半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展離不開行業(yè)的共識，而行業(yè)的共識往往體現(xiàn)在行業(yè)所公認(rèn)的路線圖里面。在上世紀(jì)末，美國的半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會SIA聯(lián)合歐洲和亞洲的半導(dǎo)體行業(yè)，開始發(fā)布大名鼎鼎的國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（ITRS）。ITRS主要的貢獻是通過協(xié)調(diào)全球的半導(dǎo)體行業(yè)，發(fā)布了在21世紀(jì)初十多年中的芯片技術(shù)路線圖，包括特征尺寸，功率密度，邏輯門密度等等。在上周，SIA和SRC聯(lián)合發(fā)布了微電子和高級封裝路線圖，作為ITRS的后繼者。

MAPT路線圖主要針對未來十年左右(2023－2035)的時間范圍，首先分析了時間范圍內(nèi)對于芯片行業(yè)的應(yīng)用需求，包括主要驅(qū)動應(yīng)用、能效比需求以及安全需求，并且根據(jù)這些需求，分別分析了半導(dǎo)體各細分行業(yè)（數(shù)字處理、高級封裝和異構(gòu)繼承、模擬和混合信號半導(dǎo)體、硅光技術(shù)和MEMS、半導(dǎo)體工藝、設(shè)計建模和測試標(biāo)準(zhǔn)、半導(dǎo)體材料以及供應(yīng)鏈）需要所對應(yīng)的技術(shù)進步來滿足這些需求。

數(shù)字芯片：邏輯密度增速減慢，架構(gòu)創(chuàng)新驅(qū)動技術(shù)進步

數(shù)字芯片向來是半導(dǎo)體芯片中最核心的品類，其出貨量大，對于半導(dǎo)體芯片工藝的依賴度高，往往是驅(qū)動整個半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的核心芯片品類；因此在在MAPT路線圖中，對于數(shù)字芯片相關(guān)的路線圖分析也是最詳實的。

在關(guān)于數(shù)字芯片的路線圖中，我們首先看到了和以往摩爾定律所預(yù)測的截然不同的數(shù)字。MAPT路線圖預(yù)計，未來十年，晶體管密度將從目前的200億每平方厘米增加到800億每平方厘米，即10年增加4倍。在過去，摩爾定律預(yù)測每18個月晶體管密度翻倍，因此10年間晶體管密度應(yīng)該增加64倍以上，這樣來看根據(jù)MAPT的路線圖預(yù)測，未來晶體管密度的增長速度會遠遠低于之前摩爾定律的速度——未來十年的晶體管密度上升速度，僅僅相當(dāng)于過去三年的水平。

而如果我們仔細看最近幾年的半導(dǎo)體工藝演進的話，我們可以發(fā)現(xiàn)事實上晶體管性能（即門延遲）的改善甚至更落后于之前摩爾定律所預(yù)測的每18個月提升40% － 目前來看每代工藝演進在集成度翻倍的同時，晶體管性能僅僅提升10－20%之間，而在未來這個數(shù)字甚至?xí)?。因此，從MAPT路線圖中，我們可以大概估算出，未來十年中，隨著晶體管集成度翻四倍，晶體管的性能提升大約在20－30%左右。換句話說，數(shù)字芯片性能提升基本不能依靠晶體管性能提升，而是要依靠其他的方法。

在MAPT中，數(shù)字邏輯未來的進步主要靠架構(gòu)上的進步。MAPT提出主要的進步方向包括：

進一步提升集成度：由于半導(dǎo)體工藝進步在未來十年中對于邏輯密度的提升貢獻有限，為了進一步提升集成度，主要需要依靠高級封裝技術(shù)。高級封裝技術(shù)可以用不同的堆疊方式（2.5D以及3D）把不同的芯片粒（chiplet）集成在同一個封裝里并且可以解決先進工藝的良率問題，因此可望在未來中高端芯片中得到更廣泛的應(yīng)用。

