真正的瓶頸-CoWoS 《下一個(gè)風(fēng)口？》

盡管Nvidia試圖大幅增加產(chǎn)量，最高端的Nvidia GPU H100將一直售罄到明年第一季度。

真正的瓶頸是CoWoS容量。CoWoS是臺(tái)積電的一種“2.5D”封裝技術(shù)，其中多個(gè)有源硅芯片(通常的配置是邏輯和HBM堆棧）集成在無(wú)源硅中介層上。中介層充當(dāng)頂部有源芯片的通信層。然后將內(nèi)插器和有源硅連接到包含要放置在系統(tǒng)PCB上的I/O的封裝基板。

HBM和CoWoS是相輔相成的。HBM的高焊盤數(shù)和短跡線長(zhǎng)度要求需要2.5D先進(jìn)封裝技術(shù)，如CoWoS，以實(shí)現(xiàn)這種密集的短連接，這在PCB甚至封裝基板上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。CoWoS是主流封裝技術(shù)，以合理的成本提供最高的互連密度和最大的封裝尺寸。由于目前幾乎所有的HBM系統(tǒng)都封裝在Co Wos上，所有先進(jìn)的人工智能加速器都使用HBM，因此幾乎所有領(lǐng)先的數(shù)據(jù)中心GPU都是臺(tái)積電封裝在Co Wos上的。

雖然3D封裝技術(shù)，如臺(tái)積電的SoIC可以直接在邏輯上堆疊芯片，但由于熱量和成本，它對(duì)HBM沒(méi)有意義。SoIC在互連密度方面處于不同的數(shù)量級(jí)，更適合用芯片堆疊來(lái)擴(kuò)展片內(nèi)緩存，這一點(diǎn)可以從AMD的3D V-Cache解決方案中看出。AMD的Xilinx也是多年前將多個(gè)FPGA芯片組合在一起的第一批CoWoS用戶。

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(jí)計(jì)算和FPGA，但絕大多數(shù)CoWoS需求來(lái)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(chǎng)的疲軟意味著有足夠的閑置空間來(lái)吸收GPU需求的巨大增長(zhǎng)，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(zhǎng)，供應(yīng)鏈中的這些部分無(wú)法跟上并成為GPU供應(yīng)的瓶頸。

臺(tái)積電首席執(zhí)行官魏哲家表示：“就在最近這兩天，我接到一個(gè)客戶的電話，要求大幅增加后端容量，特別是在CoWoS中。我們?nèi)栽谠u(píng)估這一點(diǎn)。”

臺(tái)積電一直在為更多的封裝需求做好準(zhǔn)備，但可能沒(méi)想到這一波生成式人工智能需求來(lái)得如此之快。6月，臺(tái)積電宣布在竹南開(kāi)設(shè)先進(jìn)后端晶圓廠6。該晶圓廠占地14.3公頃足以容納每年100萬(wàn)片晶圓的3DFabric產(chǎn)能。這不僅包括CoWoS，還包括SoIC和InFO技術(shù)。

有趣的是，該工廠比臺(tái)積電其他封裝工廠的總和還要大。雖然這只是潔凈室空間，遠(yuǎn)未配備齊全的工具來(lái)實(shí)際提供如此大的容量，但很明顯，臺(tái)積電正在做好準(zhǔn)備，預(yù)計(jì)對(duì)其先進(jìn)封裝解決方案的需求會(huì)增加。

確實(shí)有點(diǎn)幫助的是，在Wafer級(jí)別的扇出封裝能力(主要用于智能手機(jī)SoC)方面存在不足，其中一些可以在CoWoS過(guò)程中重新使用。特別是有一些重疊的過(guò)程，如沉積，電鍍，反磨，成型，放置，和RDL形成。我們將通過(guò)CoWoS流程和所有的公司誰(shuí)看到了積極的需求，因?yàn)樗谝粋€(gè)后續(xù)部分。設(shè)備供應(yīng)鏈中存在著有意義的轉(zhuǎn)變。

還有來(lái)自英特爾、三星和OSAT的其他2.5D封裝技術(shù)(如ASE的FOEB)，CoWoS是唯一在大容量中使用的技術(shù)，因?yàn)門SMC是人工智能加速器的最主要的晶圓廠。甚至英特爾哈巴納的加速器都是由臺(tái)積電制造和封裝的。

CoWoS變體

CoWoS有幾種變體，但原始CoWoS-S仍然是大批量生產(chǎn)中的唯一配置。這是如上所述的經(jīng)典配置:邏輯芯片+HBM芯片通過(guò)帶有TSV的硅基中介層連接。然后將中介層放置在有機(jī)封裝基板上。

硅中介層的一項(xiàng)支持技術(shù)是一種稱為“掩模版縫合”的技術(shù)。由于光刻工具狹縫/掃描最大尺寸，芯片的最大尺寸通常為26mmx33mm。隨著GPU芯片本身接近這一極限，并且還需要在其周圍安裝HBM，中介層需要很大，并且將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這一標(biāo)線極限。臺(tái)積電解決了這與網(wǎng)線拼接，這使他們的模式插入式多次的刻線限制(目前最高3.5倍與AMD MI 300)。

CoWOS-R使用在具有再分布層（RDL）的有機(jī)襯底上，而不是硅中間層。這是一個(gè)成本較低的變體，犧牲的I/O密度，由于使用有機(jī)RDL，而不是基于硅的插入物。正如我們已經(jīng)詳細(xì)介紹的，AMD的MI300最初是在CoWoS-R上設(shè)計(jì)的，但我們認(rèn)為，由于翹曲和熱穩(wěn)定性問(wèn)題，AMD不得不使用CoWoS-S。

