后摩爾時代的投資機會關(guān)注新集成、新材料、新架構(gòu)

1、目錄 HYPERLINK l _TOC_250006 1、 摩爾定律放緩，后摩爾時代來臨 3 HYPERLINK l _TOC_250005 2、 后摩爾時代的創(chuàng)新，關(guān)注新集成、新材料、新架構(gòu) 4 HYPERLINK l _TOC_250004 、 新集成：從平面轉(zhuǎn)為三維，先進封裝前景廣闊 5 HYPERLINK l _TOC_250003 、 新架構(gòu)：提升計算效率 8 HYPERLINK l _TOC_250002 、 新材料：更高性能，未來將高速成長 9 HYPERLINK l _TOC_250001 3、 后摩爾時代，先進封裝、第三代半導體等領(lǐng)域機會較大 11 HYPERLINK l _

2、TOC_250000 4、 風險提示 12圖表目錄圖 1： 摩爾定律：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目約每 18 個月便會增加一倍 3圖 2： 隨著技術(shù)節(jié)點的不斷縮小，集成電路制造的設(shè)備投入呈大幅上升的趨勢 4圖 3： 未來集成電路的長期演進有三種主流的路線 5圖 4： 半導體封裝技術(shù)發(fā)展大致分為四個階段 6圖 5： 傳統(tǒng)封裝向倒裝芯片、晶圓級封裝演進 6圖 6： 先進封裝收入增速遠高于傳統(tǒng)封裝市場 7圖 7： 我國 2015-2019 年先進封裝占全球比例逐漸提升 8圖 8： 第三代半導體材料具有高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射等特性 10圖 9： 全球 GaN 射頻器件市場規(guī)模 2

3、025 年將達 20 億美元 11圖 10： SiC 功率器件市場規(guī)模預(yù)計 2025 年將超過 25 億美元 11圖 11： 預(yù)計 2019 年至 2023 年全球射頻前端市場規(guī)模 CAGR 為 17%，2023 年達 313 億美元 11表 1： 主流封裝技術(shù)滲透領(lǐng)域廣泛，預(yù)期 CAGR 超 26%。 7表 2： 國內(nèi)大陸封測廠技術(shù)平臺已經(jīng)基本和海外廠商同步 8表 3： 當前市場四大主流指令集為 X86、MIPS、ARM、RISC-V 8表 4： 半導體材料的發(fā)展分三個階段 101、 摩爾定律放緩，后摩爾時代來臨國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導小組第十八次會議 5 月 14 日在北京召開。

4、會議要求，要高質(zhì)量做好“十四五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃編制工作，聚焦“四個面向”，堅持問題導向，著力補齊短板，注重夯實基礎(chǔ)，做好戰(zhàn)略布局，強化落實舉措。中共中央政治局委員、國務(wù)院副總理、國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導小組組長劉鶴還組織專題討論了面向后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)。后摩爾定律是根據(jù)摩爾定律提出的，摩爾定律是英特爾創(chuàng)始人之一戈登摩爾的經(jīng)驗之談，其核心內(nèi)容為：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過 18 個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能每隔兩年翻一倍。圖1：摩爾定律：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目約每 18 個月便會增加一倍資料來源：TEL然而近些年，隨著芯片工藝不斷演進

5、，硅的工藝發(fā)展趨近于其物理瓶頸，晶體管再變小變得愈加困難。一方面，技術(shù)難度迅速加大。目前最新的制程工藝節(jié)點為 5nm，使用的是 FinFET（鰭式場效應(yīng)晶體管）技術(shù)，而再往下的制程，將不得不使用 GAAFET（Gate-All- Around，閘極環(huán)繞場效應(yīng)晶體管）等新技術(shù)，這對于芯片制造廠商來說，是一項不小的挑戰(zhàn)。對于決定制程突破關(guān)鍵的上游設(shè)備廠商來說，5nm 以下的制程對設(shè)備的要求也極高，以光刻機為例，荷蘭ASML 是全球唯一有能力制造EUV 光刻機的廠商，而面向 3nm 及更先進的工藝，芯片制造商將需要一種稱為高數(shù)值孔徑 EUV（high-NA EUV）的 EUV 光刻新技術(shù)。據(jù) ASM

