2023年全球半导体行业10大技术趋势

全芯时代 2022-12-30 08:28

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在2022年之初，整个电子产业仍处于芯片供应短缺之时，没有人能想到反转来得这么快。进入下半年来，PC、智能手机等消费电子市场接连交出出货严重下滑的数据，下游需求疲软也直接影响到上游的芯片公司和晶圆代工厂，整个半导体行业有了“一夜入冬”的感觉。进入回调期后，全球半导体销售额及需求增速明显放缓，行业内追涨扩产的晶圆厂商显著缩减其资本支出，半导体行业指数也在2022下半年大幅回撤。

与此同时，美国逆全球化的技术封锁行为，也进一步刺激了其他国家在先进半导体技术上的突围决心。诸如Chiplet、先进封装、高性能计算芯片、硅光芯片和宽禁带半导体等新兴技术领域的研发捷报频传。

AspenCore全球分析师团队在这一年中与业内专家和厂商交流，总结分析后挑选出了2023年全球半导体行业将出现或高速发展的10大技术趋势。

以AR/VR硬件和内容为入口，元宇宙生态加速成长

以苹果、Meta、索尼、PICO为代表的行业巨头，在经过前期技术投入与沉淀之后，将在2023年推出更多的AR/VR产品，特别是苹果MR设备的加入，将进一步加速硬件迭代升级，相关内容生态和产业链生态也将逐步建立与完善。

在硬件上，硅基OLED技术更加成熟，整体产能也将得到进一步提升，将与逐渐趋向主流化的Pancake光学方案“完美配合”，带来更好的舒适度和沉浸感;从成本角度考虑，Pancake+MiniLED背光Fast-LCD组合,仍将是主流硬件方案。

在交互上，交互操作将配置更多的传感器和智能硬件，以满足面部追踪、眼动追踪等交互技术多样化和更自然的人机交互的需求，同时软件即操作系统也将获得新进展，特别是苹果MR设备可能又一次定义交互方式，掀起交互方式模仿风潮，不过苹果MR设备在初期可能仍需要依托iPhone生态，作为其一个昂贵的配件或产品功能的延伸。

在内容上，元宇宙内容端不断丰富，将进一步拓宽游戏以外的需求，比如影视动画、音乐会、直播等，同时相关新内容的制作方将更多参与进来，利好硬件与内容生态正向循环。在应用上，应用场景不断向消费和工业端延伸，其中远程工作会议、远程教育、视频社交、线上营销、线上旅游等应用场景，将以多样化交互方式进行交流与体验，比如Meta高端VR头显Quest pro已引入办公场景。

在数据应用上，基于丰富的内容和场景数据，元宇宙将与人工智能、数字孪生、区块链等技术深度融合发展，通过数字化、虚拟化重构现实世界的产品、流程或操作，替代或辅助人去发挥一些建设性的作用，比如安全培训、工业设计与制造等。

Chiplet拐点已至

摩尔定律逐步逼近物理极限、芯片先进制程产能紧缺、全球大环境局势紧张，种种因素使得具有高性能、低功耗、高面积使用率以及低成本优势的Chiplet技术越发受到重视。Omdia数据显示，预计到2024年，全球Chiplet市场将达58亿美元，而到2035年,这一数字将发展至570亿美元。

众所周知，摩尔定律的前进脚步正日渐趋缓，利用先进工艺提升芯片性能的方式不但越来越难以实现，而且也难以满足性能提升与成本下降的双重需求。在这样的背景下，把大的芯片拆解成一些小的芯片，再进行封装或异构的Chiplet技术将成为一个比较好的选项。这意味着，Chiplet技术在某种程度上延续了摩尔定律，半导体器件未来将可以采用多种方式集成，系统空间的功能密度将持续增长。

同时，对于渴望创新的中国半导体厂商来说，如何利用好Chiplet技术，使IP复用和硬件化用于异构集成，是加快下游企业迭代、实现多元化创新并提高良率、降低成本的重要一环。

需要指出的是，Chiplet技术的普及还面临许多技术方面的挑战，不仅包括物理电气工艺/构型、中介层(Interposer)和导线材料、通信互连/I/O、模拟/逻辑设计规则、电源和信号控制等挑战，同时还面临着生态和制造端的挑战。

这里尤其需要强调先进封装技术的重要性。考虑到Chiplet技术的最终目的是要整合成一颗“系统级芯片”，这就要求每颗芯粒之间拥有高密度的互联，才能实现类高速的互联，达到类似原来单颗大芯片中各个功能模块间的信号传输速度，这并非易事。

