氧化镓商业化脚步渐近！TrendForce发布2024年科技12大趋势

化合物半导体市场 2023-10-17 20:09

【北京12.5号】无线前沿新技术与测试技术峰会 精密双向电流感应放大器设计方案

全球市场研究机构TrendForce集邦咨询针对2024年科技产业发展，整理科技产业重点趋势，化合物半导体以及其他内容请见下方：

其中与化合物半导体相关的内容为下面这一项：

材料与元件技术并进，氧化镓商业化脚步渐近

随着高压、高温、高频等应用场景的增加，氧化镓（Ga₂O₃）作为一种超宽禁带半导体材料，已经被认为是下一代功率半导体元件的有力竞争者，特别是在电动汽车、电网系统、航空航天等领域。

相较于气相生长的碳化硅与氮化镓，氧化镓单晶的制备可透过类似于硅单晶的熔融生长法来完成，因此拥有较大的降本潜力。

目前产业界已实现4英寸氧化镓单晶的量产，并有望在未来几年扩大至6英寸。

与此同时，基于氧化镓材料的肖特基二极管与晶体管在结构设计、制程等方面近年来亦取得了突破性的进展，首批肖特基二极管产品预计将于2024年投放市场，有望成为首个规模商用的氧化镓功率元件。

即使氧化镓仍存在导热性差与P型掺杂的缺失等棘手挑战，但相信随着功率半导体巨头的跟进，以及关键应用的牵引，其商业化指日可待。

以下是更多2024年科技产业发展重点趋势：

CSP加大AI投资，推升2024年AI服务器出货成长逾38%

伴随ChatBOT、生成式AI等在各应用领域发力，CSP业者如Microsoft、Google、AWS等加大AI投资力道，推升AI服务器（AI Server）需求上扬，TrendForce估算，2023年AI服务器（包含搭载GPU、FPGA、ASIC等）出货量逾120万台，年增将达37.7%，占整体服务器出货量达9%，2024年将再成长逾38%，AI服务器占比将逾12%。

除了NVIDIA与AMD的GPU解决方案外，大型CSP业者扩大自研ASIC芯片将成趋势，Google自2023年下半加速自研TPU导入AI服务器，年成长将逾7成，2024年AWS亦将扩大采用自研ASIC，出货量有望翻倍成长，其他如Microsoft、Meta等亦规划扩展自研ASIC计划，GPU部分成长潜力也因此受到侵蚀。

整体而言，2023~2024年主由CSP等业者积极投资带动AI服务器需求成长，2024年后将延伸至更多应用领域业者投入专业AI模型及软件服务开发，带动搭载中低阶GPU（如L40S等系列）等边缘AI Server成长，预期2023~2026年边缘AI服务器出货平均年成长率将逾两成。

HBM3e将推升全年HBM营收年增达172%

随着AI服务器（AI Server）建置热潮，带动了AI加速芯片需求，其中高频宽存储器（HBM）为加速芯片上的关键性DRAM产品。以规格而言，除了现有的市场主流HBM2e外，今年HBM3的需求比重亦随着NVIDIA H100/H800以及AMD MI300系列的量产而提升。

展望2024年，三大存储器厂商将进一步推出新一代高频宽存储器HBM3e，一举将速度提升至8Gbps，提供2024~2025年新款AI加速芯片更高的性能表现。AI加速芯片市场除了Server GPU龙头厂商NVIDIA、AMD外，CSP业者也加速开发自研AI芯片的脚步，产品共通点皆为搭载HBM。伴随训练模型与应用的复杂性增加，预期将带动HBM需求大幅成长。HBM相比其他DRAM产品的平均单位售价高出数倍，预期2024年将对存储器原厂的营收有明显助力，预估2024年HBM营收年增长率将达172%。

AI芯片幕后推手，2024年先进封装需求增，3D IC技术萌芽

半导体前段制程微缩逼近物理极限，先进制程领导厂商台积电（TSMC）、三星（Samsung）及英特尔（Intel）除了寻求晶体管架构的转变，封装技术的演进也已成为提升芯片效能、节省硬件使用空间、降低功耗及延迟的必要发展。TSMC及Samsung更先后在日本建立3D IC研发中心，凸显封装在半导体技术演进的重要性。