降低數(shù)據(jù)移動開銷：隨著未來芯片集成度越來愈高（即邏輯越來越復(fù)雜），數(shù)據(jù)互聯(lián)的開銷將會成為芯片性能和能效比的主要瓶頸；例如，根據(jù)之前的研究，在10nm節(jié)點，高復(fù)雜度的SoC中數(shù)據(jù)互聯(lián)的功耗開銷已經(jīng)占到整個芯片功耗的90%左右，而未來隨著復(fù)雜度和集成度進一步提升，數(shù)據(jù)互聯(lián)將會越來越成為瓶頸。為了解決這個問題，一方面需要使用高級封裝技術(shù)——例如，通過3D堆疊，互聯(lián)的物理距離會大大降低（因為可以垂直走線），從而降低功耗；另一個重點則是通過新的架構(gòu)，例如近內(nèi)存計算和存內(nèi)計算，來降低開銷；最后，模擬和混合信號電路的創(chuàng)新也能降低數(shù)據(jù)移動的開銷。

使用更多的專用設(shè)計架構(gòu)（domain-specific design）來取代通用設(shè)計——例如使用AI加速器來進行人工智能相關(guān)的計算（而不是使用通用架構(gòu)例如CPU和常規(guī)GPU），這樣做可以大大改善能效比。當(dāng)使用專用設(shè)計的架構(gòu)時，軟硬件協(xié)同設(shè)計就將成為一個核心概念，因為在設(shè)計專用架構(gòu)時，需要考慮軟件和應(yīng)用層的實際需求（例如對于AI加速器來說，就是專用數(shù)制和特定算符的支持），從而實現(xiàn)高效率。另外，使用專用架構(gòu)時，可以使用芯片粒技術(shù)，把不同的架構(gòu)使用多個芯片粒實現(xiàn)，并且使用高級封裝技術(shù)集成在一起。

從以上分析可以看出，MAPT對于數(shù)字邏輯電路的進一步演進是以高級封裝技術(shù)為主線，使用基于高級封裝技術(shù)進一步提升集成度、降低數(shù)據(jù)移動開銷并且實現(xiàn)專用架構(gòu)設(shè)計的集成，從而讓芯片性能和能效比在未來十年中繼續(xù)摩爾定律時代的指數(shù)級提升。

高級封裝技術(shù)：技術(shù)快速演進成為行業(yè)支柱

高級封裝將成為未來半導(dǎo)體的主旋律。

例如，在未來五年中，一個系統(tǒng)中芯片粒的數(shù)量將從今天的4-10提升到10-30（提升3倍），預(yù)計在十年的時間內(nèi)芯片粒數(shù)量會提升更多；在內(nèi)存角度，芯片粒將會實現(xiàn)新的內(nèi)存架構(gòu)，從而改善內(nèi)存墻問題，到時候希望內(nèi)存的容量、速度和功耗將不再成為整個系統(tǒng)的瓶頸；在互聯(lián)方面，未來10年高級封裝的互聯(lián)線數(shù)量將從今天的1000-2000上升到8000，另外使用新的IO接口技術(shù)（例如PAM8，以及高密度WDM光學(xué)互聯(lián)）來進一步提升數(shù)據(jù)帶寬并降低數(shù)據(jù)移動開銷。

這些需求具體對應(yīng)到高級封裝的技術(shù)演進，MAPT在高級封裝章節(jié)提出了未來十年的技術(shù)演進方向。

我們認(rèn)為，在高級封裝未來十年中，最關(guān)鍵的技術(shù)演進包括：

進一步提升IO密度：將芯片粒之間的bump（焊球）間距從100微米降低到25微米，從而將IO密度提升16倍。

進一步提升IO互聯(lián)線密度：這里的互聯(lián)線密度包括在晶圓正面將今天的2-3層線間距大于1微米的頂層銅互聯(lián)發(fā)展到7層線間距小于1微米的銅互聯(lián)，晶圓背面的RDL層互聯(lián)從一層上升到三層互聯(lián)并且將線間距從10微米降低到2微米；以及在晶圓間的互聯(lián)線間距從5微米降低到1微米，即互聯(lián)線密度提升25倍。

