián)網、采礦業(yè)、港口、醫(yī)療健康、運輸等都需要網絡來提供差異化的業(yè)務體驗，提供針對業(yè)務結果的明確的服務品質協(xié)議(SLA)保證。

5G Advanced考慮多樣化需求，以期滿足多樣化和復雜的業(yè)務環(huán)境，總的來說有三大特性：AI、聚合、服務。AI用于網絡規(guī)模持續(xù)增長過程中在各層級提供智能的技術支持;而聚合是指不同訪問模式、網絡的聚合，包括各行各業(yè)的網絡;使能則指5G在各行各業(yè)的應用，5G從基礎設施演變?yōu)橘x能服務。

5G Advanced的確立和應用可能會成為前些年5G剛剛問世時，人們對于5G技術未能實現的場景的最終落地。

10

硅光芯片用途多，成“超越摩爾”新看點

后摩爾時代芯片工藝主要分為三大路線，一是繼續(xù)優(yōu)化CMOS工藝的“延續(xù)摩爾”路線，二是利用先進封裝技術實現系統(tǒng)級封裝的“擴展摩爾”路線，三是通過新材料新器件實現的“超越摩爾”路線。

“硅光技術”屬于第三條路，通過傳統(tǒng)微電子?CMOS?工藝實現光電子器件和微電子器件的單片集成。由于光子彼此間的干擾少，芯片間及芯片內光互聯(lián)可以承載更多的信息和傳輸更遠的距離，提供相較于電子芯片高兩個數量級的計算密度與低兩個數量級的能耗。此外相較于量子芯片，光子芯片不需要改變二進制的架構，能夠延續(xù)當前的計算機體系。

應用方面，大型分布式計算、大數據分析、云原生應用等數據中心相關場景，以及人工智能等對算力要求極高的計算場景，硅光芯片的價值均能得到很好的體現。而且相比普通光模塊，硅光模塊具有低功耗、高集成和高速率等優(yōu)勢，能夠顯著降低需要大量光模塊的數據中心成本。

從產業(yè)鏈進展看，全球硅光產業(yè)鏈已經逐漸成熟，美國企業(yè)占據了硅光芯片和模塊出貨量龍頭位置。國內廠商進入該領域較晚，市場份額相對較小，但也在硅基關鍵光電子集成器件等方面取得了一系列重要成果。

利用不同種材料發(fā)揮其各自光電特性優(yōu)勢的硅基光電異質集成技術是近年來的趨勢，目前主要采用基于?SOI(絕緣襯底上硅)襯底的制造平臺，已能實現探測器與調制器的單片集成。不過硅材料本身的光電性能、光計算的精度以及硅光芯片的設計、封裝等環(huán)節(jié)尚未標準化和規(guī)?；?，仍有待解決。

來源：電子工程專輯 ，作者：ASPENCORE

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