ausblick | die „entsinisierung“ fortschrittlicher verpackungen ist kontraproduktiv
2024-08-31
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◇fortschrittliche verpackungstechnologie spielt eine schlüsselrolle bei den ki-chips, die für die anhaltende revolution der künstlichen intelligenztechnologie erforderlich sind.
◇die realität der aktuellen globalen halbleiterindustriekette ist, dass mehr als 60 % der chips nach china und mehr als 90 % der chips zur verpackung und prüfung nach asien verschifft werden müssen, bevor sie auf globalen märkten verkauft werden können. einschließlich westlicher länder.
◇neben malaysia sind auch japan, singapur, vietnam, die philippinen, indien usw. wichtige ziele für die vereinigten staaten, um ausländische halbleiterproduktionsstandorte zu errichten.
◇derzeit stehen china und die usa im bereich der fortschrittlichen verpackungen auf derselben startlinie. die vorteile, die die vereinigten staaten in den letzten jahrzehnten auf dem gebiet der halbleiterminiaturisierung gesammelt haben, können nicht länger dazu genutzt werden, china im bereich der fortschrittlichen verpackung einzuschränken.
text |. tan xiaojian
mitarbeiter inspizieren einen lidar-chip in der verpackungs- und testwerkstatt für öffentliche plattformen des suzhou optoelectronic technology research institute (fotografiert am 2. juni 2024) foto von li ga/this journal
vor nicht allzu langer zeit gab das us-handelsministerium eine ankündigung heraus, in der es die einführung eines ersten innovationsinvestitionsfonds in höhe von 1,6 milliarden us-dollar ankündigte, um die implementierung und modernisierung der us-amerikanischen halbleiter-advanced-packaging-industrie zu realisieren und zu beschleunigen. warum ist fortschrittliche verpackungstechnologie als oberste priorität im förderprogramm „chip and science act“ für die forschung und entwicklung im halbleiterbereich so wichtig? welche absicht verfolgen die vereinigten staaten bei ihrer gestaltung in verwandten bereichen?
der aufstieg fortschrittlicher verpackungen
wenn es um die entwicklung der chiptechnologie geht, ist „moores gesetz“ ein unvermeidlicher begriff. die grundlegende bedeutung ist: die anzahl der transistoren, die auf einer integrierten schaltungseinheit untergebracht werden können, verdoppelt sich alle 18 bis 24 monate.
„moores gesetz“ ist ein empirisches gesetz, das 1965 von gordon moore, dem direktor des forschungs- und entwicklungslabors der fairchild semiconductor company (dem vorgänger von intel), vorgeschlagen wurde. es spiegelt den kontinuierlichen entwicklungsbedarf der digitalen industrie für chiptechnologie wider und ist auch ein geschäftsstrategien für chipunternehmen, um ihre führende position zu behaupten.
einerseits hat die kontinuierliche verbesserung der chipleistung das kontinuierliche wachstum der us-amerikanischen digitalindustrie gefördert. nachdem die technologiegiganten die marktvorteile der digitalen technologie kennengelernt haben, werden sie wiederum riesige geldsummen investieren, um us-chipunternehmen bei der entwicklung von chips der nächsten generation zu unterstützen, sodass us-chipunternehmen es wagen, riesige geldsummen in technologische verbesserungen und innovationen zu investieren .
andererseits hat die kontinuierliche aktualisierung der technologie auch zu einem kontinuierlichen rückgang der chippreise bei stagnierenden technischen indikatoren geführt. indem die vereinigten staaten diese erwartung von preissenkungen auf den markt bringen, unterdrücken sie die konkurrenten der us-amerikanischen chipunternehmen. je weiter sie zurückfallen, desto größer werden ihre verluste sein, und sie könnten sogar bankrott gehen, weil sie nicht über die runden kommen können.
die beiden aspekte wirken zusammen, um im halbleiterbereich das ergebnis „der starke wird immer stark sein“ zu schaffen. „moores gesetz“ ist nicht nur ein industrierecht, sondern hilft den vereinigten staaten auch dabei, ihre führende stellung im bereich der informationstechnologie zu behaupten.
