美国限制高端光刻机之后,中国芯片没有停在7nm的门口,而是把竞争重点转向了先进封装。围绕Chiplet、2.5D和3D封装展开的投资,规模被推到了4000亿元左右。
这意味着什么?简单说,过去大家比的是谁能把晶体管做得更小,现在还要比谁能把多颗芯片组合得更好,谁能让算力、内存和数据传输形成一个高效系统。
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芯片行业曾经相信,只要不断缩小晶体管,性能就能持续提升。130nm、65nm、28nm、7nm,一路走下来,摩尔定律成了整个行业的导航图。
但到了3nm和2nm,难题开始集中出现,晶体管距离越来越近,漏电、散热和功耗都在上升。一张3nm晶圆的代工价格可能超过2万美元,大型芯片的面积越大,碰上缺陷的概率也越高。
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一颗接近800平方毫米的单体大芯片,良率可能只有20%到30%。也就是说,生产十颗,可能有七八颗无法正常使用。这样的成本压力,连资金充足的科技巨头也难以忽视。
问题来了,既然一颗巨型芯片不好做,为什么不把它拆开?
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Chiplet的思路并不复杂,把最需要性能的计算部分交给先进制程,把接口、电源管理和其他功能交给28nm、14nm等成熟制程,最后通过先进封装把它们组合起来。
这样做的好处很直接,小芯片更容易做出高良率,成熟制程也不用被迫升级,企业可以把钱花在真正关键的位置。芯片不再是一个孤零零的大铁块,而更像一套可以组合的模块。
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AMD早在2017年之后就大规模采用了这种方式,把多颗计算芯粒和一颗I/O芯粒组合起来,服务器处理器的制造成本明显下降,产品性能也得到提升。后来,苹果在M1 Ultra中用UltraFusion把两颗M1 Max连接起来,芯片之间的带宽达到2.5TB/s,系统使用时仍然像一颗完整的大芯片。
这条路并不是只适合电脑和服务器。2022年,AMD推出搭载3D V-Cache的处理器,把额外缓存堆到计算芯片上,游戏性能得到提升。它说明芯片的性能提升,不一定非要依靠晶体管继续缩小,增加高速缓存和改善数据路径,同样可以带来实际效果。
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先进封装真正解决的,是数据搬运问题。
人工智能芯片需要不断从内存读取数据,很多时候不是计算单元不够快,而是数据送不过来。普通DDR5内存的单个通道位宽为64bit,而HBM通过更宽的连接靠近GPU,互连位宽可以达到1024bit,甚至更高,传输速度进入TB/s级别。
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在芯片内部,TSV硅通孔技术还能把数据从一层直接送到另一层,不必绕很长的平面线路。说白了,传统芯片像是在一层楼里铺路,3D封装则是在楼层之间修电梯,数据少绕路,延迟和能耗都有机会下降。
这也是4000亿元投资受到关注的原因。先进封装已经不只是传统意义上的封装和测试,企业需要采购用于重布线的光刻设备、用于打孔的刻蚀设备、CMP研磨设备和键合设备,部分封测厂正在向半导体制造环节靠近。
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谁掌握了封装产能,谁就更有机会把AI芯片真正交付出去。过去几年,英伟达H100、B200等产品面对的瓶颈,不只是晶圆制造,台积电CoWoS封装产能同样紧张,月产能从1.5万片扩大到6万片以上,仍然难以完全满足需求。
这给中国企业留下了一个清晰方向。除了扩大封装设备产能,还要补上ABF载板、键合胶等材料短板,为华为昇腾、寒武纪等本土芯片提供规模化生产条件。
不过,先进封装不是万能钥匙。3nm和2nm依然在手机处理器、低功耗设备和高性能计算中拥有优势,晶体管越小,单位面积塞入的计算能力仍然可能更高。Chiplet也会增加设计难度,芯粒之间的通信、散热、供电和软件适配,都需要长期积累。
所以,真正的变化不是中国已经完全绕开了先进制程,而是产业竞争多了一条重要路径。平面微缩受限之后,芯片开始向系统整合、立体堆叠和高带宽连接转移。
美国限制的是一部分设备和工艺,中国企业押注的却是另一套工业能力。未来算力比拼,看的不只是单颗芯片能做到几纳米,还要看多颗芯片能不能稳定组合,封装能不能大规模生产,整机能不能按时交付。
芯片竞争正在从单兵突进变成协同作战。谁能把材料、设备、封装、芯片设计和应用场景连成一条线,谁才更可能在下一轮算力竞争中站稳脚跟。
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