卡住“英伟达的脖子”，他们卖爆了！

　　卡住“英伟达的脖子”，他们卖爆了！

　　来源：华尔街见闻 常嘉帅

　　GPU之王的烦恼。

　　作为“掘金买铲”逻辑的核心受益者，英伟达创纪录的业绩，成了撑起生成式AI行情的信心支柱。

　　然而，隐匿于出色业绩背后，更关键的问题是，由于产能受限，英伟达无法满足市场对GPU的需求，8月曾有媒体报道，H100订单已经排队到了明年Q1甚至Q2。

　　根据GPU Utils的推测，保守估计，英伟达GPU潜在订单总额可能超过200亿美元，旗舰GPU H100的供给缺口高达43万张。

　　英伟达CEO黄仁勋也直言：

“我们目前的出货量远远不能满足需求。”

　　老黄的苦衷，就在于卡住英伟达脖子的两项关键技术——CoWoS封装和HBM内存。

　　SK海力士和台积电 卡英伟达脖子的幕后玩家

　　去年9月推出的H100，是英伟达产品矩阵中最先进的GPU。

　　相较于前任A100，它的价格翻了1.5-2倍左右，但性能却有了质的飞跃：推理速度提升3.5倍，在训练速度提升2.3倍；如果用伺服器丛集运算的方式，训练速度更是能提高到9倍。在LLM训练中，它能让原本一个星期的工作量，缩短为20个小时。

　　一块英伟达H100，主要由三个部分构成：中心的H100裸片两侧各有三个HBM堆栈，最外层则是台积电的2.5D CoWoS封装框。

　　三个部件里，核心的逻辑芯片供应是最简单的，它主要产自台积电台南18号工厂，使用4N工艺节点（实际是5nm+）。由于5nm+下游的PC、智能手机和非AI相关数据中心芯片市场疲软，目前台积电5nm+产能利用率不到70%。因此逻辑芯片供应没有问题。

　　英伟达最主要的供应缺口，来自逻辑芯片两侧的6块HBM（High Bandwidth Memory，高带宽内存），和把逻辑芯片、HBM连接起来的CoWoS封装（Chip on wafer on Substrate，芯片、晶圆、基板封装）。

　　HBM是一种基于3D堆叠工艺的DRAM内存芯片。其技术原理，就是将多个DDR芯片，垂直堆叠在一起，通过硅通孔（TSV）和微凸块（μBmps）技术，把芯片相互连接，从而突破了现有的性能限制，大大提高了存储容量，实现更高带宽、更高位宽、更低功耗、更小尺寸的DDR组合阵列。

　　内存芯片对GPU性能至关重要，尤其是训练AI所用的高性能GPU。推理和训练工作负载是内存密集型任务。随着AI模型中参数数量的指数级增长，仅权重一项就将模型大小推高到了TB级。因此，从内存中存储和检索训练和推理数据的能力决定了GPU性能的上限。AI大模型和应用越多，越有利于HBM制造商。

　　从整体HBM市场来看，两大韩国存储巨头SK海力士及三星占绝对垄断地位，二者合计市占率在90%左右。

　　英伟达H100上面使用的HBM3由SK海力士独家供应，这是目前最先进的HBM产品。

　　HBM3工艺复杂、成本高昂、产能有限，2022年，在整个HBM市场中，HBM3仅占约8%的市场份额。作为全球唯一有能力量产HBM3的公司，SK海力士牢牢卡住了英伟达H100的脖子；而前代 A100/A800以及AMD的MI200使用的则是落后一代的HBM2E技术。

　　不过，当前存储芯片业界正处于HBM2E向HBM3换代的过程中。据Trendforce数据，预计到2024年，HBM3市占率将超过60%，三星、美光等存储芯片厂都在积极布局，都对SK海力士的市场份额虎视眈眈。

　　而先进封装则是一项与HBM内存相辅相成的技术——要用HBM堆栈，必须用先进封装把内存和GPU连接起来。

　　H100上使用的台积电CoWoS先进封装，是一项2.5D封装技术。

　　主流的2D封装方案，是在基板（Substrate）的表面水平安装所有芯片和无源器件的集成方式，类似于平面的拼图。

　　而2.5D先进封装，则可以类比为横向排列的积木。多层DDR芯片堆叠的HBM堆栈，必须依赖先进封装才能实现。

　　台积电的CoWoS先进封装方案，由CoW和oS组合而来：先将芯片通过Chip on Wafer（CoW）的封装制程连接至硅晶圆，再把CoW芯片与基板连接（on Substrate），整合成CoWoS。

