【全文】AMD領軍圍剿Intel 小晶片吹皺半導體一池春水

文|盧佳柔    攝影|楊弘熙 林育緯    繪圖|王聖光
早在2020年,超微(AMD)就攜手台積電推出小晶片設計的高速運算處理器,期望藉此壯大市場版圖。

小晶片(Chiplet)技術深蹲數十年,在晶片、品牌廠對高速運算(HPC)的迫切需求下,由超微(AMD)領軍率先商轉,連蘋果也用小晶片打造「怪獸晶片」M1 Ultra處理器,引起各界關注。一直以來,英特爾(Intel)x86架構長期主宰伺服器和筆電市場,直到蘋果開始自製晶片,讓英特爾獨霸的局勢出現轉變;同時,對手AMD緊密與台積電合作,企圖靠小晶片加速開發速度並降低成本,反超英特爾的計畫如箭在弦,逼得英特爾也不得不投入小晶片設計,鞏固市場,吹皺半導體一池春水。

2022年3月,蘋果(Apple)於春季發表大會推出號稱「全球最強大的怪物型電腦晶片」M1 Ultra,再度引爆半導體對小晶片(Chiplet)的關注。蘋果資深硬體技術副總裁 Johny Srouji更指出:「M1 Ultra 是一款開創新局的 Apple 晶片,將再次震撼個人電腦產業。」

 

彈性組裝 經濟高效能

業界專家表示,M1 Ultra的小晶片設計,簡單來說就是將2顆CPU連在一起,發揮加乘的運算處理效果。其實,早在2020年超微(AMD)就開發了CCD(Core Chiplet Die)小晶片,採用7奈米製程,讓小晶片數量可以隨市場需求增減,例如用於伺服器的搭配8顆處理器,而桌機則用2顆處理器。

「這種高彈性的設計配置,不僅能加快晶片開發速度,更能大幅降低研發成本。」力成科技執行長謝永達向本刊表示。根據超微官方資料顯示,在14奈米的情況下,以小晶片生產的成本,相較於系統單晶片(SoC)設計方式,可節省近50%。

蘋果在今年春季發表會攜手台積電推出「怪獸晶片」M1 Ultra,即是採用小晶片設計模式。(翻攝蘋果官網)

日月光研發副總洪志斌補充,使用小晶片主要目的在提升整體表現(如晶圓良率及成本),將原本單一面積很大的多核心晶片拆分成多個面積較小的晶片,這樣的作法不僅可減少單一過大面積的晶片成本,由於小晶片的良率較好,能整合出更經濟且高效能的產品。正因如此,IC設計業者對小晶片的興趣與接受度越來越高,尤其是一線IC設計業者。

 

趨勢底定 大咖紛出手

舉例來說,全球排名前五大的IC設計大廠中,就有超微、高通(Qualcomm)、輝達(nVIDIA)、聯發科四家陸續投入小晶片開發設計,其中,超微更是率先推出商用小晶片的IC設計大廠;法人報告指出,聯發科也預告其HPC產品將朝向小晶片架構發展,預計2023年上市。

深入分析,超微用小晶片作為反超老對手英特爾(Intel)的祕密武器,蠶食x86市場,市占率從2018年僅有10%多,一路狂飆到2022第一季的27.7%,創歷史新高;不僅如此,蘋果、谷歌(Google)、微軟(Microsoft)、Meta(前身為臉書Facebook)、亞馬遜(Amazon)等不同領域的科技巨擘,也紛紛喊出自研晶片規劃,以利產品或服務差異化,此舉勢必進一步動搖英特爾處理器霸主的地位。

晶片商、終端設備業者相繼導入小晶片方案,進攻處理器市場,逼得英特爾不得不搶進小晶片領域。(翻攝Intel官網)

「雖然x86架構預期在筆電處理器中仍將占據主流,但蘋果內部自研處理器的轉變,標誌著此格局將發生重大改變。」外商System Plus Consulting技術與成本分析師Ying-Wu Liu一語道破處理器市場的現況。

據 Transparency Market Research報告指出,2020年全球小晶片市場規模為11.1億美元,預計2031年市場規模上看472億美元,年複合成長率(CAGR)上看40.9%;主要成長動能來自全球消費電子產業對小晶片的需求上升,以及HPC運算需求。

眼看晶片、雲端及系統廠相繼投入小晶片拓展市場, CPU老大哥英特爾也不得不放下身段,跳下來加入小晶片戰局,鞏固龍頭地位。

伺服器應用對高速運算的需求龐大,為小晶片發展的關鍵應用領域。(翻攝ARM TAIWAN臉書)

 

高手結盟 追求標準化

值得一提的是,即便小晶片擁有成本低、開發快的優勢,但在系統開發上,仍得面對晶片間互聯互通的挑戰。工研院副總暨資深技術專家吳志毅表示,小晶片組合的是各家、各類型的晶片,晶片間就像是說著不同的語言,無法有效溝通,恐間接影響晶片的互聯性與效能。

有鑑於此,極力爭奪主導權的英特爾,今年3月登高一呼,攜手微軟、Google、台積電、日月光、高通、聯發科、創意電子等國際大廠,共同打造Universal Chiplet Interconnect Express(UCIe)聯盟,望藉此打造出標準化的小晶片溝通介面。

進入小晶片時代,台積電掌握先進製程研發技術,是晶片與終端設備廠商生產小晶片的關鍵伙伴。

小晶片蔚為潮流,市場第一個聯想到的受益者就是協助超微、蘋果等生產晶片的台積電。殊不知, 除了台積電外,小晶片的崛起也引爆載板、封測與IP設計服務等半導體供應鏈龐大商機,吸引業者爭相布局。