受新能源汽车等需求驱动，碳化硅应用价值凸显

由于碳化硅器件高效率、高功率密度等特性，新能源汽车、太阳能光伏、5G通信、智能电网等领域的强劲需求有望在2023年带动碳化硅渗透率快速提升。在新能源汽车领域，车载逆变器、车载充电器、DC/DC变换器、充电装置等SiC功率器件将随着汽车电动化及800V高压平台的大规模上车，进入快速爆发阶段。

保时捷、特斯拉、比亚迪等头部新能源车厂带来的“示范效应”，将推动更多车企逐步采用SiC方案，特别是在更多高端车型上布局800V 高压快充方案，以提升续航里程，加速800V架构时代的到来。

在太阳能光伏领域，受益“双碳”刚性政策目标以及叠加能源转型需求，碳化硅器件在光伏逆变器中将得到更大范围应用，以延长逆变器寿命，降低由于替换光伏逆变器带来的成本，满足光伏电站特高压输电的需求。

同时，随着“新基建”的提速部署，将推动以碳化硅为代表的第三代半导体产业进入发展红利期，进一步在5G基建、特高压、城际高铁和城际轨道交通、智能电网、大数据中心和工业互联网等新基建领域实现全方位渗透。

另外，基于降低应用成本的考虑，大尺寸碳化硅研发将从6英寸向8英寸发展，预计8英寸碳化硅衬底集中量产时间在2023年出现，行业有望迎来爆发拐点。

HPC高性能计算的主角，彻底转向加速计算

早年HPC和超算的宣传，普遍在强调CPU这类通用处理器的核心数与算力;超算主角也多为IBM、Intel之类的角色。不过这些年的ISC顶会，英伟达这类着眼在GPU、AI芯片之类加速计算的角色显然更加活跃。

这两年的TOP500榜单上，频繁可见采用英伟达GPU与DPU的选手。今年GTC Spring上，英伟达总结超算的5大应用领域：边缘、HPC + AI、模拟、数字孪生、量子计算。

这些抽象还是比较准确的。普罗大众所知的气候预测、蛋白质折叠之类的科研问题都可归结于其中;而更多人关心的“元宇宙”也归属于模拟与数字孪生。从这个角度来看，加速计算硬件成为主角几乎成为HPC领域的必然，因为这些应用无一不对大规模并行计算有如饥似渴的算力需求。加速计算硬件载体往上是GPU、DPU、AI芯片，往下可能还包含FPGA和更多形态的专用芯片。

摩尔定律面临终结，最直接影响的就是CPU这类通用计算芯片的算力提升速度，这在全社会数字化转型的大环境下是整个人类科技发展需求不能接受的。于是包括AI技术在内的更专用的加速计算越来越在大算力市场占有一席之地。

“DPU”这个形态的专用芯片兴起，于HPC和超算的主要价值，在于为GPU、AI芯片为算力主体，DPU需要为不同节点的性能“聚合”和最大化性能发挥提供新的载体。DPU的存在，本身就表现出了加速计算的新趋势。再加上“低碳化”时代走向，CPU这个形态的芯片在大算力市场正逐步被边缘化。像Grace Superchip这类CPU的存在，更多的不过是为了兼容FORTRAN老应用罢了。

3D异构封装黄金时代强势来袭

3D异构封装是指将单独制造的“组件”以搭建乐高积木的形式整合到更高层次的系统级封装(System in a Package)，以使整体性能提升。在该定义中，“组件”可以是任何单元，例如单颗芯片、MEMS器件、被动元件、甚至是子系统，涉及到材料、元件类型、电路类型、工艺节点、互连方法等众多关键技术，需要代工厂、封装厂、EDA厂商、材料厂商等供应链上多个环节的支持。

但系统级封装并不是随便将若干个芯片封装在一起就可以的，而是必须满足下列条件才行：1. 封装后体积必须变小;2. 须整合不同类型的封装技术;3. 必须包含各种类型的主动与被动元件。

根据Yole Developpement最新的数据，以2.5D/3D异构封装为代表的先进封装市场总收入在2021年达到了321亿美元，预计2027年将以10%的年复合年增长率(CAGR) 达到572亿美元，5G、汽车信息娱乐/高级驾驶辅助系统(ADAS)、人工智能(AI)、数据中心和可穿戴应用的大趋势继续推动先进封装向前发展。而在封装的各个细分类别中，尤以2.5D/3D封装市场的年复合增长率最大，将从2021年的67亿美元增加到2027年的147亿美元，高达14.34%。