6、L 年報披露正在研發(fā)的下一代采用 high-NA 技術(shù)光刻機大約在 2024 年前后量產(chǎn)。另一方面，由于隨著技術(shù)節(jié)點的不斷縮小，集成電路制造設(shè)備的資本投入越來越高。在摩爾定律的推動下，元器件集成度的大幅提高要求集成電路線寬不斷縮小，導致生產(chǎn)技術(shù)與制造工序愈為復(fù)雜，制造成本呈指數(shù)級上升趨勢。當技術(shù)節(jié)點向 5納米甚至更小的方向升級時，普通光刻機受其波長的限制，其精度已無法滿足工藝要求。因此，集成電路的制造需要采用昂貴的極紫外光刻機，或采用多重模板工藝，重復(fù)多次薄膜沉積和刻蝕工序以實現(xiàn)更小的線寬，使得薄膜沉積和刻蝕次數(shù)顯著增加，意味著集成電路制造企業(yè)需要投入更多且更先進的光刻機、刻蝕設(shè)備和薄膜沉積設(shè)

7、備等，造成巨額的設(shè)備投入。以 5 納米技術(shù)節(jié)點為例，其投資成本高達數(shù)百億美元，是 14 納米的兩倍以上，28 納米的四倍左右。巨額的設(shè)備投入只有具備一定規(guī)模的頭部集成電路制造廠商可以負擔。圖2：隨著技術(shù)節(jié)點的不斷縮小，集成電路制造的設(shè)備投入呈大幅上升的趨勢每5萬片晶圓產(chǎn)能的設(shè)備投資（百萬美元）21,49515,55711,4208,4492,1342,5043,0823,9504,7466,2722500020000150001000050000數(shù)據(jù)來源：IBS、中芯國際招股說明書、研究所因上述原因，摩爾定律逐漸放緩，同時，隨著 5G 及物聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展，接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備越來越多，對于算力及存

8、儲的需求迅速提升，以硅為主體的經(jīng)典晶體管很難維持集成電路產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，后摩爾時代到來。因此不僅我國于 5 月 14 號討論了后摩爾時代的關(guān)鍵技術(shù)，美國也早在 2016 年就部署了“后摩爾時代”創(chuàng)新支持、并在 2017 年啟動“后摩爾時代”電子復(fù)興計劃，歐盟在 2018 年也提出了“后摩爾時代半導體增值策略”。2、 后摩爾時代的創(chuàng)新，關(guān)注新集成、新材料、新架構(gòu)未來集成電路的長期演進有三種主流的路線：More Moore（使用創(chuàng)新半導體制造工藝縮小數(shù)字集成電路的特征尺寸）、More than Moore（在系統(tǒng)集成方式上創(chuàng)新，系統(tǒng)性能提升不再靠單純的晶體管特征尺寸縮小，而是更多地靠電路設(shè)計以及系

9、統(tǒng)算法優(yōu)化）、Beyond CMOS（使用CMOS 以外的新器件提升集成電路性能）。圖3：未來集成電路的長期演進有三種主流的路線資料來源：ITRS前面我們已經(jīng)提到，目前 More Moore（使用創(chuàng)新半導體制造工藝縮小數(shù)字集成電路的特征尺寸）技術(shù)上難度較高，而且從成本上也較高。因此將更多采用 More than Moore（在系統(tǒng)集成方式上創(chuàng)新，系統(tǒng)性能提升不再靠單純的晶體管特征尺寸縮小，而是更多地靠電路設(shè)計以及系統(tǒng)算法優(yōu)化）及 Beyond CMOS（使用 CMOS 以外的新器件提升集成電路性能）來進行突破。More than Moore 主要是通過新集成（如 3D 封裝、SiP 等先進封裝