der grund, warum die vereinigten staaten sicher sind, dass sie langfristig der hauptgewinner nach „moores gesetz“ werden können, liegt darin, dass sie den kommerziellen technologieentwicklungspfad der „halbleiterminiaturisierung“ sehen und glauben, dass dieser weg jahrzehnte dauern kann – das design solange wir die größe der schaltung weiter reduzieren und kürzerwelliges licht für die lithographie verwenden, können wir die chipleistung relativ stabil und zu geringeren kosten verbessern und mit jedem prozess den gewinn maximieren schrumpfung und erreichen schnelle entwicklung.
doch etwa im jahr 2010, als die „halbleiterminiaturisierung“ immer weiter an ihre physikalischen grenzen stieß, gerieten die wirtschaftlichen bedürfnisse und geschäftsstrategien, die das „mooresche gesetz“ unterstützten, ins wanken.
einerseits steigen die kosten für die entwicklung miniaturisierter komponenten immer weiter. bei der entwicklung des 16-nm-prozesses wurde die fin-feldeffekttransistor-technologie (finfet) eingeführt, bei der entwicklung des 7-nm-prozesses wurde die lithographietechnologie für extremes ultraviolett (euv) eingeführt, und jetzt wird bei der entwicklung von prozessen unter 5 nm die allround-gate-transistor-technologie (gaa) eingeführt. .. hinter jeder technologischen innovation steckt eine menge zusätzlicher technischer forschung. nicht nur werden die investitionen in forschung und entwicklung immer höher, sondern auch die häufigkeit zusätzlicher technischer forschung wird immer intensiver und die gewinnspanne neuer prozesschips steigt weiter abfall.
andererseits ist die verbesserung der chipleistung durch die miniaturisierung von halbleitern zunehmend „geschmacklos“ geworden. laut der technologie-roadmap von tsmc haben 3-nm-chips eine 1,7-mal höhere transistorlogikdichte als 5-nm-chips, aber ihre leistung ist im vergleich zur vorherigen miniaturisierung, die eine leistungssteigerung von fast 50 % brachte, nur um 11 % verbessert geschrumpft.
dies hat dazu geführt, dass chiphersteller ihre forschungs- und entwicklungsinvestitionen in chips mit niedrigerem prozessaufwand sorgfältig abwägen und stattdessen nach anderen wegen der technologieentwicklung als dem „mooreschen gesetz“ suchen. vor diesem hintergrund erhält fortschrittliche verpackungstechnologie immer mehr aufmerksamkeit.
wenn sich die miniaturisierung von halbleitern auf die „in-chip-integration“ konzentriert, dann konzentriert sich advanced packaging auf die „inter-chip-integration“ – wobei spezielle verpackungsmethoden verwendet werden, um die integration von chips und externen komponenten zu verbessern, sodass mehrere chips in ein organisches ganzes integriert werden können rechenfunktionen, die ursprünglich von einem einzelnen prozessorchip ausgeführt wurden, zu verbessern und damit das ziel zu erreichen, die leistung von recheneinheiten über das „mooresche gesetz“ hinaus weiter zu verbessern. dies wird von der halbleiterindustrie als „super-moore-route“ bezeichnet. gleichzeitig wird die forschung und entwicklung zur halbleiterminiaturisierung fortgesetzt, die als „deep-moore-route“ bekannt ist, aber sie ist nicht mehr wie in der vergangenheit der einzige weg zur verbesserung der halbleiterleistung, und ihre durchbruchsgeschwindigkeit verlangsamt sich allmählich. diese neue ära der halbleiterentwicklung, die sich erheblich von der vergangenen ära des „mooreschen gesetzes“ unterscheidet, die ausschließlich auf der miniaturisierung von halbleitern beruhte, wird als „post-moore-ära“ bezeichnet.
es ist erwähnenswert, dass fortschrittliche verpackungstechnologie eine schlüsselrolle bei den ki-chips spielt, die für die anhaltende revolution der künstlichen intelligenztechnologie erforderlich sind. beispielsweise nutzt der nvidia h100-chip, der derzeit auf dem gebiet der künstlichen intelligenz glänzt, die von tsmc entwickelte fortschrittliche verpackungstechnologie cowos. das prinzip besteht darin, einen zwischenschicht-siliziumträger zwischen den computerchip und den speicherchip einzufügen, um sie organisch zu verbinden und zu verpacken, wodurch die geschwindigkeit, mit der der chip auf externe daten zugreifen kann, deutlich erhöht wird. diese hochgeschwindigkeitsverbindung zwischen chips, die durch fortschrittliche verpackung erreicht wird, wird als high-bandwidth-memory-technologie (hbm) bezeichnet. der hbm-bus verfügt außerdem über eine externe schnittstelle, über die mehrere externe chips in reihe geschaltet werden können. seine theoretische übertragungsgeschwindigkeit kann bis zu 450 gb pro sekunde erreichen, was einem dutzendfachen der kommunikationsgeschwindigkeit zwischen vorherigen chips und externen daten entspricht noch viel raum für verbesserungen.