　　CoWoS技术大大提高了互联密度以及数据传输带宽，同时缩小了封装尺寸，但工艺也非常复杂，因此主要用于高端市场。

　　据媒体报道，目前台积电CoWoS封装月产8000片，今年底有望提升至11000片，2024年底有望实现14500至16600片左右的月产能，也就是说，想要提升一倍的产量，几乎需要一年半的时间。

　　摩尔定律见顶 先进封装将成为主流

　　类似HBM这样以多块芯片堆叠、再通过先进封装粘合起来的解决方案，已成为目前市场上高端芯片的主流设计思路。

　　背后的原因很简单：先进制程目前已经迭代到7nm、5nm、3nm，技术节点越来越小，生产技术与制造工序越来越复杂，集成电路制造设备的资本投入也就越来越高。

　　以5nm及更小的制程为例。在这一阶段，受波长限制，普通光刻机的精度已无法满足工艺要求，企业必须转向昂贵的EUV光刻机，一台的售价就高达14亿人民币。

　　再加上刻蚀和薄膜沉积等设备，5nm制程的设备支出可达31亿美元，是14nm的2倍以上，28nm的4倍左右。

　　为了成本效益，芯片制造商只能另辟蹊径，从单纯制程工艺的提升，转向通过系统级芯片设计，来提升晶体管密度和性能。

　　另一方面，过去10年全球数据运算量爆炸式增长，已超越过去40年总和。随着消费电子与车用芯片的需求日益提高，就算芯片制程能达到摩尔定律理论上的物理极限（1nm），仍然无法满足未来产业应用的需求。

　　而先进封装，因为能同时提高产品性能和降低成本，所以成了后摩尔时代的破局解法。

　　生成式AI催生的庞大需求，已经在加速传统封装向先进封装的迭代。

　　摩根士丹利指出，AI浪潮正在推动2.5D和3D先进封装技术的大规模应用，到2030年，先进封装将占据整个封装市场60%以上的份额。

　　据Future Market Insights测算，当前规模约310亿美元的先进封装市场，将在未来十年内以7.2%的CAGR不断扩张。

　　摩根士丹利分析师还指出，由于AI芯片增长超显著预期，因此3D/2.5D先进封装预计将以极快的速度增长。2021-2028年的CAGR将达到22%左右。

　　卡英伟达脖子的厂商已经赚翻了

　　HBM内存和先进封装领域的两大龙头——SK海力士和台积电，现在已经尝到了甜头。

　　TrendForce数据显示，尽管在消费电子市场低迷影响下，内存芯片市场出货量和平均销售单价均出现下滑，但HBM产品却在逆势增长，价格一路水涨船高。

　　有媒体报道称，2023年开年后三星、SK海力士两家存储大厂HBM订单快速增加。SK海力士独家供应的HBM3价格更是上涨5倍。作为原本单位售价就远高于其他规格内存芯片的高毛利产品，HBM3利润之丰厚堪称恐怖。TrendForce预计，AI浪潮带动下，2024年整体HBM营收将达到89亿美元，年增127%。

　　与此同时，随着英伟达H100、AMD MI300的热销，台积电先进封装同样供不应求。

　　摩根士丹利分析师表示：

根据我们的代工厂供应链检查，单个CoWoS-S晶圆（及相关工艺）的售价为6，000-12，000美元，具体取决于客户/项目的规模和设计复杂性。根据台积电在Q2财报会议上公开的信息，预计2023年总收入的6-7%将来自先进封装和测试。

我们估计CoWoS今年可能为台积电贡献约10亿美元的收入。由于台积电不断加码CoWoS产能（根据台积电Q2财报电话会上提供的数据，产能将在2024年翻一番），以及当前强劲的AI芯片需求，这一数字可能会进一步增长。因此，我们预计2023-2027年台积电CoWoS收入的CAGR将达到40%。

　　风险提示及免责条款

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责任编辑：郭明煜