10、）及新架構(gòu)（如以 RISC-V 為代表的開放指令集將取代傳統(tǒng)芯片設(shè)計模式，更高效應(yīng)對快速迭代、定制化與碎片化的芯片需求）來進行突破。Beyond CMOS 主要是以除了硅以外的第二代半導體（GaAs）、第三代半導體（GaN、SiC）等新材料來進行突破。、 新集成：從平面轉(zhuǎn)為三維，先進封裝前景廣闊摩爾定律發(fā)展受限，先進封裝因能同時提高產(chǎn)品功能和降低成本是主流發(fā)展方向：小型化：3D 封裝首先突破傳統(tǒng)的平面封裝的概念，通過單個封裝體內(nèi)多次堆疊，實現(xiàn)了存儲容量的倍增，進而提高芯片面積與封裝面積的比值。高集成：系統(tǒng)級封裝 SiP 能實現(xiàn)數(shù)字和非數(shù)字功能、硅和非硅材料、CMOS和非 CMOS 電路等光電、

11、MEMS、生物芯片等集成在一個封裝內(nèi)，完成子系統(tǒng)或系統(tǒng)，在不單純依賴半導體工藝縮小的情況下，提高集成度，以實現(xiàn)終端電子產(chǎn)品的輕薄短小、低功耗等功能，同時降低廠商成本。半導體封裝技術(shù)發(fā)展大致分為四個階段，芯片封裝目前處于第三階段成熟期，正向第四階段演進。全球封裝技術(shù)的主流處于第三代的成熟期，主要是 CSP、BGA封裝技術(shù)，目前封測行業(yè)正在經(jīng)歷從傳統(tǒng)封裝（SOT、QFN、BGA 等）向先進封裝（FC、FIWLP、FOWLP、TSV、SIP 等）的轉(zhuǎn)型。圖4：半導體封裝技術(shù)發(fā)展大致分為四個階段資料來源：半導體行業(yè)觀察、研究所先進封裝技術(shù)未來發(fā)展方向朝著兩大板塊演進。先進封裝技術(shù)與傳統(tǒng)封裝技術(shù)以是否焊

12、線來區(qū)分，先進封裝主要有倒裝芯片(FC)結(jié)構(gòu)的封裝、晶圓級封裝(WLP)、 2.5D 封裝、3D 封裝等。未來發(fā)展方向：一個是以晶圓級芯片封裝WLCSP(Fan-In WLP、 Fan-out WLP 等)，在更小的封裝面積下容納更多的引腳數(shù);另一方向是系統(tǒng)級芯片封裝(SiP)，封裝整合多種功能芯片于一體，壓縮模塊體積，提升芯片系統(tǒng)整體功能性和靈活性。圖5：傳統(tǒng)封裝向倒裝芯片、晶圓級封裝演進資料來源：拓璞產(chǎn)業(yè)研究院更高集成度的廣泛需求，以及 5G、消費電子、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和高性能計算等大趨勢的推動，先進封裝規(guī)模預(yù)計保持較高增速。據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，先進封裝在 2018-2024 年間，預(yù)計將

13、以 8%的 CAGR 成長，到 2024 年達到近 440 億美元。在同一時期，傳統(tǒng)封裝市場規(guī)模預(yù)計僅以 2.4%的 CAGR 成長，而整個 IC 封裝產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模CAGR 約為 5%。圖6：先進封裝收入增速遠高于傳統(tǒng)封裝市場資料來源：Yole其中主流先進封裝技術(shù)滲透領(lǐng)域廣泛，預(yù)計 CAGR 超 26%。隨著智能駕駛、 AIOT、數(shù)據(jù)中心及 5G 等市場的成熟，Yole 預(yù)計 2.5D/3DTSV 技術(shù)、FanOut 技術(shù)、 ED 等主流先進封裝技術(shù)的市場規(guī)模將保持高速增長，2018-2024 年 CAGR 分別達 26%、26%、49%。表1：主流封裝技術(shù)滲透領(lǐng)域廣泛，預(yù)期 CAGR 超 2