CoWoS-L預(yù)計(jì)將在今年晚些時(shí)候推出，它采用RDL內(nèi)插器，但包含有源和/或無(wú)源硅橋，用于嵌入內(nèi)插器中的管芯到管芯互連。這是臺(tái)積電的相當(dāng)于英特爾的EMIB封裝技術(shù)。這將允許更大的封裝尺寸，因?yàn)楣璨迦胛镌絹?lái)越難以擴(kuò)展。MI300 Co WO S-S可能是一個(gè)單一的硅插入器的限制附近。

這將是更經(jīng)濟(jì)的更大的設(shè)計(jì)去與CoWoS-L臺(tái)積電正在研究一個(gè)CoWoS-L的超級(jí)載波內(nèi)插器在6倍分劃板的大小。對(duì)于CoWOS-S，他們沒(méi)有提到 4x reticle 之外的任何內(nèi)容。這是因?yàn)楣璨迦胛锏拇嗳跣浴＿@種硅中間層只有100微米厚，在工藝流程中，隨著中間層尺寸的增大，存在分層或開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

據(jù) DigiTimes 報(bào)道，臺(tái)積電正在加快與后端設(shè)備供應(yīng)商的合作，因?yàn)樗_(kāi)始了晶圓基板上芯片（CoWoS）封裝產(chǎn)能的擴(kuò)張計(jì)劃。英偉達(dá)在人工智能和高性能計(jì)算領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位的計(jì)算GPU短缺，主要?dú)w因于臺(tái)積電有限的CoWoS封裝生產(chǎn)能力。

有報(bào)道稱，臺(tái)積電計(jì)劃到 2023 年底將其目前的 CoWoS 產(chǎn)能從每月 8,000 片晶圓增加到每月 11,000 片晶圓，然后到 2024 年底增加到每月 14,500 至 16,600 片晶圓左右。此前有傳言稱英偉達(dá)將提高 CoWoS 產(chǎn)能到 2024 年底，每月生產(chǎn) 20,000 片晶圓。請(qǐng)記住，這些信息來(lái)自非官方來(lái)源，可能不準(zhǔn)確。

Nvidia、亞馬遜、博通、思科和賽靈思等主要科技巨頭都增加了對(duì)臺(tái)積電先進(jìn) CoWoS 封裝的需求，并消耗了他們能獲得的每一片晶圓。據(jù) DigiTimes 報(bào)道，臺(tái)積電因此被迫重新訂購(gòu)必要的設(shè)備和材料。人工智能服務(wù)器的產(chǎn)量顯著增加，刺激了對(duì)這些先進(jìn)封裝服務(wù)本已強(qiáng)烈的需求。

Nvidia 已經(jīng)預(yù)訂了臺(tái)積電明年可用 CoWoS 產(chǎn)能的 40%。然而，報(bào)告稱，由于嚴(yán)重短缺，Nvidia 已開(kāi)始探索與其二級(jí)供應(yīng)商的選擇，向 Amkor Technology 和聯(lián)華電子 (UMC) 下訂單，盡管這些訂單相對(duì)較小。

臺(tái)積電還開(kāi)始實(shí)施戰(zhàn)略變革，例如將其部分 InFO 產(chǎn)能從臺(tái)灣北部龍?zhí)豆S重新分配到臺(tái)灣南部科學(xué)園區(qū) (STSP)。它還在快速推進(jìn)龍?zhí)痘氐臄U(kuò)建。此外，臺(tái)積電正在增加其內(nèi)部 CoWoS 產(chǎn)量，同時(shí)將部分 OS 制造外包給其他封裝和測(cè)試 (OSAT) 公司。例如，Siliconware Precision Industries (SPIL) 就是這一外包計(jì)劃的受益者之一。

臺(tái)積電前段時(shí)間開(kāi)設(shè)了先進(jìn)后端 Fab 6 工廠。它將擴(kuò)大其前端 3D 堆疊 SoIC（CoW、WoW）技術(shù)和后端 3D 封裝方法（InFO、CoWoS）的先進(jìn)封裝產(chǎn)能。目前，該晶圓廠已為 SoIC 做好準(zhǔn)備。先進(jìn)后端 Fab 6 每年可處理約 100 萬(wàn)片 300 毫米晶圓，每年進(jìn)行超過(guò) 1000 萬(wàn)小時(shí)的測(cè)試，其潔凈室空間大于臺(tái)積電所有其他先進(jìn)封裝設(shè)施的潔凈室空間總和。

Advanced Backend Fab 6 最令人印象深刻的功能之一是廣泛的五合一智能自動(dòng)化物料搬運(yùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制生產(chǎn)流程并立即檢測(cè)缺陷，從而提高良率。這對(duì)于 AMD MI300 等復(fù)雜的多小芯片組件至關(guān)重要，因?yàn)榉庋b缺陷會(huì)立即導(dǎo)致所有小芯片無(wú)法使用，從而導(dǎo)致重大損失。該工廠的數(shù)據(jù)處理能力比平均速度快 500 倍，可以維護(hù)全面的生產(chǎn)記錄并跟蹤其處理的每個(gè)芯片。

Nvidia 將 CoWoS 用于其非常成功的 A100、A30、A800、H100 和 H800 計(jì)算 GPU。AMD 的 Instinct MI100、Instinct MI200/MI200/MI250X 以及即將推出的 Instinct MI300 也使用 CoWoS。

審核編輯：劉清