总体而言，封装/组装业务正在发生范式转变，传统意义上属于OSAT和IDM的领域，正面临来自不同商业模式、代工厂、基板/PCB供应商的挑战和蚕食。但他们彼此之间的关系并非是独立的、排他的，毕竟，封装的进步是多个方面创新的集合，并且有时需要阶跃函数式的进步，以及多方面的提升，需要产业链上的所有合作伙伴及利益相关者共同发挥作用，以应对挑战和变化。

兼顾低功耗大算力，存算一体方案陆续面世

在去年的10大技术趋势预测中，我们介绍了存算一体技术兼顾功耗与大算力，在突破“存储墙”和“功耗墙”方面较传统冯·诺依曼架构有着不可比拟的优势，被业界和资本届普遍看好。

2022年，存算一体无论在理论研究还是实质产品上都迎来了小爆发。2022 ISSCC上，SK海力士、台积电等多家国际大厂发表关于存内计算存储器IP的论文, SK海力士还发表了基于GDDR接口的DRAM存内计算成果，并展示了其首款基于存内计算技术产品GDDR6-AiM的样本;10月份，SK海力士还推出了业界首个将计算功能与CXL存储器相结合的CMS;三星在2022 Hotchip上披露了其HBM-PIM方案，是业界第一个可编程的PIM解决方案，Myhtic的存算一体模拟AI芯片也有了新进展。

国内专注存算一体公司有阿里达摩院、知存科技、苹芯科技、九天睿芯、后摩智能、合肥恒烁、闪忆科技、新忆科技、杭州智芯科等。今年多家公司获得亿元级融资，用于新品研发和人才建设，其中有厂商已经实现流片甚至量产。

从目前来看，大多数厂商基于较易获得、流片成本较低的SRAM进行开发，也有基于DDR的，不过这些易失性存储器断电后无法保存数据，仍面临数据传输的问题。也有一部分走Flash路线的方案，虽然可以保存处理后的数据，且成本低、容量大，但存取速度慢，依然限制着未来存内计算芯片的速度。

我们预计，未来基于新型存储器如MRAM、ReRAM才是存算一体的终极形态，他们在算力潜能、算力精度和算力效率等主要指标上有着数量级优势。但这些新型存储器的技术工艺尚不成熟，只能期待在未来几年能够实现突破。

ADAS进阶Level 3，“初级自动驾驶”上路

新能源汽车智能化成为主流趋势，其核心是实现自动驾驶。自动驾驶共分5个级别，现阶段以Level 2级别的ADAS(高级辅助驾驶系统)为主，跨过Level 2级别后进入的Level 3级别可以初步称为自动驾驶汽车。到2023年，Level 3级别的ADAS市场规模将逐步起量，到2027年有望与Level 2的市场规模持平，并不断蚕食Level 2汽车销量，成为全球乘用车最常见的自动驾驶汽车级别。

为此，各家厂商也在积极推动并瓜分自动驾驶市场这块大蛋糕，比如瑞萨、恩智浦等芯片厂商开始提供相关解决方案;英伟达最新推出的算力高达2000TOPS的Thor芯片;Mobileye推出适用于自动驾驶的 EyeQUltra、EyeQ6 Light 和 EyeQ6 High SoC;高通的骁龙Ride自动驾驶解决方案瞄准中高端自动驾驶市场。

自动驾驶等级越高，意味着汽车须做出足够快速的决策，而且其研发支出和进入壁垒更高。自动驾驶解决方案除核心 AI 芯片，还应包括连接、传感系统、图像训练模型、ADAS 地图开发、路线规划、车辆控制、驾驶员监控系统(DMS)、自然语言处理(NLP)和智能座舱解决方案。自动驾驶芯片还必须能够提供定制的和区域特定的算法。这些需要通过汽车 OEM 和自动驾驶芯片公司的合作来实现。可见自动驾驶芯片的进阶具有更多的挑战性，且投资回收期很长。

不过目前来看，随着摄像头和雷达等ADAS传感器成本的下降，Counterpoint预计到2024年全球ADAS在汽车出货量中的渗透率将达到78.7%。在电动汽车全面“起飞”之时，ADAS进阶将加速且全面渗透该市场。

手机卫星通信或快速普及

2022年秋季，华为在苹果新品会之前抢先发布了具有卫星通信功能的Mate50，以“捅破天”的方式掀起了手机卫星通信市场之争。在5G基本普及的情况下，华为Mate50凭着超前的卫星通信再次成为热门手机。