革新集成鍵合技術(shù)：從目前基于焊接（solder）的鍵合集成技術(shù)逐漸改進到die-to-wafer以及die-to-die的鍵合。新的集成鍵合技術(shù)將是實現(xiàn)高密度IO的核心技術(shù)。

從高級封裝技術(shù)的演進路線圖，我們可以看到摩爾定律的指數(shù)規(guī)律正在高級封裝領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)生。在未來十年中，高級封裝的IO密度將預(yù)計會提升16倍，IO互聯(lián)密度提升25倍，這大約是每2.2-2.5年翻倍的規(guī)律，這和之前摩爾定律預(yù)計每1.5年芯片晶體管密度翻倍的規(guī)律相近，只是翻倍時間從1.5年變成了2.5年。


終端廠商及設(shè)計公司向產(chǎn)業(yè)鏈前端滲透

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈三種權(quán)利：設(shè)計權(quán)（決定創(chuàng)新和供給）+代工權(quán)（決定安全和產(chǎn)能）+設(shè)備權(quán)（決定產(chǎn)業(yè)鏈安全和工藝底層突破）。 我們認(rèn)為，芯片產(chǎn)業(yè)全球化分工使設(shè)計與制造環(huán)節(jié)分離，存在供應(yīng)鏈的地理分割，加劇了受外部因素影響而供需失衡的風(fēng)險， 因此企業(yè)向產(chǎn)業(yè)鏈前端滲透、實現(xiàn)自主可控已是大勢所趨。

1、對于終端廠商來說，芯片領(lǐng)域?qū)⒊蔀樾碌闹鲬?zhàn)場，著力于掌握芯片設(shè)計權(quán)甚至代工權(quán)是終端企業(yè)未來發(fā)展方向。

目前部分下游軟硬件公司逐步開啟芯片自研模式。①智能手機：小米、OPPO、vivo等芯片研發(fā)主要聚焦于影像、藍牙、電池 管理等細分領(lǐng)域；②智能汽車：以特斯拉為先鋒，傳統(tǒng)車企以及造車新勢力如通用、比亞迪、蔚來等也先后進軍芯片自研；③ 互聯(lián)網(wǎng)：亞馬遜、微軟、谷歌、阿里等通過推出定制化的自研芯片，驅(qū)動云計算服務(wù)的創(chuàng)新迭代。參考全球智能手機巨頭的發(fā) 展歷程，隨著產(chǎn)品同質(zhì)化加劇，芯片區(qū)別的重要性日益突顯，成功的頭部手機廠商均擁有較強的芯片設(shè)計研發(fā)水平，如蘋果的 A系列芯片、三星的獵戶座芯片以及華為的麒麟系列芯片，驗證了掌握核心造芯技術(shù)對于終端廠商的重要性。

2、對于IC設(shè)計公司來說，自建晶圓廠、在成熟工藝節(jié)點掌握獨立代工權(quán)、將芯片設(shè)計和生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)集于一體，將成為趨勢。

當(dāng)前，缺乏代工權(quán)已經(jīng)成為制約中國半導(dǎo)體設(shè)計公司發(fā)展的關(guān)鍵因素。①產(chǎn)能不足：設(shè)計公司晶圓制造是芯片產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán) 節(jié)，在當(dāng)前全球晶圓產(chǎn)能緊缺、終端消費需求復(fù)蘇的大背景之下，中國大陸芯片仍有較大供需缺口，晶圓代工廠產(chǎn)能無法匹配 設(shè)計公司不斷提升的技術(shù)水平。②利潤承壓：晶圓短缺導(dǎo)致代工廠漲價，增加IC設(shè)計公司成本。

