中金：值得关注的半导体行业潜在颠覆技术

国家科技体制改革与创新体系领导小组聚焦集成电路技术，开启后摩尔时代新篇章

在全球半导体产业迈向关键发展节点的背景下，国家科技体制改革与创新体系领导小组第十八次会议专题讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术，引发了社会各界对半导体产业未来发展的高度关注。随着摩尔定律逐渐逼近物理极限，全球各国纷纷意识到半导体产业供应链安全的重要性，相继出台政策支持本国半导体产业发展。新型技术如计算原理革新、材料器件创新、计算架构升级以及芯片集成技术等有望驱动后摩尔时代芯片性能进一步提升。本文将深入探讨集成电路潜在颠覆性技术的各个方面，并为您揭示其中的风险与机遇。

会议召开后，投资者对潜在颠覆性技术的关注持续升温。当前全球半导体产业正处于关键发展节点，新型技术的涌现为后摩尔时代的发展注入了新的活力。其中，计算原理方面的光子计算、类脑计算等技术，有望突破传统电子计算的瓶颈，实现计算效率的大幅提升。而在材料器件领域，第二/三/四代半导体以及碳基器件、柔性器件等新型材料的出现，为半导体产业带来了新的发展机遇。

在材料器件方面，新型半导体材料如GaAs、GaN、SiC、Ga2O3等具有宽禁带、高导热率、高抗辐射等优势，在高速、高频、大功率等应用场景表现出显著优势。随着5G、新能源技术的发展，化合物半导体的应用前景广阔。碳基器件和柔性器件的崛起也为半导体产业带来了新的突破。碳纳米管等碳基材料具有超高的电子迁移速率，理论上能以极高的速度运行。而柔性器件的发展则能够较好地适配柔性电子领域的应用需求。与此新型存储器技术的发展也为半导体产业带来了新的机遇。相较于传统的存储器，新型存储器具有高可靠性、高读写速度、低功耗等优势，正逐步走向市场推广。

在计算架构方面，RISC-V架构的开源性、简洁性以及模块化设计等优势使其正在物联网等领域得到广泛应用。异构计算和存算一体等技术的出现也为计算效率的提升带来了新方向。存算一体技术将计算机存储和运算两大基本功能单元合二为一，理论上能够和AI算法形成良好耦合。而在芯片集成方面，先进封装技术如Chiplet、SiP和3D堆叠等技术是未来封装产业的重要发展趋势。除此之外，我们还应关注到半导体设备、材料、工艺以及软件层面的算法和应用领域，这些领域也存在出现颠覆性技术的可能性。

我们也应意识到潜在颠覆性技术进展不及预期的风险。尽管新型技术带来了诸多机遇，但其实际进展可能受到多种因素的影响，包括技术研发的难度、市场推广的速度以及市场接受度等。投资者在关注这些技术的也需要对潜在风险保持警惕。

随着全球半导体产业迈入关键发展节点，新型技术的崛起为后摩尔时代的发展打开了新的大门。本文深入剖析了集成电路潜在颠覆性技术的多个方面，包括计算原理革新、材料器件创新、计算架构升级以及芯片集成技术等。这些技术的发展将为全球半导体产业带来新的发展机遇与挑战。在关注这些技术的我们也需要对潜在风险保持警惕，以确保产业的健康稳定发展。深入解析CPU、GPU、QPU计算效率对比及先进封装技术

根据CSDN和中金公司研究部的资料，我们深入探讨CPU、GPU、QPU的计算效率对比，并介绍当前先进的封装技术。科学家们预测，经典计算机将继续承担日常任务，如收发邮件、播放视频音乐、网络游戏等，而量子计算机则将进军大型分子模拟、寻找大数质因数等复杂领域，并在AI计算领域对传统算力进行提升。

一、CPU、GPU、QPU的计算效率对比

对于算法时间复杂度为O(N^2)的问题，我们对比了CPU、GPU和QPU的计算效率。尽管CPU在串行计算任务中具有优势，但在处理大规模并行计算任务时，GPU凭借其大量的计算单元和并行处理能力，展现出更高的计算效率。而QPU作为新兴的计算设备，在量子计算领域具有巨大的潜力，能够在某些特定问题上超越CPU和GPU的计算效率。

二、先进封装技术

1. Wafer-level Packaging (WLP)：传统封装过程中，晶圆先被切割成小的晶粒，然后进行连接和塑封。而晶圆级封装则相反，它在晶粒切割前完成封装，电路连接也在切割前完成。这种技术有助于提高封装效率和产品质量。

2. Fan-in Wafer-level Packaging (FIWLP)：这是传统的晶圆级封装方式，适用于低引脚数的集成电路。其封装尺寸与晶粒大小相同。

3. Fan-out Wafer-level Packaging (FOWLP)：随着集成电路信号输出引脚数量的增加，FOWLP应运而生。它的优势在于减小了封装的厚度，增大了I/O接口数量，并提供了更优异的电学性能和更好的耐热性。

4. Panel-level Packaging (PLP)：PLP的封装方法与FOWLP类似，但将晶粒重组于更大的矩形面板上。这有助于节约成本和提升封装效率，同时解决了晶圆封装中的边角面积浪费问题。

在先进封装技术中，再分布层（RDL）和中介层也扮演着重要角色。RDL用于在晶圆水平上进行触点再分布，以提高连线效率并获得更高的触点密度。中介层则位于焊锡球和晶粒之间，用于扩大连接面，使连接能够改线到所需的地方。

