隨著市場跟上人工智能應用的日益增長，半導體行業(yè)將在2025年在功率元件、先進封裝和HBM方面取得突破。
在準備進入 2025 年之際，技術繼續(xù)以前所未有的速度發(fā)展。隨著科技行業(yè)的變化，半導體行業(yè)也在發(fā)生變化，該行業(yè)正在轉型以支持新的應用。由于半導體一直是技術創(chuàng)新的核心，電子元件的創(chuàng)新對于驅動下一代智能手機和人工智能 (AI) 至關重要。
隨著不同行業(yè)領域出現新趨勢，全球市場將在未來一年和十年內發(fā)生重大轉變。這些趨勢將影響半導體的設計方式以及它們需要哪些功能來幫助新產品在技術領域具有競爭力。
人工智能，作為當今科技領域的王者，將在 2025 年及未來幾年繼續(xù)塑造電子元件供應鏈。
人工智能助力HBM定制化興起
人工智能的快速發(fā)展是過去兩年半導體創(chuàng)新最重要的驅動力之一。在整個 2025 年，人工智能將繼續(xù)融入更廣泛的設備中，例如 2024 年底推出的 PC。特定組件領域對定制的需求日益增長，引起了整個半導體行業(yè)的興趣。
例如，Nvidia、Intel和AMD一直負責設計以 AI 為中心的處理器，包括 GPU 和 CPU。這些組件專門針對自然語言處理、深度學習和生成響應進行了優(yōu)化。在未來幾年，我們可以期待這些組件實現創(chuàng)新，采用更具創(chuàng)新性的神經形態(tài)設計，模仿類似人類大腦的功能。
然而，去年人們對高帶寬內存 (HBM) 的關注度不斷提高，因為它的功能使其成為大型語言模型 (LLM) 開發(fā)人員的熱門選擇。由于供應越來越緊張，制造商投入了更多產能和資源來開發(fā) HBM，從而帶來了新的定制化需求。
三星半導體副總裁兼 DRAM 產品規(guī)劃主管 Indong Kim 討論了 HBM 在 AI 應用領域的能力所帶來的新發(fā)展。
Kim 表示：“HBM 架構正在掀起一股大浪潮——定制 HBM。AI 基礎設施的激增需要極高的效率和橫向擴展能力，我們與主要客戶達成了一致，即基于 HBM 的 AI 定制將是關鍵的一步。PPA——功率、性能和面積是 AI 解決方案的關鍵，而定制將在 PPA 方面提供巨大的價值。”
SK海力士、三星電子和美光科技是HBM的三大制造商，它們正在探索提高其性能和處理速度的新方法。
三星和美光“在每個凸塊層面上都采用了非導電薄膜（NCF）和熱壓鍵合（TCB）”，而 SK 海力士則“繼續(xù)采用倒裝芯片大規(guī)模回流工藝的模塑底部填充（MR-MUF），該工藝只需一步即可將堆棧密封在高導電性模塑材料中。”
隨著越來越多的人工智能處理轉移到邊緣（更靠近數據源），為邊緣設備設計的半導體將需要更節(jié)能、更快，并能夠處理復雜的人工智能工作負載。這一趨勢需要低功耗、高性能芯片的創(chuàng)新，尤其是對于智能相機、物聯網設備和自動無人機等應用。
先進封裝將成為芯片創(chuàng)新的下一階段
除人工智能外，開發(fā)新的先進封裝工藝已成為 2024 年的熱門話題之一。半導體行業(yè)正在面臨摩爾定律的終結，摩爾定律即“集成電路上晶體管的數量每兩年翻一番，而成本上升幅度很小”。
隨著節(jié)點尺寸越來越小，OCM 正在探索通過封裝提高芯片性能的其他選擇。Nvidia 一直在利用臺積電的先進封裝能力來幫助提高芯片性能。這是通過臺積電的晶圓基板芯片 (CoWoS) 實現的，它可以提高性能、減少占用空間并提高能效。
CoWoS 通過在單個基板上堆疊芯片來促進半導體創(chuàng)新。現在先進節(jié)點已接近單個納米尺寸，芯片堆疊開發(fā)是半導體能力的下一個嘗試。CoWoS 技術的優(yōu)勢及其快速擴展的能力確保了其在大規(guī)模生產中的廣泛應用。
這些方面極大地有利于人工智能應用日益增長的需求，包括生成和大型語言模型 (LLM)。臺積電計劃在擴大其全球業(yè)務的同時，提高其先進封裝業(yè)務的產能。據傳，臺積電計劃在美國和日本建立新的 CoWoS 先進封裝工廠，以滿足這一日益增長的需求。