洪志斌談到,從成長機會來看,小晶片的設計主要是把原本在晶片上大量的研發與製造成本,轉移到封裝上,因此會運用到許多先進封裝技術,如2.5D矽中介板(Silicon interposer)、扇出(Fan-Out)重新分布層(RDL)與橋接晶粒(Bridge Die)等等,將各種Chiplet晶片透過先進封裝製程精密地連接、整合在一起。

 

載板受惠 欣興擴產能

「當整合的晶片越多越精密,相關封測的製程與商機也就隨之大幅成長。另外,小晶片的設計也會搭配大尺寸與多層數的先進封裝基板,所以載板廠商也能在小晶片商機中受惠。」洪志斌詳細分析。

針對載板,力成科技執行長謝永達進一步向本刊說明,載板負責承載做好的晶片,越先進的製程與封裝技術,所使用的載板面積越大;與此同時,小晶片的興起,將不同製程、不同功能的裸晶封裝在一起,以提升運算效能,這種設計方式所消耗的ABF載板數量也會跟著增加,為台灣相關業者帶來龐大商機,包含欣興、景碩與南電等的訂單,未來都將應接不暇。

製造小晶片需運用許多先進封裝技術,為日月光等封測廠商帶來成長動能。

根據國票投顧的分析報告,台灣載板廠商全球市占率約43%,居於首位,有望在ABF載板供需吃緊的趨勢下顯著受惠。因此,ABF載板廠近期紛紛擴大資本支出、積極擴充產能,如全球最大ABF載板廠欣興,2022年即擬砸404億元資本資出擴產。

 

力成主推 扇出型封裝

ABF載板供不應求,為封測業者力成開啟一扇窗,帶來龐大商機。謝永達表示,力成扇出型封裝能取代ABF載板承載晶圓,其線寬、線距與功耗效能遠比ABF載板好,可以舒緩ABF載板產能不足的問題,特別是ABF的投資昂貴,建廠需要較長時間,短時間難以有效因應小晶片需求。

謝永達透露,為改善ABF載板不足問題,就連載板廠也想跳下來做扇出型封裝。他指出,原用於小晶片的ABF載板數量可能需疊加12層或更多層數,若採用扇出型封裝,能有效減少載板層數,或搭配幾層BT載板即可使用,現在力成就在研發這方面的案子。

力成科技執行長謝永達指出,力成早在數年前就開始投入扇出型封裝,備戰小晶片對先進製程的需求。

本刊側面了解,許多國際大廠都已和力成接觸,如英特爾、超微、Google等,這不僅反映出小晶片需求日益增多,也顯示力成技術實力備受肯定。

看到小晶片業務開始發酵,謝永達感慨萬千地說,力成2016年就開始研發扇出型封裝,此先進製程封裝技術挑戰性很大,投入超過100億元資本支出,2019九年才正式量產,這一路走來如人飲水,但看準小晶片是未來的晶片趨勢之一,仍義無反顧地投資。

據Yole預估,2020年整體封裝市場產值約446.5億美元,2026年可望成長至685億美元,年複合成長率約7.4%。值得注意的是,受惠於高效能運算晶片需求,2026年先進封裝產值將成長至100億美元,年複合成長率將高於平均,達19.5%,其中以2.5D/3D成長最高。

小晶片設計對ABF載板的層數、面積需求增多,為欣興、景碩與南電等載板商帶來龐大商機。

 

IP設計 創意挺神山

「進入16奈米以下的演進,在小晶片與後段封測階段有很大變化,前面的台積電往前衝、衝太快,其實封測廠已有點跟不上,中間斷層須由先進封裝技術來銜接。」謝永達有感地說。

相較於台積電、載板與先進封裝廠商,專攻矽智財(IP)、台積電轉投資的IC設計服務業者創意電子,是較常被市場忽略的小晶片商機受益者,而創意電子之所以能抓住小晶片商機,正是源自其與台積電長期針對先進封裝技術的緊密合作。

創意(GUC)與台積電密切合作先進製程研發,共拓小晶片市場大餅。

「進入先進製程後,晶片商需要創意的機率會提高。」創意財務規劃暨投資人關係部副處長林新洲如此表示。創意技術副處長李智強補充說道,創意服務的對象,基本上愈來愈多是需要先進製程與封裝技術的客戶。事實上,若只會設計IP,而不懂後段的封裝製程,就難以關照晶片設計的細節,設計出的IP可能無法使用,或者良率不佳。再者,越先進的製程研發,所需投入的成本就越高,因此晶片研發「成功率」也成為系統廠開發晶片的關鍵指標,而這些都需要長時間經驗和技術的堆疊,才能符合後面小晶片客製化的發展趨勢。

李智強向本刊表示,創意與台積電長期緊密合作,甚至在台積電早期投入先進製程研發時就已加入,彼此一起驗證相關技術、互相優化,創意的IP優化,與台積電的製程優化整合,讓平台順利work(運作)。

依李智強所言,創意此刻正站在巨人的肩膀上,跟著台積電一起迎接小晶片商機。

綜觀小晶片市場已經起步許久,如今標準、廠商已陸續布局跟上。當被問及小晶片要起飛了嗎?謝永達笑著說道:「我們已經裝了翅膀!」他的回答或許正是業者共同的心聲,小晶片展翅高飛的時刻即將到來。

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