近年来，随着Chatbot兴起所带动AI应用蓬勃发展，协助整合运算芯片及存储器，以提供AI强大算力的2.5D封装技术需求也随之大增。2.5D封装主要透过前段制程提供硅中介层（Silicon Interposer），将数个不同功能及制程的芯片以并排的方式整合，再与PCB基板结合完成封装。事实上，包含TSMC的CoWoS、Intel的EMIB、Samsung的I-Cube等2.5D封装皆已发展数年，技术发展已趋于成熟并广泛应用于高效能芯片。

2024年各厂将致力提高2.5D封装产能以满足日渐升温的AI等高算力需求，同时，3D封装技术的发展也已萌芽。TSMC所提出的SoIC、Samsung的X-cube及Intel的FOVEROS皆已陆续发表，与2.5D封装主要的差异在于，3D封装去除了硅中介层，将不同功能的芯片以TSV(硅穿孔)的方式直接连接，降低封装高度、缩短芯片之间的传输路径、提高芯片运算速度。

除此之外，不同功能及制程的芯片如何有效整合以达到包含AI、自驾车等高算力、低延迟、低功耗需求，除了封装技术的突破，芯片之间连接的方式、甚至用于连接的材料，都将是科技发展的关注重点。

2024年全球非地面网络启动小规模商用测试，加速非地面网络应用普及

由于全球卫星营运商Starlink与Oneweb卫星布署数量稳定增加，加上3GPP Release17与Release 18提供5G新空中界面（New Radio）在非地面网络发展方向，让卫星营运商、芯片大厂、电信营运商与手机制造商共同合作完成初步非地面网络（NTN）场景验证。现阶段非地面网络主要聚焦在移动卫星通讯应用领域，由用户终端设备（UE）与卫星间，在特定场景下进行双向数据传输测试。

展望2024年，芯片大厂加速推出卫星通讯芯片趋势下，带动手机大厂以系统单晶片（SoC）模式将卫星通讯功能整合至高端手机内，在部分用户对高端手机有稳定需求下，让非地面网络朝向小规模商用测试发展，成为2024年加速非地面网络应用普及驱动因素。从移动卫星通讯长期发展趋势来看，卫星间雷射光链（Inter Satellite Link，ISL）通讯技术能在低轨卫星间传输数据资料，并同时传送至大规模跨区域用户终端设备，实现6G低延迟的全域通讯覆盖愿景。

2024年6G通讯规划启动，卫星通讯扮演关键角色

6G标准化规划于2024~2025年启动，首个标准技术将于2027~2028年推出，针对6G关键技术突破，除纳入超宽带（Ｕltra-Ｗideband）接收器（Receiver）和发射器（transmitter）技术外，地面和非地面网络整合、人工智能与及机器学习将引入更多创新。

6G将增加新技术应用，包括使用可重构智能表面技术（RIS）、太赫兹频段、光无线通讯（Optical Wireless Communication，OWC）、非地面网络实现高空通讯应用（NTN），以及沉浸式延展实境(XR)等更细致的感官体验，透过创新提供杀手级应用，如全像投影（Holographic）和触觉通讯（Tactile Communications）、数字孪生等。随着6G技术标准逐次敲定，低轨卫星将陆续支援6G通讯，预期全球低轨卫星部署活动会在6G商用前后达到高峰，估计应用于6G通讯、环境感测的无人机需求将在6G时代显著提高。

更多新创业者陆续加入，2024年Micro LED技术成本有望获优化

2023年是Micro LED做为显示技术迈入量产的关键年，而解决成本居高不下的问题将是接下来的首要之务。在芯片部分，微型化工程启动，做为大型显示器当前主流的34x58um将开始被20x40µm 、甚至是更小的16x27µm取代。预期仅透过芯片微缩的执行，未来四年期间Micro LED芯片所能达成的成本降幅，每年至少在20~25%。