該戰(zhàn)略背后的主要動機是人工智能應用對 Nvidia 芯片的需求日益增長。
同樣，CoWoS 技術的小尺寸有助于在散熱器和軸流風扇設計等先進冷卻解決方案中實現更高效的熱管理。隨著數據中心的擴張以滿足日益增長的 AI 使用，這可能會導致對先進封裝應用的需求增加。
據研究，CoWoS 技術的持續(xù)集成將幫助 OCM 突破芯片封裝的傳統限制，通過提高性能和增強互連性來改善應用。同樣，內存（尤其是 DRAM 和 NAND 閃存）中 3D 堆疊的使用量也將在 2025 年增長，以更好地支持 AI 應用。
數據中心的增長將推動電源組件需求激增
隨著人工智能不斷融入不同的業(yè)務和市場領域，數據中心承載這些信息的需求也在不斷增加。隨著人工智能需求的增加，數據中心行業(yè)很快遇到了一個重大問題，主要是因為電力或空間根本不夠。
在 CNBC 的一份報告中，專家警告稱，人工智能應用對電力的需求不斷增長，其潛在增長潛力巨大，以至于單個數據中心的用電量可能比一些大城市甚至整個美國州都要多。
人工智能的高需求導致零部件產能下降，導致定制冷卻系統的交貨時間比幾年前延長了 5 倍以上。甚至備用發(fā)電機的交貨時間也超過了通常的一個月到兩年。
自人工智能爆發(fā)以來，電力和能源已成為最突出的短缺領域之一。過去幾年，電氣化工作進一步加劇了對電力的需求。電網是每個國家經濟、國家安全以及社區(qū)健康和安全的支柱，由于眾多行業(yè)的需求不斷增長，電網的穩(wěn)定性變得越來越脆弱。
各國電網大多已有數十年歷史，使用壽命為 50-80 年，即將結束。電網老化導致其更容易受到停電、網絡攻擊或社區(qū)緊急情況的影響。普林斯頓大學教授杰西·詹金斯 (Jesse Jenkins) 表示， 2030 年的電力需求可能比 2021 年高出 14%-19%。
21 世紀的電網必須滿足不斷增長的電力需求，為電動汽車、熱泵、工業(yè)電氣化和氫電解提供動力，并且需要延伸到該國的新地區(qū)，以利用最佳的風能和太陽能資源。這兩個因素意味著我們需要一個更大的電網和更多的長距離傳輸。
這個問題正在推動電源元件行業(yè)的新發(fā)展。高效電源轉換器將利用比傳統硅基元件更高效的新材料，幫助減少數據中心的能源損耗。這些材料包括碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 元件，它們具有更高的擊穿電壓、更快的開關速度、更高的功率密度和更小的尺寸。
Wolfspeed、意法半導體和英飛凌是三家生產 SiC 和/或 GaN 元件的公司。Wolfspeed 是 SiC 技術的領導者之一，一直致力于擴大其全球影響力并提高全球生產能力。同樣，GaN 曾經是一種僅用于航空航天和國防應用的元件，現在越來越多地用于通信和數據中心。
同樣，這些組件由于其功率效率高，可以幫助半導體行業(yè)比傳統硅組件更快地實現可持續(xù)發(fā)展目標，最終減少電力需求。SiC 和 GaN 組件的排放量也低于傳統硅，可將最終產品的排放量減少高達 30%。
這將是未來數據中心建設的必由之路，因為數據中心對電力的需求巨大，可能會增加碳排放。
半導體行業(yè)正在突破創(chuàng)新界限
隨著 2025 年的臨近，由于人工智能推動了半導體格局的變革，半導體行業(yè)將在塑造技術未來方面發(fā)揮更加關鍵的作用。HBM 定制、先進封裝和功率元件創(chuàng)新將是 2025 年的少數趨勢之一。為了應對這些挑戰(zhàn)，半導體公司必須投資于尖端材料、新制造工藝和創(chuàng)新芯片架構。
全球電子元件分銷商必須依靠其特許經營合作伙伴關系、全球供應商網絡和市場情報工具來幫助客戶采購這些即將上市的元件。隨著半導體行業(yè)適應這些趨勢，它將繼續(xù)成為決定未來十年的技術突破的關鍵推動因素。
