整個2023年，半導(dǎo)體行業(yè)下行期的陰霾似乎仍未散去，但業(yè)界已經(jīng)看到了一絲曙光。年初ChatGPT的橫空出世，引爆了全球?qū)τ谏墒?a href="http://www.xsypw.cn/v/tag/150/" target="_blank">人工智能(AIGC)的追捧。AI和大模型的興起催生多元化的落地場景，為數(shù)據(jù)中心、汽車電子等應(yīng)用帶來極大助益的同時，也對芯片算力、能效、存儲和集成度等提出了新的挑戰(zhàn)。

但也是這些挑戰(zhàn)，也刺激了半導(dǎo)體從材料、設(shè)計、制造到封裝技術(shù)本身的發(fā)展。在第三代半導(dǎo)體碳化硅、氮化鎵開始大面積商用后，第四代半導(dǎo)體氧化鎵開始嶄露頭角;AI芯片借助大模型東風(fēng)，成為各大芯片廠乃至整機廠自研角力的主戰(zhàn)場;為了獲得更大算力和更快的存儲速度，Chiplet、3D-IC、HBM以及一系列新型存儲器的商用也在提上日程;就連一直被稱為“實驗室技術(shù)”的可編程光計算，也開始躍躍欲試取代GPU中的線性計算部分。

AspenCore全球分析師團隊在這一年中與業(yè)內(nèi)專家和廠商交流，總結(jié)分析后挑選出了2024年全球半導(dǎo)體行業(yè)將出現(xiàn)或高速發(fā)展的10大技術(shù)趨勢，供大家參考。

趨勢一：AI芯片為生成式AI加速

2023年對AI而言是個大年，臨近2022年底到2023年初，以ChatGPT為代表的生成式AI在應(yīng)用端爆發(fā)。“生成式AI”(或被稱作AIGC)這個詞在2023年被大肆提及，仿佛“生成式AI”是此前所謂“強AI”時代的序幕。實際上，英偉達為數(shù)據(jù)中心GPU特別加入Transformer引擎并不是2023年的事情，但顯然這一提早布局為生成式AI的底層算力加速提供了基礎(chǔ)。

之所以形容生成式AI為“爆發(fā)”，從芯片角度來看，在GPT、Stable Diffusion等模型出現(xiàn)后不久，全球幾乎所有面向數(shù)據(jù)中心的大算力AI芯片——無論訓(xùn)練還是推理，相關(guān)企業(yè)的市場似乎就改寫了劇本，幾乎家家戶戶都在宣傳自家芯片能夠為生成式AI提供算力，且為不同的大模型達成合作或支持。2023年的WAIC世界人工智能大會幾乎就是生成式AI專場。

不僅是數(shù)據(jù)中心，邊緣與端側(cè)的AI芯片企業(yè)也在接踵摩肩地談生成式AI概念。從Intel為來年AI PC鋪設(shè)了半年的宣傳——2024年的PC處理器也將全面集成專用的AI加速單元，到2023年底聯(lián)發(fā)科高喊手機生成式AI芯片——手機也能在本地推理生成式AI模型，甚至部分做嵌入式應(yīng)用的芯片企業(yè)也在談生成式AI。

事實上，即便不談生成式AI，它帶來的AI旋風(fēng)也極大程度再度帶動了邊緣AI的熱潮：包括TI、瑞薩、英飛凌在內(nèi)的傳統(tǒng)MCU/MPU制造商都再度強調(diào)了邊緣AI當(dāng)下的巨大價值。這種風(fēng)潮，以及生成式AI在數(shù)據(jù)中心和PC/手機上的大熱，都將延續(xù)到2024年，并得到更進一步的發(fā)展，甚至在應(yīng)用端發(fā)力時，為全社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來更多的可能性。