苹果随后也发布了同样带有卫星功能的iPhone14 Pro系列，坐实了这家全球顶级厂商对于手机卫星通信功能的重视。同时，Android 14 开发者预览版可能会在 2023年2 月启动。据业界分析谷歌可能通过Android 14大版本更新，引入对卫星连接功能的支持。

在半导体产业链上，中国已经可以量产支持北斗短报文的卫星通信芯片，苹果的卫星通信功能芯片主要依赖高通，也可以实现量产。因此，手机卫星通信功能的软硬件两个因素都已具备。随着Android 14的推出，安卓手机厂商或将在2023年下半年开始全面普及卫星通信功能。

目前手机上的卫星通信功能主要局限在SOS求救，华为采用北斗卫星通信增加了轨迹功能，以数字短报文字符转化成轨迹坐标的方式实现。类似移动通信2G时代推出的低速GPRS和EDGE，手机卫星通信上网或许也会走这样一条路。

另一方面，星链走的是一条全新的直接联网的高速通道，但需要一个 “大锅”转发，这种模式只有大幅降低成本才可能普及。

与移动通信从2G进化到3G、4G一样，低速卫星通信上网终究只会是一种过渡形式，高速连接才是最终的道路，而这一天，或许要等到6G。

5G将发展到Advanced高级阶段

虽然在非个人用户的垂直行业应用上5G正在发挥作用，普罗大众现阶段对5G的感知仍然不够强烈。这与5G发展阶段仍比较初级有关。

实际2022年的手机modem才开始对R16的部分特性做出支持，包括载波聚合、新的节能特性等。3GPP确立真正的6G标准预计是在2025年前后，则6G技术应用至少要等到2030年。从另一个角度来看，这表示5G还有很长的发展时间。

2021年12月确立的Release 18，属于5G技术发展的一次大跨步演进，是5G Advanced的首个Release版本。R18内容涵盖了XR(扩展现实)和媒体服务器、边缘计算、基于AI的服务、网络自动化等。预计R18第三阶段将于2023年冻结。

除了节能、网络覆盖、迁移支持、MIMO、频谱弹性化利用等特性的加强，R18的一大价值在行业数字化的加强上：包括工业互联网、能源互联网、采矿业、港口、医疗健康、运输等都需要网络来提供差异化的业务体验，提供针对业务结果的明确的服务品质协议(SLA)保证。

5G Advanced考虑多样化需求，以期满足多样化和复杂的业务环境，总的来说有三大特性：AI、聚合、服务。AI用于网络规模持续增长过程中在各层级提供智能的技术支持;而聚合是指不同访问模式、网络的聚合，包括各行各业的网络;使能则指5G在各行各业的应用，5G从基础设施演变为赋能服务。

5G Advanced的确立和应用可能会成为前些年5G刚刚问世时，人们对于5G技术未能实现的场景的最终落地。

硅光芯片用途多，成“超越摩尔”新看点

后摩尔时代芯片工艺主要分为三大路线，一是继续优化CMOS工艺的“延续摩尔”路线，二是利用先进封装技术实现系统级封装的“扩展摩尔”路线，三是通过新材料新器件实现的“超越摩尔”路线。

“硅光技术”属于第三条路，通过传统微电子 CMOS 工艺实现光电子器件和微电子器件的单片集成。由于光子彼此间的干扰少，芯片间及芯片内光互联可以承载更多的信息和传输更远的距离，提供相较于电子芯片高两个数量级的计算密度与低两个数量级的能耗。此外相较于量子芯片，光子芯片不需要改变二进制的架构，能够延续当前的计算机体系。

应用方面，大型分布式计算、大数据分析、云原生应用等数据中心相关场景，以及人工智能等对算力要求极高的计算场景，硅光芯片的价值均能得到很好的体现。而且相比普通光模块，硅光模块具有低功耗、高集成和高速率等优势，能够显著降低需要大量光模块的数据中心成本。

从产业链进展看，全球硅光产业链已经逐渐成熟，美国企业占据了硅光芯片和模块出货量龙头位置。国内厂商进入该领域较晚，市场份额相对较小，但也在硅基关键光电子集成器件等方面取得了一系列重要成果。

利用不同种材料发挥其各自光电特性优势的硅基光电异质集成技术是近年来的趋势，目前主要采用基于 SOI(绝缘衬底上硅)衬底的制造平台，已能实现探测器与调制器的单片集成。不过硅材料本身的光电性能、光计算的精度以及硅光芯片的设计、封装等环节尚未标准化和规模化，仍有待解决。

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