14、6%。技術(shù)名稱2018-2024 年 CAGR滲透應(yīng)用領(lǐng)域2.5D/3DTSV26%手機、汽車等FAN-OUT26%AI/ML、HPC、數(shù)據(jù)中心、CIS、MEMS/傳感器等Embedded Die(ED)49%汽車、醫(yī)療等資料來源：Yole、研究所中國先進封裝市場產(chǎn)值全球占比較低，但是占比穩(wěn)步提升，國內(nèi)大陸封測廠技術(shù)平臺已經(jīng)基本和海外廠商同步。我國的封裝業(yè)起步早、發(fā)展快，但是主要以傳統(tǒng)封裝產(chǎn)品為主，近年來國內(nèi)廠商通過并購，快速積累先進封裝技術(shù)，技術(shù)平臺已經(jīng)基本和海外廠商同步，WLCSP、SiP、TVS 等先進封裝技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，2015-2019 年先進封裝占全球比例逐漸提升。圖7：我國 2

15、015-2019 年先進封裝占全球比例逐漸提升16%14%12%10%8%6%4%2%0%我國先進封裝規(guī)模占全球封測的比例13.6%14.8%11.9%12.8%10.3%10.9%201520162017201820192020E數(shù)據(jù)來源： Yole、研究所表2：國內(nèi)大陸封測廠技術(shù)平臺已經(jīng)基本和海外廠商同步公司名稱SIPTSVWLCSPBUMPFan-outFC日月光有有有有有有安靠科技有有有有有有長電科技有有有有有有矽品精密有有有有有有通富微電有-有有-有華天科技有有有有有有資料來源：中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)、研究所、 新架構(gòu)：提升計算效率指令集架構(gòu)是 CPU 用來控制和計算指令的一種規(guī)范，所有采用

16、高級語言編出的程序，都需要翻譯（編譯或解釋）成為機器語言后才能運行，這些機器語言中所包含的就是一條條的指令。每一種新型的 CPU 在設(shè)計時就規(guī)定了一系列與其他硬件電路相配合的指令系統(tǒng)，而指令集的先進與否，也關(guān)系到CPU 的性能發(fā)揮，因為指令系統(tǒng)決定了一個 CPU 能夠運行什么樣的程序。打個比方，表達同一個意思用漢語的字數(shù)通常少于用英語的單詞數(shù)，如果某人讀一個漢字的速度等于另一個讀一個英語單詞的速度，那么理解同一句話，讀漢字的人花的時間就更少。序號架構(gòu)發(fā)明時間特點代表廠商應(yīng)用情況表3：當前市場四大主流指令集為 X86、MIPS、ARM、RISC-V1X861978 年性能高，速度快，兼容性好2M

17、IPS1981 年龍芯網(wǎng)關(guān)、機頂盒市場應(yīng)用廣泛性3ARM1983 年成本低，低功耗蘋果、谷歌、IBM、華為移動端優(yōu)勢明顯4RISC-V2014 年模塊化，極簡，可拓展三星、英偉達、西部數(shù)據(jù)智能穿戴產(chǎn)品上應(yīng)用廣泛簡介，優(yōu)化方便，高拓展英特爾、AMDPC 市場優(yōu)勢明顯資料來源：CSDN、研究所RISC-V 推動指令集架構(gòu)創(chuàng)新。RISC-V 指令集完全開源，設(shè)計簡單，易于移植Unix 系統(tǒng)，模塊化設(shè)計，完整工具鏈，同時有大量的開源實現(xiàn)和流片案例，得到很多芯片公司的認可，英偉達的 GPU 也使用了 RSIC-V 內(nèi)核，組成了異構(gòu)計算單元。以 RISC-V 為代表的開放指令集及其相應(yīng)的開源 SoC 芯片