趨勢二：用Chiplet技術(shù)支持算力擴展成為主流趨勢

隨著摩爾定律放緩，以及AI、自動駕駛、數(shù)據(jù)中心等新的應(yīng)用端對存儲力、算力提出更高的要求，單靠先進芯片工藝的不斷演進已難以為繼，Chiplet和三維異構(gòu)集成，將為突破集成電路發(fā)展瓶頸提供新的增長驅(qū)動力。2023年，在臺積電、三星、Intel等芯片巨頭，以及產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的推動下，Chiplet產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)逐漸完善，形成了由Chiplet系統(tǒng)級設(shè)計、EDA/IP、芯粒(核心、非核心、IO Die、Base Die)、制造、封測組成的完整Chiplet生態(tài)鏈。

目前，全球半導(dǎo)體科技巨頭均在積極推出包含Chiplet的產(chǎn)品，比如特斯拉Dojo深度學(xué)習(xí)和模型訓(xùn)練芯片、AMD MI300 APU加速顯卡、英偉達Ampere A100 GPU等。國內(nèi)算力芯片廠商亦在跟進布局。2024年，隨著AI大模型不斷發(fā)展，采用Chiplet技術(shù)來定制高效擴展算力將成為主流趨勢，未來還將運用在板級多芯片互連甚至更大規(guī)模的多板多機柜互連方案中。

不過，盡管Chiplet正成為滿足當(dāng)下算力需求的關(guān)鍵技術(shù)之一，但仍然面臨諸多設(shè)計挑戰(zhàn)，比如互連、散熱、良率、翹曲、無源器件集成、寄生效率、成本、可靠性等。通過封裝技術(shù)才能有效實現(xiàn)多Chiplet的集成，包括高密度先進封裝的設(shè)計、生產(chǎn)、驗證，高速通道的設(shè)計、驗證，供電方案、散熱方案、應(yīng)力方案、可靠性等。同時，Chiplet應(yīng)用的局限性依然明顯，主要在于Chiplet仍以國際大廠的垂直體系為主，相關(guān)設(shè)計系統(tǒng)相對封閉，且仍有待完善互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。

趨勢三：HBM，價量齊升

隨著人工智能/機器學(xué)習(xí)(AI/ML)在全球范圍內(nèi)的迅速興起，2020年，以高帶寬內(nèi)存(HBM、HBM2、HBM2E、HBM3)為代表的超帶寬解決方案開始逐漸顯露頭角。進入2023年后，以ChatGPT為代表的生成式人工智能市場的瘋狂擴張，在讓AI服務(wù)器需求迅速增加的同時，也帶動了HBM3等高階產(chǎn)品的銷售上揚。

Omdia研究顯示，從2023年到2027年，HBM市場收入的年增長率預(yù)計將飆升52%，其在DRAM市場收入中的份額預(yù)計將從2023年的10%增加到2027年的近20%。而且，HBM3的價格大約是標(biāo)準(zhǔn)DRAM芯片的5-6倍，這就是為什么2023年HBM出貨量僅占DRAM總出貨量的1.7%，但其銷售額比例卻達到了11%，英偉達、AMD、微軟、亞馬遜等芯片大廠排隊搶貨，甚至溢價也可考慮的原因。

HBM技術(shù)于2013年推出，是一種高性能3D堆棧DRAM構(gòu)架，數(shù)據(jù)傳輸速率大概可以達到1Gbps左右。此后，該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差不多每隔2-3年就會更新一代，使得第二代(HBM2)、第三代(HBM2E)、第四代(HBM3)和第五代(HBM3E)產(chǎn)品的帶寬和最高數(shù)據(jù)傳輸速率記錄被不斷刷新。鑒于同期內(nèi)其他產(chǎn)品的帶寬僅增加兩到三倍，我們有理由將HBM產(chǎn)品的快速發(fā)展歸功于存儲器制造商之間激烈的競爭。