根据Yole的预测，FOWLP将在未来成为主流封装手段之一，尤其在AI、机器学习、物联网等领域的应用将大幅增长。

图表再分布层（RDL）与中间层（Interposer）示意概览

资料来源于Semi Engineering与中金公司研究部。

一探图表中的中间层技术演变之路

资料来源于Yole和中金公司研究部。我们步入了一个三维封装的新时代，其中，TSV（硅通孔）技术扮演着至关重要的角色。RDL和芯片接合到基板上的Bump共同占据了一定的平面面积，而TSV技术的出现，打破了这一局限，将芯片推向三维空间堆叠的新纪元。这一技术不仅优化了多芯片连接时的电学性能，更为我们打开了全新的视野。虽然引线键合技术在某些情况下仍被使用，但TSV技术的吸引力在于其实现了贯穿整个芯片厚度的电气连接，为芯片上下表面之间建立了最短通路。更短的连接长度意味着更低的功耗和更大的带宽。从CMOS图像传感器的初步应用到FPGA、存储器、传感器等领域的广泛布局，TSV技术的足迹遍布整个半导体行业。据Yole预测，未来几年内，应用TSV技术的晶圆数量将以惊人的年复合增长率增长。

图表展现的PoP技术与MEMS封装的未来趋势

PoP（Package on Package，堆叠封装）是一种革新性的封装技术，它将逻辑和存储BGA（球状引脚栅格阵列）包在垂直方向上结合。这种技术增大了器件的集成密度，底层的封装单元直接与PCB板接触。随着存储器对高带宽的需求增长，未来的PoP技术将与FOWLP技术结合，实现基于芯片的堆叠。与此随着传感器和物联网应用的快速发展，MEMS封装也受到越来越多的关注。其市场规模正在快速增长，其中RF MEMS封装市场是主要的驱动力。

化合物半导体及其与材料关系的深入解读

在化合物半导体领域，特别是GaN（氮化镓）技术，其在微波、电力电子以及光电领域的应用日益广泛。WaveTek指出，对于即将到来的5G解决方案，功率放大器需要兼具高线性度和高效率的特性，而GaN技术正是实现这一目标的关键。整个化合物半导体领域正处于飞速发展的阶段，各种新材料与技术的融合将推动半导体行业迈向新的高度。

这些图表与文字的结合，为我们呈现了一个充满创新与机遇的半导体行业未来蓝图。从TSV到PoP，从MEMS到化合物半导体，每一个领域都充满了挑战与可能。而我们正站在这个新时代的起点，期待着更多的突破与创新。随着科技的飞速发展，第三代化合物半导体材料逐渐崭露头角，其中GaN器件的应用尤为引人瞩目。传统的LDMOS器件在高频段、高带宽的应用上已无法满足现代需求，而GaN器件则以其卓越的高频性能成为5G时代的主力军。

根据Yole的测算，射频用GaN器件市场空间自2017年以来呈现爆炸式增长，预计到2023年将达到13亿美元，年复合增长率(CAGR)高达22.9%。这一增长主要得益于电信领域的强劲需求，包括智能手机射频前端模组、基站等。军工领域也对GaN器件青睐有加，如雷达、夜视仪等应用都离不开其高性能表现。

由于高频性能的需求不断增长，GaN器件在射频领域的渗透率逐年提高。虽然CMOS工艺器件在低功耗、低成本的应用中仍占有一席之地，但GaN器件的优越性使其在高频领域具有不可替代的地位。Qorvo公司采用GaN-on-SiC的工艺生产GaN器件，认为这种器件具有更高的可靠性和更低的整体成本。

除了射频领域，电力电子领域也是GaN器件的另一大应用市场。高压/低压GaN功率器件为AC-DC、DC-DC隔离电源、负载点电源功能带来革命性的变革，在数据中心、通信、交流快速充电等领域发挥着越来越重要的作用。据Yole预测，到2022年，GaN功率器件市场规模将达到惊人的4.6亿美元，虽然目前电源市场规模较小，但其增速却异常迅猛，2017至2022年的CAGR高达82.4%。

索尼公司看到了GaN材料在拓展光谱至蓝绿光范围方面的巨大潜力。在405nm波长下，GaN VCSEL能够取代GaAs VCSEL应用在2D/3D打印机中，实现更精细的分辨率。而在生物传感器和塑料光纤中的光通信领域，GaN VCSEL也展现出了巨大的应用潜力。预计未来随着GaN器件的发展，VCSEL在各个应用领域的渗透率将得到有效提升。

与此SiC作为一种宽带隙功率器件的首选材料，在高温、高频、高压等方面表现出色。虽然其成本较高且存在良率问题，大规模商用化的时间较GaN晚，但其在电网、太阳能/风电逆变器、高铁等领域的应用前景广阔。

GaN和SiC等第三代化合物半导体材料的崛起，为半导体行业注入了新的活力。随着技术的不断进步和成本的降低，这些材料在未来的应用前景将不可限量。无论是射频领域、电力电子领域，还是其他新兴应用领域，它们都将发挥越来越重要的作用，推动整个行业向前发展。