18、設(shè)計、高級抽象硬件描述語言和基于 IP 的模板化芯片設(shè)計方法，將取代傳統(tǒng)芯片設(shè)計模式，更高效應(yīng)對快速迭代、定制化與碎片化的芯片需求。目前 RISC-V 適用于現(xiàn)代云計算、智能手機和小型嵌入式系統(tǒng)，未來有望成為和X86、ARM 比肩的重要架構(gòu)。異構(gòu)計算（CPU+GPU、CPU+FPGA、CPU+ASIC 等）是將不同的任務(wù)分配給對應(yīng)的芯片進行處理，能夠充分發(fā)揮不同計算平臺的優(yōu)勢以提升計算效率（例如讓 CPU 從事管理和調(diào)度，而將計算交給運算能力更強的 GPU），隨著 AI 技術(shù)的發(fā)展（尤其是 CUDA 等技術(shù)的出現(xiàn)），異構(gòu)架構(gòu)目前已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。2021年 3 月 ARM 推出指令集更

19、新ArmV9，完全兼容前代 V8，同時以安全性、AI 性能、矢量計算拓展三大優(yōu)勢實現(xiàn)下游應(yīng)用的從端到云，從高能效到高性能的全面覆蓋。在異構(gòu)計算時代，采用Arm 指令集的Cortex A 系列 IP 核相較于X86 指令集的 IP 核具有先發(fā)優(yōu)勢，英特爾直到 2019 年才推出同時使用 SunnyCove 大核和TreMont 小核的 LakeField 異構(gòu)處理器。同時，存算一體架構(gòu)將原有的以計算為中心的架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)據(jù)為中心的架構(gòu)，消除了馮諾依曼架構(gòu)的瓶頸，適合于后摩爾時代如 AI 深度學習等大容量大規(guī)模并行計算的場景，前景廣闊。、 新材料：更高性能，未來將高速成長Beyond CMOS 主

20、要是以除了硅以外的第二代半導體（GaAs）、第三代半導體（GaN、SiC）等新材料來進行突破。半導體材料的發(fā)展分三個階段：第一階段是以硅（Si）、鍺（Ge）為代表的第一代半導體原料；第二階段是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等化合物為代表；第三階段是以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、硒化鋅（ZnSe）等寬帶半導體原料為主。第三代半導體材料具有高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射等特性，可以實現(xiàn)更好電子濃度和運動控制，特別是在苛刻條件下備受青睞，在 5G、新能源汽車、消費電子、新一代顯示、航空航天等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。主要材料主要應(yīng)用表4：半導體材料的發(fā)展分三個階段第一代半導體鍺（G

21、e）、硅（Si）等單元素半導體III-V 族化合物半導體，典型代表是砷化鎵（GaAs）、主要應(yīng)用于低電壓、低頻、中功率晶體管和光電探測器，Si是半導體分立器件、集成電路，以及太陽能電池的基礎(chǔ)材料，是信息產(chǎn)業(yè)的基石高頻、低噪音，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動通信、光通信和第二代半導體第三代半導體磷化銦（lnP）、銻化銦（lnSb），以及鋁砷化鎵（AlGaAs）、銦砷化鎵（lnGaAs）等主要代表是氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）其他還包括氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）GPS 導航系統(tǒng)領(lǐng)域最早在光電子領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，例如 LED 和激光器，可廣泛應(yīng)用在高壓電、高功率、高頻等領(lǐng)域，如電力電子、電源管理、無線通信等資料來源：電子說、研究所圖8：第三代半導體材料具有高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射等特性資料來源：電子說第二代及第三代半導體市場規(guī)模將保持高速增長。根據(jù) Yole development 的預(yù)測，全球 GaN 射頻器件市場規(guī)模將從 2019 年的 7.4 億美元達到 2025 年的 20 億美元，CAGR 約 12%；全球 SiC 功率器件市場規(guī)模 2018 年為 3.7 億美元，而預(yù)計 2025年將超過 25 億美元，2019-2025 年 CARG 約 30%。圖9：全球 GaN 射頻器件市場規(guī)模 2025