目前來看，作為一項重要的技術(shù)創(chuàng)新，HBM的發(fā)展前景是相當(dāng)光明的，尤其是在人工智能訓(xùn)練應(yīng)用中。但對比GDDR DRAM動輒16/18Gbps的速率，HBM3的速率即便達到9.2Gbps，也仍然存在差距，而限制HBM發(fā)展的原因則主要來自兩方面：一是中介層，二是3D堆疊帶來的復(fù)雜性和制造成本的增加。但我們相信，隨著全球存儲巨頭的深度介入，上述挑戰(zhàn)終將得到解決，HBM市場的激戰(zhàn)也會愈演愈烈。

趨勢四：衛(wèi)星通信技術(shù)邁出一大步，6G已具雛形

在去年的預(yù)測中，我們提到手機衛(wèi)星通信技術(shù)將在2023年開始全面鋪開。如今這項技術(shù)在華為對射頻天線技術(shù)的攻克之下，再度往前邁出了一大步。隨著華為Mate60Pro系列的推出，手機行業(yè)從點對點、單向的衛(wèi)星短消息模式進入了衛(wèi)星通話時代。

以往，人們主要注重5G及其芯片，忽略了衛(wèi)星通訊。當(dāng)前，以華力創(chuàng)通、海格等一系列研發(fā)衛(wèi)星通訊芯片的公司得到了迅猛發(fā)展。

在SoC方面，紫光展銳也推出了首款5G衛(wèi)星通信芯片V8821，符合IoT NTN R17標(biāo)準(zhǔn)，支持L頻段海事衛(wèi)星以及S頻段天通衛(wèi)星，并且可擴展支持接入其它NTN衛(wèi)星系統(tǒng)，能夠提供數(shù)據(jù)傳輸、文字消息、通話和位置共享等功能，除了可用在智能手機直連衛(wèi)星上以外，還可用于物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴產(chǎn)品、車聯(lián)網(wǎng)等。

聯(lián)發(fā)科也在MWC2023大會上，推出了MT6825 IoT-NTN芯片組，可連接地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星，易于轉(zhuǎn)換為3GPP NTN標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)使用。2023年8月，聯(lián)發(fā)科發(fā)布最新衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)整合為題的6G NTN技術(shù)白皮書，未來將通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的兼容互補，打造陸海空全地形、全空間的立體網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，為使用者提供無縫智聯(lián)的通信服務(wù)。

至此，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)在手機和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的不斷突破，未來的6G已具雛形。2024，將是衛(wèi)星通信技術(shù)全面開花的一年。

趨勢五：氧化鎵商業(yè)化進程腳步將至

當(dāng)前，寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展勢如破竹，其中，作為第四代半導(dǎo)體的氧化鎵已經(jīng)逐步嶄露頭角。相比金剛石、氧化鋁等同是第四代半導(dǎo)體來說，氧化鎵已經(jīng)可以實現(xiàn)更大晶圓尺寸的突破，有數(shù)據(jù)預(yù)測到2023年氧化鎵的市場規(guī)模有望超過氮化鎵器件的規(guī)模。

氧化鎵有五種已確認的結(jié)晶形態(tài)，其中最為穩(wěn)定的是β-氧化鎵，當(dāng)前大部分研究和開發(fā)也是針對β-氧化鎵進行，氧化鎵擁有高擊穿場強的特性，導(dǎo)通電阻比氮化鎵、碳化硅低得多，能有效降低器件的導(dǎo)通損耗。

氧化鎵的生長過程可以使用常壓下的液態(tài)熔體法，在制造生產(chǎn)上具有成本優(yōu)勢。當(dāng)前氧化鎵的發(fā)展前景日益凸顯，該市場由日本的Novel Crystal Technology(NCT)和Flosfia兩大巨頭占據(jù)主要市場。當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)成功量產(chǎn)4英寸氧化鎵晶圓，在未來幾年將有望擴大至6英寸。同時，β-氧化鎵肖特基二極管的商業(yè)化開發(fā)進程在不斷加速。