转移是Micro LED制程中的核心，Stamp制程稳定，雷射则是速度（Unit per Hour，UPH）取胜。然而在迈入量产的当下，业界着眼于在效率与良率上取得更好的平衡点，以Stamp转移搭配雷射键合的混合转移模式，其冷加工概念能有效解决Stamp在热压合上所面临的压力与温度问题，也成为备受关注的生产模式。

AR透明显镜的微投影显示市场是Micro LED极具潜力的应用市场，因为极高的PPI（Pixel per Inch）要求，尺寸必须控制在5µm甚至更小的水平，伴随而来的芯片外部量子效率（EQE）低落问题也更为棘手。采用红、蓝、绿三色LED的方案虽然单纯，但红光效率低落的问题难以克服。以蓝光LED搭配量子点材料进行色转换虽然有效回避了上述挑战，但衍生而来的则有额外制程与材料寿命问题。

新创企业跳脱传统的切入方式，包含InGan基底的红光LED、RGB LED垂直堆栈等方案也同样引人注目。即使当前还难以判断哪个技术路线将成为主流，但百家争鸣的局面有利于催生最佳解决方案。零组件的改善、制程最佳化匹配、丰富的解决方案，在量产与应用多元化的吸引下，2024年将有更多厂商投入该领域的发展，在健全供应链的同时，也进一步优化Micro LED的成本架构。

AR/VR在不同的微型显示技术发展与竞争将更为激烈

在AR/VR等头戴装置需求的带动下，具备超高PPI近眼显示器需求提升，Micro OLED显示器正是其中代表技术之一。

虽然目前正式使用Micro OLED显示器的AR/VR装置并不多，但随着关键品牌客户的采用，Micro OLED显示器将有机会逐步扩大规模。未来针对个人化的显示器将持续发展，微缩化的趋势正在成形，这必须仰赖半导体制程与显示技术的整合，同时，不同的微型显示技术如Micro LED也正在持续发展中。目前Micro OLED显示器将是集半导体制程与AMOLED蒸镀制程工艺之大成，对Micro OLED面板厂商而言，能否取得稳定的晶圆代工资源做搭配将是一大关键。

新进厂商与既有厂商在产业资源的重新盘整已是现在进行式，同时，搭配的OLED技术也有望从现行的白光OLED技术，逐渐朝RGB OLED技术发展。不过Micro OLED显示器仍有其瓶颈，如亮度及发光效率上的限制，未来能否在头戴装置上取得主流地位，仍需观察各个微型显示技术的发展进程。

AR/VR在不同的微型显示技术发展与竞争将更为激烈

目前全球动力电池产业正在进入TWh智造时代，行业对高安全与高能量密度电池的需求更加突出，而目前主流的动力电池技术路线都已接近能量密度的天花板，现有材料体系对电池能量密度与安全性等方面的提升已不足以满足市场需求。

随着各大车厂与电池厂商加速在下一代电池技术的投资与研发，相关技术将迎来新突破，其中兼顾更高能量密度和安全性的固态电池技术成为各大企业研发的重点，并在产业化方面进行了更深入的探索和实践，包括凝聚态电池等半固态电池技术，其开发和商业化应用或将在2024年加快动力电池产业进入新一轮技术迭代，并对下一个十年动力电池产业新格局产生重要影响。

锂离子电池在电动车领域的地位明确，但在车辆类型众多且用途情境相异下，不同电池技术仍因特殊优势而存在。

钠离子电池因钠元素储量大且分布均匀使其具有低成本优势，但因能量密度也低，故适合打造对续航力较不敏感的低价电动车，目前中国电池厂正致力于将其产业化。

氢燃料电池则主打零排放、长续航、加氢速度快和支援冷启动，重型商用车是重点采用的类别，但氢燃料电池尚有能源转换效率低、制氢及储运成本高、制氢材料来源具争议等问题，加上产业成熟度不足下，目前市场上的乘用和商用车款仍少，需长续航的重型卡车大规模商用时间预计落于2025年后。