半導(dǎo)體材料行業(yè)未來發(fā)展趨勢

1、部分半導(dǎo)體材料國產(chǎn)替代已取得進展

近年來，一方面受益于國內(nèi)下游晶圓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和政府對產(chǎn)業(yè)的支持，同時半導(dǎo)體材料廠商積極吸納、培養(yǎng)高層次技術(shù)人才，把握行業(yè)和技術(shù)發(fā)展趨勢，積累研發(fā)經(jīng)驗和攻克關(guān)鍵技術(shù)，募集資金投入產(chǎn)能建設(shè)，在新產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、客戶導(dǎo)入等方面均取得了一定突破。目前本土廠商在部分半導(dǎo)體材料細分領(lǐng)域已經(jīng)取得了較高的市場份額，如8英寸及以下半導(dǎo)體硅片的產(chǎn)能可基本滿足國內(nèi)晶圓代工產(chǎn)業(yè)的需求。


2、高端半導(dǎo)體材料國產(chǎn)替代仍有較大空間

12英寸硅片、ArF光刻膠等半導(dǎo)體材料對產(chǎn)品的性能要求更為嚴(yán)苛、技術(shù)要求更高，本土廠商正在突破這些高端產(chǎn)品的技術(shù)和市場壁壘。例如，在12英寸硅片領(lǐng)域，本土廠商滬硅產(chǎn)業(yè)正處于產(chǎn)能提升階段；彤程新材、南大光電、上海新陽等廠商在ArF光刻膠領(lǐng)域穩(wěn)步推進產(chǎn)品研發(fā)，進展較為順利。受益于大陸晶圓代工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和國產(chǎn)替代趨勢下企業(yè)得到的政策、產(chǎn)業(yè)支持，本土半導(dǎo)體材料廠商有望保持快速成長；中低端產(chǎn)品有望進一步擴大產(chǎn)能、提高市占率，高端產(chǎn)品有望加速取得產(chǎn)品研發(fā)、客戶導(dǎo)入進展，不斷拓寬企業(yè)成長邊界。


FD-SOI將為國內(nèi)開啟先進制程大門提供可能

隨著5G通信、智能駕駛、人工智能等潮流興起，SOI技術(shù)憑借高性能、低功效的優(yōu)勢，帶動SOI硅片需求量大幅增加?；赟OI 材料的FD-SOI是先進工藝（28nm以下）兩大技術(shù)路線之一，也是國內(nèi)突破先進工藝的方案之一：


1、基于SOI的兩大技術(shù)路線：RF-SOI技術(shù)用于5G射頻芯片，F(xiàn)D-SOI開啟28nm以下先進制程

RF-SOI（射頻絕緣體上硅）：相較于傳統(tǒng)的GaAs和SOS技術(shù)，不僅成本更低、集成度更高，還發(fā)揮了SOI材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢， 所實現(xiàn)的器件具有高品質(zhì)、低損耗、低噪聲等射頻性能，主要用于制造智能手機和無線通信設(shè)備上的射頻前端芯片。 FD-SOI：FinFET和FD-SOI是發(fā)展先進工藝（28nm以下）的兩大解決方案。FinFET技術(shù)路線的先進工藝帶來了工藝復(fù)雜、 工序繁多、良率下降等問題，使得在28 nm以下制程的每門成本不降反升。FD-SOI技術(shù)路線逐漸得到業(yè)界關(guān)注。 理論上，利用DUV光刻機制造的FD-SOI產(chǎn)品，可以達到與采用EUV光刻機制造的FinFET產(chǎn)品相當(dāng)?shù)男阅堋?/span>


2、材料：核心技術(shù)由法國Soitec掌握，中國大陸加快追趕步伐

國外：300mm的SOI硅片核心技術(shù)由法國Soitec掌握，日本信越化學(xué)、SUMCO、中國臺灣環(huán)球晶圓等少數(shù)企業(yè)具備生產(chǎn)能力。 國內(nèi)：滬硅產(chǎn)業(yè)旗下子公司獲得Soitec技術(shù)授權(quán)，公司于2022年2月完成50億定增，其中20億元投入高端硅基材料研發(fā)。項 目完成后，滬硅產(chǎn)業(yè)將建立300mm高端硅基材料的供應(yīng)能力，并完成40萬片/年的產(chǎn)能建設(shè)，加快在SOI領(lǐng)域的追趕步伐。