在功率電子市場，氧化鎵與氮化鎵和碳化硅的應(yīng)用有所重合，目前車規(guī)級功率器件的上車率已經(jīng)在逐年遞增，這也為氧化鎵提供更大的應(yīng)用場景的機會。從短期來看，在消費電子、家電以及高可靠、高性能的工業(yè)電源等也具備很大的潛力。雖然氧化鎵帶來了新的可能性，但碳化硅和氮化鎵等材料也擁有過其獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用領(lǐng)域。隨著科研技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用場景的不斷拓展，氧化鎵在半導(dǎo)體領(lǐng)域有望發(fā)揮更大的重要性。

趨勢六：上下游積極推進3D-IC商用進程

過去50多年，摩爾定律牽引著整個半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，如今由于先進工藝升級變緩，研發(fā)成本高昂，無法像過去那樣每18~24個月帶動晶體管集成的數(shù)量翻倍，導(dǎo)致半導(dǎo)體性能提升面臨瓶頸。不過好在先進封裝仍在持續(xù)演進，從1970年的MCM到SiP，再到2.5D和現(xiàn)在的3D-IC、異構(gòu)集成，為半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新打開了另一扇大門。

幾年前出現(xiàn)的PCB板級封裝3D-IC，已經(jīng)不是什么新鮮事，如今大家討論的是兩個晶圓堆疊(WoW)的3D-IC，只有這樣芯片間通信的帶寬才會更大。但目前3D-IC仍未實現(xiàn)大面積商用，主要面臨兩個最大挑戰(zhàn)：散熱問題;芯片表面張力問題。

復(fù)雜、緊湊、密度增大，導(dǎo)致3D-IC內(nèi)部熱量比傳統(tǒng)2D芯片更難散出，不同工藝的晶粒堆棧之間，產(chǎn)生的應(yīng)力也是千奇百怪。不但需要特殊的D2D接口IP，使用TSV技術(shù)來實現(xiàn)芯片間高速高效數(shù)據(jù)通信，還需要用合適的EDA工具在鍵合前進行熱分析、應(yīng)力分析，幫助芯片設(shè)計工程師完整系統(tǒng)整合優(yōu)化。

整個2023年，業(yè)界也在積極加速推動3D-IC進展和系統(tǒng)級創(chuàng)新部署。例如，臺積電推出新的3Dblox 2.0 開放標(biāo)準(zhǔn)，3DFabric平臺讓客戶可以自由選配3D-IC前段和后段組裝測試相關(guān)技術(shù)，包含整合芯片系統(tǒng)(SoIC)、整合型扇出(InFO)以及CoWoS;聯(lián)電與華邦、智原、日月光半導(dǎo)體和Cadence成立W2W 3D IC項目，加速3D封裝產(chǎn)品生產(chǎn)，預(yù)計 2024 年完成系統(tǒng)級驗證;新思科技則和力積電合作，共同推出新的W2W和晶圓堆棧芯片(CoW)解決方案，開發(fā)者能將DRAM存儲器直接堆疊和鍵合在芯片上。

趨勢七：Micro OLED進入規(guī)模化應(yīng)用前夜

盡管Micro LED堪稱最完美的顯示技術(shù)，但其仍然面臨巨量轉(zhuǎn)移、全彩化、檢測修復(fù)等技術(shù)挑戰(zhàn)，短期內(nèi)無法規(guī)模化應(yīng)用。而Micro OLED是顯示技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的深度結(jié)合，即CMOS技術(shù)與OLED技術(shù)的緊密結(jié)合，也是無機半導(dǎo)體材料與有機半導(dǎo)體材料的高度融合。盡管Micro OLED也存在諸多技術(shù)難題，特別是CMOS工藝與OLED技術(shù)分屬不同工藝制程，兩者專業(yè)且復(fù)雜，集成技術(shù)要求嚴(yán)苛，但相對Micro LED，其規(guī)模化應(yīng)用可能性更大、更早。

