先進 CMOS 邏輯和先進封裝的共同開發將是實現下一代高性能計算設備的關鍵。

ChatGPT 和自動駕駛系統等 AI 技術的實施是每個人都在關心的問題。需要注意的是，AI 的崛起是建立在半導體設備制造 (SDM) 的進步基礎上的，以產生高性能計算設備。

半導體器件的制造是一個快速發展的行業，擁有一系列互聯技術。該領域的核心要素是 CMOS 邏輯，它驅動 CPU 和 GPU。在如此快速發展的領域，仔細研究該技術的制造商以及他們如何提供高性能芯片以實現人工智能創新至關重要。

前20名先進SDM專利擁有者

圖 1. 按專利資產指數衡量的組合強度排名前 20 位的 SDM 專利所有者

臺積電是先進制造領域明顯的領導者，擁有最大的專利組合規模、活躍專利族數量和最高的專利資產指數（衡量專利組合累積實力的指標）。三星排名第二，ASM International 排名第三。

在整個前 20 名中，一系列公司正在以不同的方式為行業做出貢獻，包括： 臺積電是一家純粹的代工廠——一家專門為客戶生產的合同制造商； 三星和英特爾是IDM，既生產自己的設計，也生產第三方的設計； 設備供應商 ASM International 和 Applied Materials； 西部數據和英飛凌是集成器件制造商，只生產自己的設計； IBM，這是一家研發公司，進行研發，但不大規模生產產品。 值得注意的是，IBM 和 GlobalFoundries 均出現在本次分析中；GlobalFoundries 于 2014 年收購了 IBM Electronics 及其專利，但 IBM 仍在繼續其半導體研發。

圖2：2023年9月和2020年排名前20位的SDM專利擁有者。

圖 2 概述了公司類型、總部所在地以及自 2020 年以來該領域的變動。雖然分別排名第一和第二的臺積電和三星沒有發生變化，但其他參與者在每個領域都發生了重大變動。其他組織的排名也發生了變化（例如，英特爾從第九名上升到第七名）。

面向未來高性能計算的 CMOS 邏輯

實現更低功耗和更高性能的計算需要的不僅僅是改進；核心半導體制造領域需要實現革命性創新。CMOS 邏輯核心的晶體管需要發展到能夠縮小至 2 納米（DNA 鏈的寬度）。在這種規模下，僅僅縮小設備尺寸已經不夠了。半導體器件制造商正在遇到原子尺寸和量子尺度效應的物理限制。為了克服這些挑戰，過去十年來，在晶體管的設計和結構方面投入了大量的精力和資源進行創新。

圖 3. 說明不同晶體管類型的示意圖

直到 2012 年，晶體管都是平面器件，即柵極下方簡單、平坦的晶體管溝道結構，如圖 3 最左側所示。然后，在 2012 年，英特爾推出了首款商用 22 納米 3D 晶體管，稱為“FinFET ”。對于FinFET器件，柵極覆蓋鰭溝道表面的三個側面，以具有更高的電流并克服溝道寬度較小的平面結構的問題。此后，臺積電為 Nvidia、Apple 和 AMD 等主要 CMOS 邏輯產品公司生產最先進的 FinFET 器件，成為市場領導者。

十多年后，FinFET 的微縮已經達到了 3nm 工藝節點的性能極限，需要一種更先進的晶體管類型：環柵 (GAA) 晶體管，如圖3右側所示，GAA 晶體管的溝道完全被柵極包圍。GAA 晶體管提供比 FinFET 更好的性能，并且還可以進一步減小器件尺寸。

圖 4. 選定專利所有者的 GAA（左）和 FinFET（右）晶體管的投資組合規模趨勢

圖 4 突出顯示了四大半導體邏輯器件制造商（加上 IBM）針對這兩種晶體管類型的產品組合規模，顯然，GAA 是這兩項創新中較新的一項，在過去五年中增長最為顯著，而 FinFET 則在十多年來有了明顯的發展。

如今，臺積電在這兩項技術上都占據第一的位置。三星、IBM 和英特爾似乎也在該領域繼續發展，但速度要低得多。GlobalFoundries 最初的高投資組合規模是其收購 IBM 的結果，但增長放緩似乎與其在 2018 年宣布放棄 7nm 工藝技術的開發有關。

對于GAA來說，2018年之前并沒有明確的領導者。2018年至2020年間，IBM似乎增加了其產品組合，但這種發展趨勢在接下來的幾年里并沒有以同樣的速度持續下去。三星和英特爾的增長明顯，但這與臺積電的快速增長相形見絀，臺積電從 2020 年到 2022 年增長了四倍。