提高能源转换效率、续航力、充电效率将是2024年纯电动车的三大核心议题

从能源转换效率来看，具备低损耗优势的SiC芯片是提高BEV能源转换效率的关键零件，2024年SiC 8吋晶圆产能将逐渐释放，但良率仍待加强且多数产能已被下游厂商锁定，芯片成本降幅有限，而芯片端在缩小尺寸的目标推动下，将进一步提高「沟槽型芯片技术」的研发投入程度。

续航力方面，NCM（三元锂电池）及LFP（磷酸铁锂电池）仍为车厂首选，优化电池包结构、调整材料配比以提高能量密度、增加续航力为主要目标; 而具备高能量密度的固态电池将先以半固态电池在2023年下半年开始少量装车，2024年是观察半固态电池商业化的关键时间点。

充电效率方面，为缩短充电时间，800V平台的车型将明显增加，其可支援360 kW以上的高功率快充，高功率快充站的建设热潮也随之而起。此外，无线充电进展加快，美国提出电动车无线充电补助法案，密西根州将开放总长1.6公里的无线充电公路，充电方式朝向多元发展，可望降低车主的里程焦虑。

蓬勃发展的AI则协助电动车朝向高度自动驾驶迈进，在自动驾驶系统开发上，可靠度是判断是否进入市场化的关键，AI将扮演提高效率的角色，包括协助巨量图像的分类与标记工作、搭建仿真模拟场景。

随着其他车厂在智能驾驶领域的急起直追，Tesla Dojo超级计算机宣布进入量产，并计划在2024年投入10亿美元以Dojo进行神经网络训练，领先竞争者提出更先进的自驾系统、制定可负担的售价将是Tesla在智能驾驶领域站稳地位的利器。

全球绿化力道加大，AI模拟将成推动再生能源与脱碳制造关键

国际能源署（IEA）指出，2024年全球再生能源发电量有望达4,500GW，近乎等同化石燃料，主要是政策推广力道强化、化石燃料价格上涨、战争造成能源危机等。再生能源能发电若要稳定，电网、储能、管理等周边系统势必须以AI加速智能化并提升缓冲空间与精确度。以智能电网为例，监督式学习（Supervised Learning）优化电力输入输出、非监督式学习（Unsupervised Learning）改善数据撷取质量，以及负载预测（Load Forecasting）、稳定性评估等强化整体效益，皆是2024年能源绿化技术发展关键。

此外，2024年智能制造与能源管理面向将聚焦驱动系统能耗优化、全数据串连生态圈、以及可视化能源流动消费，藉由动态数字孪生（Dynamic Digital Twin）的虚实整合，将数据从碳流转为绿流，再化为金流。

此外，生成式AI、3D打印等技术能加速制造设计、生产建模等环节，减少资源浪费，后势颇具潜力。综观各领域的绿化诉求，组织首先须了解的是自家排碳量与碳足迹，因此碳盘查工具成云端大厂重点产品，并将持续以AI与机器学习，以优化碳排放量。

折叠手机的引领创新，新技术材料的商业化将推动OLED产业进一步拓展从小到大各式应用

在OLED折叠手机不断创新，成功制造市场话题后，新上市的折叠手机无不针对消费者的期望进行更大幅度的改善，例如更换轻量化复合材料在门板及屏幕支撑板，一体成形的水滴型铰链结构有效的减少零部件数量，甚至利用机壳盖板取代铰链龙骨，步步逼近直板机的厚度与重量。当折叠手机渗透率逐渐提升，除了不断的技术推演，还需要有效的降低成本，在未来市场普及的同时还能确保利润。

随着OLED在手机市场的渗透逐渐扩大，IT将是下一个OLED关键发展的战场。为了进一步拓展对现有IT市场的渗透，除了三星已宣布启动G8.7新厂的投资计划外，京东方规划中的B16、JDI在新技术eLEAP上的持续发展、维信诺朝OLED相关技术与市场的积极抢进，让面板厂在高世代的布局不仅仅是因应苹果在中尺寸应用的需求，也为OLED面板在拓展其他应用市场开启新的契机。预期2025年后新技术的开发与导入将打破FMM及蒸镀机台的尺寸限制，加上高寿命材料的商用化，高世代产线顺利进入量产，均有助于提升未来OLED在各应用的市场渗透率。

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