算力需求大爆發時期,傳統的晶片產業發展邏輯已經發生變化:
產業發力焦點已經從過去聚焦於單項環節的技術能力突破,轉向產業縱深協同發力,進而推動半導體系統性整合能力的全面提升。
圍繞系統級最佳化的技術突破正在發生。
華為近期提出的“韜定律”(τ定律),就是跳出了單純依賴製程微縮的傳統思路。這一理念與產業界正在探索推進的3D封裝、玻璃基板、光電融合等技術路線也高度契合。
後摩爾定律時代,產業界已經在圍繞這些方向尋求突圍。
產業邏輯蝶變
隨著算力需求急速提升,半導體產業鏈各個環節傳統的價值邏輯已經在深刻變遷。
在近日舉行的“未來半導體生態大會·半導體封裝測試暨玻璃基板生態展”期間,SEMI中國總裁馮莉分析道,AI算力的爆發式增長對晶片性能提出了前所未有的挑戰。近期面對摩爾定律發展中遇到的物理和成本瓶頸,華為提出τ(“韜”)定律,跳出了單純依靠製程微縮的傳統思路,以時間域最佳化為核心,依託邏輯折疊、微通孔、混合鍵合等技術,在現有的製程下提升了電晶體密度、降低了訊號延遲。
“這一理念與產業鏈在探討的3D封裝、玻璃基板以及先進封裝、光互連等技術路線相契合,也讓以時間縮放為核心的技術,演進為繼依靠製程微縮之外產業發展的新引擎。”她進一步分析道。
邁為技術副總經理兼CTO陳萬群也指出,“韜定律”的核心技術思路,是通過“邏輯折疊”和“全端時間最佳化”,在器件、電路、架構和系統四個層面同時降低延遲。
晶片性能的本質體現是計算速度,決定速度的是電路的時間常數τ(也即訊號傳輸的延遲)。韜定律的要義是,在電晶體密度增長受限背景下,讓訊號在電晶體、邏輯閘、模組之間的傳輸路徑變得更短、更高效。在其中,先進封裝是繞不開的重要一環。
這也意味著,傳統意義上處在產業鏈偏後端的封裝環節,其價值地位正日益提升。
中國半導體行業協會副秘書長兼封測分會秘書長徐冬梅就指出,隨著AI相關應用需求快速增長,先進封裝不再是半導體工藝製程落地的補充,而是延續摩爾定律、提升晶片性能、降低成本的核心路徑,更是中國半導體產業突破外部制約、建構自主生態的戰略突破口。
由此,圍繞系統級協同最佳化,產業界在積極尋求解決方案。
宏茂微電子首席科學家郭一凡指出,過去很長時間,業界都是通過縮短距離來提升速度與整合密度,由此提升算力。但進入後摩爾定律時代,算力供給出現瓶頸,產業目前亟待解決的是互聯問題,也即在多晶片整合過程中,讓片間互聯速度達到或接近單晶片互聯速度。因此,通過多晶片封裝整合來提供更多系統算力是重要方向。
這從輝達的發展路線可窺一斑,無論是HBM與GPU之間形成的高頻寬互聯,還是GPU之間的高頻寬互聯,最終目標是從系統層面提高速度,以提供更多算力——這意味著,算力晶片的競爭核心,已經從過去主要依賴單顆晶片工藝製程的提升,轉向多顆晶片的系統級整合和最佳化。
這與華為此前提出的“韜定律”思路接近,也即通過縮短時間和距離,最終逐漸滿足計算速度更快、產生算力更大的需求。本質上是借力異構整合和系統最佳化,滿足單位時間和單位功率條件下,輸出更多算力的需求。
對於先進封裝行業的趨勢,郭一凡作出研判:高頻寬互聯異構整合已成為提升AI系統級算力的最佳途徑;隨著對系統算力需求的不斷提升,3D堆疊將被廣泛應用;超節點結構對封裝模組的尺寸要求不斷提高,催生板級2.5D封裝需求;AI推理需求的增加將催生更多儲存器件進入先進封裝模組。
光電融合走到那一步
光電融合目前的發展正契合這一趨勢。
在高速的AI計算和應用需求背景下,業界一致認為,當前算力密度與互聯頻寬的矛盾正日益尖銳。
增芯科技全球商務中心副總裁嚴然算了一筆帳:傳統伺服器端可插拔光模組的方案雖然部署靈活,但要達到1.6T傳輸速率,功耗約為30瓦;而隨著AI Agent引發的算力需求爆發式增長,如果沿用該方案,其產生的功耗將是天文數字。
這也是業界對光電融合(CPO,Co-Packaged Optics)應用需求迫切的核心原因。
所謂CPO,本質上是利用異構整合技術,將光引擎(EIC+PIC)與交換ASIC封裝在同一個基板上。其長期目標是,將光引擎與處理器、記憶體整合,實現資料中心更高的頻寬和能效。
嚴然指出,光電融合架構下,才能更好滿足1.6T傳輸速率且功耗降至2瓦以下的能耗要求。
目前業界推進的光電融合分為三個階段:
- 第一代技術路線即可插拔光模組,其形態為一個獨立元件,可以直接插在交換機連接埠,但瓶頸在於長距離傳輸損耗大造成高功耗,同時佔用空間大也限制了連接埠密度;
- 第二代技術路線近封裝光學(NPO)被視為過渡方案,將光引擎通過Socket(插槽)緊密安裝在主機板上,縮短與ASIC晶片的物理距離,這可以滿足從800G到1.6T的傳輸速率需求;
- 下一代主流技術方案則是光電協同封裝(CPO),通過將光引擎與計算晶片直接整合在同一封裝基板上,將物理整合度大幅提升,其優勢在於將電訊號傳輸壓縮至毫米級,能保證在提升訊號完整性的同時降低功耗。
接受採訪時,嚴然分析道,其中NPO方案有望在2026-2027年間迎來市場峰值,逐漸取代可插拔光模組路線。“因為從可插拔路線到NPO路線,功耗將是從30W到9W左右的大幅降低,這個方向很值得去做。”她補充指出,當然後續要進一步針對功耗等層面進行最佳化,要讓三種方案都達到1.6T的速率要求並向上突破,行業最終會走向CPO路線。
而在光模組光源方面,近期市場高度關注Micro-LED技術的落地應用。行業分析認為,該技術尤其適合短距離、超低功耗和超高密度的晶片間通訊,能滿足傳統光模組難以兼顧的功耗和密度需求。
對此,嚴然對21世紀經濟報導記者分析,雖然Micro-LED技術在MR眼鏡領域面臨良率瓶頸,但這是由於智能眼鏡對尺寸的要求遠比光模組嚴格,該技術在光通訊領域應用時不會面臨類似困境。CPO目前面臨的核心技術難點在於,需要將LED和發射端、接收端、演算法完全整合在一塊晶片上。但目前業界尚未提出適合的解決方案,這仍需要Micro-LED供應方與光模組、光耦合等產業鏈廠商共同推進研發適配。
根據集邦諮詢預估,CPO/NPO市場規模將於2030年突破390億美元,且2028至2029年間的成長動能將隨Scale-up開始匯入光互連後急劇增長。同時,可插拔光模組市場規模仍可於2030年保持近260億美元的水平,顯示未來光互連並非由單一技術路線主宰,而將依據功耗、距離、成本、成熟度與供應鏈控制權,在不同應用場景中形成多技術平行的發展格局。
無論是華為提出“韜定律”,還是業界探索的一系列系統性創新,都指向後摩爾定律時期,中國半導體產業正經歷一場從“製程主導”到“系統協同”的變革,產業共識已經浮現。 (21tech)