圖 5. 擁有最強 GAA 組合的五個專利所有者的平均質量（競爭影響）與數量（組合規模）關系圖 – 氣泡大小代表專利資產指數衡量的組合強度

圖 5 顯示了這些所有者在 GAA 中的當前地位，其質量是通過對縱向的競爭影響來衡量的，而數量是通過水平上的投資組合規模來衡量的。最暗的泡沫是 2023 年的狀態，每個較亮的泡沫都會從 2023 年回溯到 2022 年、2020 年、2018 年、2016 年和 2014 年。

如今，臺積電在投資組合規模和實力方面均處于領先地位。自2020年以來，臺積電的投資組合實力顯示泡沫尺寸顯著增加。此外，三星、IBM 和英特爾都擴大了其產品組合的規模和質量。這四家公司的平均專利質量隨著其專利組合規模的增加而提高，這意味著新申請的專利必須與之前的專利具有相同或更高的質量。對于不斷增長的投資組合來說，情況通常并非如此，這反映了 GAA 技術的進步。

唯一的例外是 GlobalFoundries，盡管平均質量有所提高，但自 2018 年以來，其投資組合規模幾乎沒有變化。這反映了該公司選擇不追求 GAA 技術。

行業消息顯示，三星最近已開始在 3nm 工藝節點進行 GAA 生產，臺積電和英特爾均宣布將在未來幾年內開始 2nm 工藝節點的 GAA 生產。

增強晶體管創新——先進封裝

摩爾定律指出，集成電路上的晶體管數量每兩年就會增加一倍，而成本的增長卻極小。從歷史上看，CMOS邏輯芯片將其所有功能集成到單個片上系統上，例如計算核心、存儲器和輸入/輸出控制器。隨著現代半導體器件更多功能的需求，額外的器件（例如，高帶寬存儲器）通過先進的封裝技術與邏輯芯片集成。

例如，在高性能計算中，處理器需要大量具有短互連和高數據傳輸速率的近距離內存。這種近內存計算要求可以通過先進的封裝來滿足，例如英特爾的嵌入式互連橋和 Foveros。Nvidia 的 H100是先進封裝的商業化示例，它建立在臺積電的 CoWoS 技術之上。另一個例子是AMD的MI300?，它采用臺積電的CoWoS和集成芯片系統（SoIC）。AMD首席執行官蘇姿豐甚至表示，如果沒有臺積電，AMD就不可能做出MI300。

圖 6. 前 10 位專利擁有者的專利組合規模和專利資產指數（左）以及擁有最強組合的三位專利擁有者的先進封裝組合趨勢（右）——質量與數量圖表

圖 6 顯示了先進封裝領域排名前 10 位的廠商。臺積電顯然在這一領域占據主導地位，其次是三星和英特爾。其他參與者的規模要小得多，但技術重點也略有不同。Adeia、美光、北京智廣芯控股、西部數據和英飛凌并不專注于 CMOS 邏輯技術。聯發科和高通是無晶圓廠專利所有者。

圖6右側突出顯示了前三名公司的發展情況。由于 CMOS 邏輯的先進封裝取決于先進的半導體器件制造能力，這三家公司有能力進行大批量的先進封裝來滿足人工智能的蓬勃發展。英特爾和臺積電近年來都有著積極的發展。令人印象深刻的是，臺積電憑借更大的尺寸和更高的質量，使其穩居第一。隨著產品組合規模的擴大，三星的質量略有下降。

擴展摩爾定律

隨著這些單獨功能的需求，IP 模塊不斷增加，這些功能所需的電路規模也隨之增加。用于這些設備的半導體芯片變得如此之大以至于不易于制造。創新的解決方案是在單個較小的芯片或“小芯片”上制造此類IP塊，并使用先進的封裝將它們重新組合。這種方法還允許添加計算單元的芯片和/或小芯片與其他外部存儲器和神經網絡計算單元并將其連接起來，以提供更多的功能和性能。

對于高性能計算，芯片和小芯片之間更短的互連和更高的數據傳輸速率是必要的。將小芯片與間距僅 20 微米或更小的互連連接起來是尖端的先進封裝，稱為細間距封裝。臺積電的 SoIC 或英特爾的 Foveros Direct 可以實現這一點，從而實現高性能計算。廠商（例如AMD）已經將其采用臺積電制造的3D V-Cache 技術推向市場。

圖 7. 前 10 位專利所有者的細間距封裝組合規模趨勢

圖 7 反映了該領域的所有者及其投資組合的長期發展。臺積電在這項尖端技術方面很早就處于領先地位，并在過去十年中不斷發展。然而，其他參與者并沒有看到同樣水平的持續發展。近幾年Intel開始發展，增長明顯；英特爾目前的趨勢非常積極，但仍遠遠落后于臺積電。

展望未來

創新的步伐是不懈的——在先進半導體 CMOS 邏輯器件制造和先進封裝領域尤其如此。這兩種技術過去并行發展，但現在它們之間的界限正在消失。先進 CMOS 邏輯和先進封裝的共同開發將是實現下一代高性能計算設備的關鍵。