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超越先進製程與先進封裝:AI時代的半導體下半場(上)

作為一名在院校教授半導體、AI和金融理財課程的講者,在參考本地的資訊報導時,發現一個有趣的現象:每當談論半導體時,大眾的關注點往往集中在產品達到多少納米、先進封裝技術和最先進的製程(如2納米、1.4納米)的量產時間表。

無可否認,自英特爾共同創辦人摩爾(Gordon Moore)提出「摩爾定律」以來,晶片大約每18至24個月效能翻倍、成本減半的規律,成為過去數十年推動晶片世代進步的定律。而近年崛起的先進封裝技術,則是以「堆疊」的形式延續摩爾定律,加快晶片整體效能並控制整體成本。因此,持續緊盯先進製程的進度與先進封裝的發展,確實是必須且重要的。

但在AI時代,除了追求對極致性能與產能外,我們更需要留意的是極致速度背後的代價- 散熱瓶頸與訊號延遲。 業界若不妥善處理高熱及其熱膨脹所引發的翹曲(Warpage)問題,產品的功耗與溫度將呈指數級急升,極端情況下會導致價值不菲的資料中心機櫃與晶片在運作時報廢。

半導體的下一場革命,在晶片微縮和封裝技術以外,光電結合、材料極限、電力配送與頂層架構等方面亦需要全面重構。由於篇幅所限,先探討前三項大趨勢。

一、共同封裝光學(CPO)與矽光子:打破頻寬的「銅牆鐵壁」

在當今的超級AI叢集裏,GPU的運算速度年年翻倍,但資料在晶片之間、機櫃之間傳輸時,傳統的「銅導線」卻面臨嚴重的訊號衰減、發熱與高功耗問題。這就像一條高速公路上擠滿了法拉利,卻全部卡在狹窄的收費站。

業界對此給出的終極解方是「光進銅退」。利用共同封裝光學(Co-Packaged Optics,即CPO)技術,將電訊號的傳輸距離縮短至極致。由於光的傳輸頻寬與速度遠超傳統電訊號,功耗亦大幅降低,因此台積電和英特爾等公司都用相關的矽光子(Silicon Photonics)和封裝技術,將電子晶片(EIC)與光子晶片(PIC)垂直堆疊,完美解決了光電整合所帶來的連接、耗電和散熱挑戰。。在可見的未來,相關技術仍將是市場焦點。

二、玻璃基板(Glass Core):基板材質的世紀大交替

訊號傳輸以外,當晶片尺寸越做越大、整合的小晶片(Chiplet)越來越多,傳統有機基板(如 ABF 載板)在面對超大型AI處理器時,開始因熱膨脹係數不匹配而產生嚴重的翹曲(Warpage)問題。若問題持續,最終晶片會因基板問題而難以應用。

玻璃基板(Glass Substrate)技術,正是問題其中一個熱門解決方向。由於玻璃擁有極佳的平整度、優異的熱穩定性與光學性能,可透過TGV(Through-Glass Via)技術實現更高效的立體互連。雖然玻璃基板仍處於早期發展階段,且量產不易,但其潛在市場巨大,是未來的大趨勢。

三、背面供電與微流道:晶片內部的交通與水利工程

而單獨在晶片內部結構觀察,當製程微縮至2納米甚至更前沿的埃米(Angstrom)世代時,晶片內部的傳統佈線將電源線與訊號線全擠在晶片的一面,導致嚴重的訊號干擾與電壓降(IR Drop),大大限制了晶片效能的極限。

對此,業界的解方是:

  • 背面供電技術(Backside Power Delivery Network): 將整個電源網路移至晶片背面,騰出正面空間給高速訊號線,大幅提升效能並降低動態壓降。例如台積電「超級電軌」(Super Power Rail, SPR)和英特爾的PowerVia技術,都有異曲同工之妙。 
  • 微流道(Microfluidics)散熱: 目前 AI 資料中心機櫃散熱上,業界廣泛採用液冷(Liquid Cooling)方式散熱。但隨着功耗持續上升,單靠現有液冷方案未必足夠,所以工程師開始嘗試在晶片內部直接蝕刻出新通道,讓冷卻液在“堵車時”更快地找到新通道流過晶片心臟。這個「微流道」技術,被視為作為解決散熱問題的新方向。 

結語

今日先談到這裡。在下篇中,我們將繼續探討半導體企業在AI時代真正制霸未來的其餘關鍵——生態系,以及 DTCO(Design Technology Co-optimization)與 STCO(System Technology Co-optimization) 的內容。

(本文純屬作者個人見解,並不代表所屬公司和香港特許金融分析師學會立場)


林子峰 (Arthur Lam)          CFA聯盟

林子峰 (Arthur Lam, CFA, CFP),在財富管理行業有十多年實務經驗,現職王道家族辦公室業務發展總監、香港特許金融分析師學會(CFA Society Hong Kong)投資者教育小組委員會委員、大學外展委員會委員、香港財務策劃師學會 (IFPHK) 董事會成員、審核及合規委員會委員及青年財策師小組聯席主席。Arthur擁有香港大學法學碩士(LLM,公司法與金融法)學位,專注金融產業政策和法規,就保監局(IA)、證監會(SFC)、積金局(MPFA)諮詢文件作研究和回覆,並為認可家事調解員和正進行筆跡專家課程。他是香港史上首批「董浩雲獎學金」兩位全額得主之一,遠赴「海上學府」(Semester at Sea) 環遊世界,以一級榮譽畢業。

作為滙萃培訓副總監、大專和職訓局兼任講師,他負責營運和課程設計。主要任教金融法規、財務策劃、跨代財富傳承和半導體+AI課程,以及和院校及再培訓局開發理財課程,致力提升業界培訓質素。作為政府諮詢委員,他就公民及財務教育建言,并曾參與前海管理局政策座談等。憑藉跨領域背景及業界參與,Arthur分別獲學校和一眾社會賢達提名為傑出校友及選為「大灣區青年領袖2025」。

關於「CFA聯盟」

「CFA聯盟」是由《CFA 指揮室》過往逾十年以來的節目嘉賓組成。《CFA 指揮室》是由香港特許金融分析師學會(CFA Society Hong Kong)與新城財經台共同策劃的投資者教育計劃,通過訪問金融業及商界的專業人士,提升大眾對業界和各類投資的認識。

*作者的言論純屬個人意見,並不代表本會立場。內容只供參考及作教育用途,並非投資意見,亦非對任何產品或服務的建議、認許或推介。

文章由 香港特許金融分析師學會 CFA Society Hong Kong 協助提供