Micro OLED技術(shù)與目前主流VR/AR顯示技術(shù)Fast-LCD相比，也有不少優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在低功耗、工作溫度寬、高對比度、響應(yīng)速度快等性能上，幾乎彌補了Fast-LCD的不足，是當(dāng)下最適用于近眼顯示的微顯示技術(shù)。蘋果在2023年全球開發(fā)者大會發(fā)布了采用Micro OLED顯示屏的Vision Pro頭顯，勢必會推動這一技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。

不過，Micro OLED因其有機發(fā)光材料的屬性，存在兩大天然的技術(shù)障礙：亮度和壽命，即與其他OLED技術(shù)一樣，存在燒屏、壽命期較短的問題。但鑒于Micro OLED主要應(yīng)用于消費電子領(lǐng)域，壽命期這一缺陷就如OLED顯示在智能手機上的應(yīng)用，并不會產(chǎn)生太大影響。而Micro OLED的亮度則無法滿足VR/AR設(shè)備完全模擬的要求。

2023年全球Micro OLED廠商積極擴產(chǎn)Micro OLED 8英寸、12英寸產(chǎn)線，部分已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，預(yù)計2024年將為虛擬現(xiàn)實終端應(yīng)用提供更多數(shù)量的Micro OLED屏幕。同時，鑒于Micro LED短期內(nèi)無法規(guī)模化量產(chǎn)，Micro OLED則有機會在未來一段時間內(nèi)成為微顯示主流技術(shù)。

趨勢八：“可編程光計算芯片”應(yīng)對算力需求暴漲

生成式AI浪潮推動了算力需求的暴漲，但隨著摩爾定律逼近極限，曾經(jīng)的電子技術(shù)已難以滿足新一輪科技革命需要，人們開始尋求“把電換成光”，來進一步提升算力。

光芯片很早就有，但絕大多數(shù)是不可編程的光學(xué)線性計算單元，要想通過光來提升算力，計算單元就必須具備可編程性。這種光計算芯片直到2017年，沈亦晨等人在《自然·光子》(Nature Photonics)期刊上發(fā)表論文，提出一種以光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為藍本的全新計算架構(gòu)，才逐漸取得突破性進展。

可編程光計算芯片具有集成度高、速度快/低延遲、低能耗、擅長AI矩陣計算、成本下降潛力大、波導(dǎo)傳輸性能優(yōu)異等優(yōu)勢。挑戰(zhàn)也同時存在，例如復(fù)雜計算需要用到大量光器件，帶來更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更大的尺寸;實現(xiàn)可編程要對每個器件進行控制，在工藝上要求更高集成度帶來的成本、穩(wěn)定性和良率挑戰(zhàn);以及環(huán)境溫度對計算精度產(chǎn)生影響，帶來的溫度控制挑戰(zhàn)等等。

硅光芯片商業(yè)化最主要的思路就是硅光的技術(shù)通用性，例如優(yōu)先把GPU中做線性計算的計算核部分，換成光的計算核，形成光電混合的算力網(wǎng)絡(luò)新范式，最大限度降低客戶的學(xué)習(xí)成本和使用門檻。

其次是光芯片模塊化，在滿足計算應(yīng)用的同時，追求片間傳輸光模塊的“即插即用”。這也涉及到用片上光網(wǎng)絡(luò)和片間光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用光的低延遲和低能耗優(yōu)勢代替模塊間的電互連，晶圓級的光互連網(wǎng)絡(luò)能夠在把計算任務(wù)映射到不同芯片時，達到更高的利用率。

趨勢九：新型存儲器，從理論走向?qū)崙?zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的發(fā)展讓信息量呈現(xiàn)爆炸式增長，所有資料都必須在從邊緣到云端的多個層級上進行收集、處理和傳輸、存儲和分析。但另一方面，摩爾定律卻面臨擴張速度的急速放緩，無法再提供功率、性能和面積成本(PPAC)的同步提升。