man kann sagen, dass die fortschrittliche verpackungstechnologie an der schnittstelle zwischen der „ära der künstlichen intelligenz“ und der „post-moore-ära“ steht. ohne fortschrittliche verpackungstechnologie wären künstliche intelligenz-chips nicht in der lage, so große fortschritte zu machen auch die halbleitertechnologie würde sich verlangsamen.
amerikas krisengefühl
das traditionelle verpacken und testen, als letzter prozess, bevor der chip die fabrik verlässt, befand sich schon immer am ende der industriekette. es war nicht nur ein geringer gewinn, es galt auch als low-tech- und arbeitsintensive branche. in den 1970er und 1980er jahren, als die vereinigten staaten im rahmen der „fabless“- und „offshoring“-geschäftsstrategien einen teil ihrer halbleiterindustrie nach asien verlagerten, war der chip-verpackungs- und testprozess fast der erste, der nach südkorea ausgelagert wurde taiwan, china und zog dann auf das chinesische festland sowie in südostasiatische länder wie malaysia und vietnam.
im jahr 1978 führten chinesische unternehmen mit starker staatlicher unterstützung eine 5-mikrometer-produktionslinie für die verpackung und prüfung von chips des japanischen herstellers toshiba ein und leiteten damit den entwicklungsprozess der chip-verpackungs- und prüfindustrie meines landes ein. heute haben sich einige hersteller von chipverpackungen und -tests auf dem festland zu internationalen verpackungs- und testunternehmen mit einem jahresumsatz von mehreren zehn milliarden yuan entwickelt, die fast 20 % des globalen marktanteils für chipverpackungen und -tests ausmachen und nur von taiwanesischen unternehmen wie ase übertroffen werden . derzeit machen unternehmen von beiden seiten der taiwanstraße zusammen mehr als 60 % des weltweiten marktanteils für chipverpackung und -tests aus. allerdings sind amerikanische, europäische, japanische und koreanische unternehmen im bereich der chipverpackung und -prüfung relativ schwach vertreten. nur amkor technology (amkor) hat in den usa einen anteil von etwa 14 % am weltmarkt, der rest ist geringer als 1 %, und auch die verpackungs- und testfabriken von amkor technology wurden in einem asiatischen land gebaut und verfügen lediglich über eine abteilung für technologieforschung und -entwicklung in den vereinigten staaten.
die realität der aktuellen globalen halbleiterindustriekette ist, dass die vereinigten staaten im vorgelagerten bereich der industriekette einen vorteil haben, beispielsweise bei chipdesign- und fertigungswerkzeugen, während china das verpackungs- und testglied am ende der industriekette fest innehat. mehr als 60 % der chips müssen nach china verschifft werden, und mehr als 90 % der chips müssen zum verpacken und testen nach asien verschifft werden, bevor sie auf globalen märkten, einschließlich westlichen ländern, verkauft werden können. da fortschrittliche verpackungstechnologie in der „post-moore-ära“ und der „ära der künstlichen intelligenz“ eine immer wichtigere rolle spielt, hat diese industrielandschaft in den vereinigten staaten wachsamkeit geweckt.
im november 2023 wurde das erste f&e-investitionsprojekt im rahmen des us-amerikanischen chip and science act in fortschrittliche verpackungstechnologie investiert. der gesetzentwurf sieht ausdrücklich 3 milliarden us-dollar zur finanzierung von chipverpackungsunternehmen in den vereinigten staaten vor. der plan trägt den namen „national advanced packaging manufacturing plan“. am 9. juli 2024 gab das us-handelsministerium eine ankündigung heraus, in der es die einführung der ersten reihe von f&e-förderprämien in höhe von 1,6 milliarden us-dollar im rahmen des programms ankündigte, die fünf teilbereiche der fortschrittlichen verpackungstechnologie abdecken, wobei jeder f&e-innovationspreis bis zu 1,6 milliarden us-dollar beträgt 150 millionen us-dollar.
