日前有媒体报道称，由于AI领域算力需求增长，英伟达、博通、AMD 都在争抢台积电 CoWoS 产能，强劲追单动能更已延续至 2024 年，整体下单规模较 2023 年至少再增 2 成以上。台积电为了满足源源不断的需求，正在积极扩展CoWoS封装产能，计划到 2023 年年底，将 CoWoS 封装月产能从 8000 片提升到 11000 片晶圆，到 2024 年年底增加到 14500-16600 片晶圆。

如果说AI涌现的瓶颈在于算力，那么当前算力竞赛最主要的瓶颈就是CoWoS产能。

 

一、什么是CoWoS?

CoWoS是台积电2.5D封装技术的代表。证通社去年8月《【热点解析】Chiplet破局芯片国产替代瓶颈 封测设备千亿版图重构（产业链解析） 》一文曾介绍过CoWoS。

传统的芯片生产，是先装再封，从晶圆（Wafer）上切割下来的裸片（Die），放到基板（Sustrate）上，引出管脚/引线，再将其固定、封装进一个外壳中，才能应用于实际的电路中。在先进封装技术出现之前，芯片制程紧跟摩尔定律的路线图，从600nm一路狂奔到了65nm，但芯片之间封装的金属间距（Metal Pitch）却停留在110um，长达20年没有进步。封装技术无法跟上摩尔定理的脚步。

2011年，台积电宣布将会做先进封装，并经过两年时间，台积电开发出了CoWoS（Chip On Wafer On Substrate）技术。

简单来说，CoWoS包含两部分，先通过“CoW”（Chip on Wafer）把不同的芯片（像是处理器、记忆体等）连接到硅晶圆制作的中介层(Silicon interposer)，然后再通过“oS”（on Substrate）与封装底衬（Package Substrate）连接。利用这种封装模式，使得多颗芯片可以封装到一起，透过Si Interposer 互联，达到了封装体积小，功耗低，引脚少的效果。

与其他类似的技术相比，台积电CoWoS的突出优势体现在连接裸片的方式：装载裸片的晶圆被台积电称为硅中介层，在硅中介层中，台积电使用微凸块（ubmps）、重新布线（RDL）等技术，代替了传统引线键合用于裸片间连接，并以硅穿孔（TSV，Through-Silicon Via）连接上下的金属层，克服传统封装难以高密度布线的难题，大 大提高了互联密度以及数据传输带宽。

二、为什么现在CoWoS爆发？

CoWoS价格昂贵，最初只有Xilinx使用，为了拿下苹果这个客户，台积电开发出了一种精简的设计，能够将CoWoS结构尽量简化，并且价格压到原来的五分之一。这个技术就是后来的InFO技术。自此，台积电的先进封装分成了两部分，更为经济的InFO封装技术，成为收集客户采用的首选，这也是台积电拿下苹果这个客户的原因。而专注于高阶客户市场的CoWoS技术也因为AI的发展，得到进一步发展与应用。

随着AI训练模型发展，尤其是ChatGPT横空出世，算力需求急剧增加，AI 处理器架构带宽瓶颈出现，也就是 IO 问题。要解决这个问题需要付出很高的代价（比如增加 DDR 接口通道数量、片内缓存容量、多芯片互联），这边催生了HBM的应用。HBM（High Bandwidth Memory）意为高带宽存储器，具有高吞吐高带宽的特性，它单颗粒的带宽可以达到 256 GB/s，远超过 DDR4 和 GDDR6。

HBM和CoWoS是相辅相成的。HBM的高焊盘数和短迹线长度要求需要2.5D先进封装技术，如CoWoS，以实现这种密集的短连接，这在PCB甚至封装基板上是无法实现的。CoWoS是主流封装技术，以合理的成本提供最高的互连密度和最大的封装尺寸。由于目前几乎所有的HBM系统都封装在CoWos上，所有先进的人工智能加速器都使用HBM，因此几乎所有领先的数据中心GPU都是台积电封装在CoWos上的。

 

三、CoWoS的变体与发展

CoWoS有几种变体，但原始CoWoS-S仍然是大批量生产中的唯一配置。这是如上所述的经典配置:逻辑芯片+HBM芯片通过带有TSV的硅基中介层连接。然后将中介层放置在有机封装基板上。

硅中介层的一项支持技术是一种称为“reticle stitching”的技术。由于光刻工具slit/scan*尺寸芯片的*尺寸通常为26mm x 33mm 。随着 GPU 芯片本身接近这一极限，并且还需要在其周围安装 HBM，中介层需要很大，并且将远远超出这一标线极限。TSMC 通过reticle stitching解决了这个问题，这使得他们能够将中介层图案化为标线限制的数倍（截至目前，AMD MI300 最高可达 3.5 倍）。

去年，台积电将他们的 2.5D 和 3D 封装产品合并为3DFabric。其中，2.5D封装技术CoWoS可分为 CoWoS 和 InFO 系列，3D封装技术则是SoIC。据台积电介绍，2.5D CoWoS® 平台可为人工智能、机器学习和数据中心等 HPC 应用集成高级逻辑和高带宽内存。InFO PoP 和 InFO-3D 支持移动应用，InFO-2.5D 支持 HPC chiplet 集成。SoIC 是一种台积电创新的多芯片堆栈技术，能对 10nm 以下的制程进行晶圆级的接合技术。通过硅通孔（TSV）使得该技术没有突起的键合结构，因此有更佳的性能。SoIC 堆叠芯片可以集成到 InFO 或 CoWoS 封装中，以实现最终系统集成。

 

四、大陆的先进封装

市场机构监测数据显示，2022年全球先进封装的收入增长了约10%。2022年价值443亿美元，预计2022—2028年复合年增长率（CAGR）为10.6%，到2028年达到786亿美元。先进封装已成为半导体创新、增强功能、性能和成本效益的关键。

中国大陆承担了全球封测近20%产能，头部厂商在先进封装的开发上也并不落后。例如全球第三、中国大陆第一的封测厂长电科技，已经开发了2.5D/3D封装、晶圆级封装（WLP）、堆叠封装（PoP）等先进封装技术，覆盖面可追平日月光。全球第五、中国大陆第二的通富微电，除了掌握2.5D/3D封装等技术外，还在收购了AMD两大封测厂后与其深度绑定，后者是目前先进封装的最大客户之一。

有别于传统封装，先进封装还需要不同的设备、材料和工艺，例如新的基板材料、光刻工艺、激光钻孔、CMP 和 KGD 测试，涉及到RDL（再布线）、TSV（硅通孔）、Bump（凸块），Wafer（晶圆）等等要素。国内产业链还需要有非常多的细节需要突破。