在這樣的大背景下，各種規(guī)模的企業(yè)開始競相開發(fā)新的硬件平臺、架構(gòu)與設(shè)計，以提升計算效率，而以MRAM(磁性隨機存儲器)、PCRAM(相變隨機存儲器)和ReRAM(阻變存儲器)為代表的新型存儲器技術(shù)，便是芯片與系統(tǒng)設(shè)計人員都致力研究的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。這些新型存儲器既能夠提供更多工具來增強近存儲器計算(Near Memory Compute)，也是下一階段存儲器內(nèi)計算(In-Memory Compute)的建構(gòu)模組。

相關(guān)研究指出，無論是作為獨立芯片還是被嵌入于ASIC、微控制器(MCU)和運算處理器中，它們都有可能變得比現(xiàn)有的主流內(nèi)存技術(shù)更具競爭力。如果以嵌入式MRAM取代微控制器中的eFlash和SRAM，可節(jié)省高達90%的功耗;如果采用單一晶體管MRAM取代六個晶體管SRAM，則可實現(xiàn)更高的位元密度和更小的芯片尺寸，這些功率與面積成本優(yōu)勢將使MRAM成為邊緣側(cè)設(shè)備的有力競爭者。而相較于傳統(tǒng)的NAND閃存，PCRAM或ReRAM存儲級存儲器更可提供超過10倍以上的存取速度，更適合在云端對資料進行存儲。

但這些新興存儲器也存在一些關(guān)鍵共性問題，例如在單元層面，就存在熱穩(wěn)定性、寫電流與疲勞特性之間的矛盾，需要通過材料的選擇、集成工藝、電路的綜合優(yōu)化來克服;如果從陣列架構(gòu)方面來看，交叉陣列結(jié)構(gòu)中又存在由漏電引起的串?dāng)_問題。從目前的研究進展來看，相變材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計、自旋軌道矩(SOT)等前沿技術(shù)，有望能夠較好的解決上述挑戰(zhàn)。

趨勢十：硅基量子計算的可用性與商業(yè)化邁進

很多企業(yè)和機構(gòu)研究量子計算機，是把注意力集中在了類似超導(dǎo)比特位之類的材料上。近些年有越來越多的研究機構(gòu)把注意力放到了硅基量子計算方向。畢竟硅仍然是一種更唾手可得的材料，也就具備了天然的優(yōu)勢。而且對硅基量子計算而言，量子位可以是單個電子，也能做得非常小。

則硅基量子計算技術(shù)是更便于大規(guī)模量產(chǎn)的，即便它在操作時間(類似于門延遲)方面會弱于基于超導(dǎo)的量子位。這兩年對硅基量子計算而言都可謂收獲頗豐。2022年硅基量子計算領(lǐng)域取得了一些比較大的技術(shù)突破，包括極低錯誤率的量子計算實現(xiàn)，讓這種計算技術(shù)有了可以規(guī)模化、真正用于計算的潛在價值。而且也有研究展示了較長的自旋量子位相干時間——研究展示的平臺還和CMOS生產(chǎn)制造兼容。

2023年硅基量子計算有幾個重大事件。6月份，IBM宣布量子計算機進入“可用”(utility)階段;9月份，澳大利亞首席科學(xué)家Cathy Foley說見到了“量子時代的曙光”。與此同時物理學(xué)家Michelle Simmons因為開發(fā)硅基量子計算機，獲得澳大利亞國家最高科學(xué)獎。

商業(yè)化方面，具有代表性的是Intel這些年開展有關(guān)量子計算的研究，自然都是基于其晶體管設(shè)計和制造方面的積累，都是基于硅的。此外也有包括Quantum Motion, Silicon Quantum Computing在內(nèi)的企業(yè)著手硅量子計算機研究開發(fā)。2024年的硅基量子計算或許會有進一步的商業(yè)化邁進。

審核編輯：劉清