das streben der vereinigten staaten nach „strategischer unabhängigkeit“ ist schwer zu erreichen
angetrieben von politischen kreisen haben amerikanische unternehmen ihren einsatz in der fortschrittlichen verpackungsindustrie verstärkt.
im dezember 2023 kündigte amkor technology an, 2 milliarden us-dollar für den bau einer modernen verpackungs- und testanlage in peoria, arizona, auszugeben. apple bekundete umgehend seine unterstützung und erklärte, dass apple der erste und größte kunde der verpackungs- und testfabrik werden würde. intel hat außerdem weiterhin anstrengungen in der technologieforschung und -entwicklung unternommen, die fortschrittliche verpackungstechnologie von foveros unabhängig entwickelt und eine neue chiparchitektur zur anpassung an diese technologie angekündigt.
auch amerikanische unternehmen stoßen in überseemärkte vor. im august 2023 kündigte intel an, dass es große investitionen in den bau der ersten fortschrittlichen verpackungs- und testfabrik im ausland auf basis seiner technologie in penang, malaysia, tätigen werde. im dezember 2023 kündigte nvidia an, in johor, malaysia, ein cloud-computing-zentrum zu errichten. in verbindung mit dem zustrom amerikanischer unternehmen wie amd und micron hat sich die entwicklung der malaysischen chipverpackungs- und testindustrie beschleunigt. neben malaysia sind auch japan, singapur, vietnam, die philippinen, indien usw. wichtige ziele für die vereinigten staaten, um ausländische halbleiterproduktionsstandorte zu errichten.
für die usa könnte es dadurch schwierig werden, ihr ziel der „strategischen unabhängigkeit“ zu erreichen.
erstens ist derzeit aufgrund von faktoren wie den hohen kosten für den bau von fabriken in den vereinigten staaten der fortschritt von schlüsselprojekten, die durch den us-amerikanischen „chip and science act“ finanziert werden, wie etwa der tsmc-fabrik in arizona, in unterschiedlichem maße verzögert oder sogar ausgesetzt worden; auch ausländische unternehmen investieren in den vereinigten staaten und stehen vor einer „akklimatisierung“ in bezug auf geschäftskultur, politische manipulation und andere aspekte.
zweitens mangelt es in japan, südostasien, südasien und anderen ländern und regionen wie den vereinigten staaten an einer ausreichenden anzahl an high-tech-fachkräften. viele vorgelagerte industrieprodukte und komponenten im bereich der chipherstellung müssen vom chinesischen festland und taiwan importiert werden und andere orte.
was sich dahinter widerspiegelt, sind die verschiedenen einzigartigen vorteile, die sich im laufe der jahre durch langfristige investitionen in industrie, technologie, bildung und anderen bereichen angesammelt haben, einschließlich reichhaltiger und vollständiger lokaler industrieproduktressourcen, niedriger gesamtherstellungskosten und einer großen technischen bevölkerung. hat china zu einer unvermeidlichen und unersetzlichen präsenz in jedem fortschrittlichen fertigungsbereich gemacht.
derzeit stehen china und die usa im bereich der fortschrittlichen verpackungen auf derselben startlinie. die vorteile, die die vereinigten staaten in den letzten jahrzehnten auf dem gebiet der halbleiterminiaturisierung gesammelt haben, können nicht länger dazu genutzt werden, china im bereich der fortschrittlichen verpackung einzuschränken. die förderung der „de-chinaisierung“ im bereich der fortschrittlichen verpackung durch die vereinigten staaten wird nicht nur die technologische entwicklung meines landes nicht einschränken, sondern auch mein land dazu inspirieren, weiterhin durchbrüche zu erzielen und eine stärkere wettbewerbsfähigkeit in der globalen halbleiterindustriekette zu schaffen und globalen markt.
(der autor ist assoziierter forscher am institut für wissenschaft und technologie und cybersicherheit des china institutes of contemporary international relations und verantwortlich für das projekt zur künstlichen intelligenz.)
(„lookout“ ausgabe 36, 2024)
