錢進2奈米世代,黃金打擊線大盤點

當全球半導體產業全面迎向AI時代,先進製程的競賽,也開始出現新的變化。過去幾十年,晶片產業幾乎沿著摩爾定律一路向前,誰能把電晶體做得更小、更密,誰就有機會取得效能與成本優勢。但到了AI時代,單靠製程微縮已經愈來愈難滿足晶片設計需求。原因很直接。現在一顆高階AI晶片,不只有GPU或CPU,還要整合多顆高頻寬記憶體(HBM),甚至將不同功能的Chiplet小晶片封裝在一起。晶片愈做愈複雜,半導體競爭也不再只是幾奈米的較量。
對台積電(2330)來說,2奈米因此不只是3奈米之後的下一個製程節點,而是另一個更大的起點。25年第4季N2製程正式進入量產,26年開始加速爬坡,新竹與高雄2奈米產能陸續開出。與過往先進製程主要由智慧型手機率先採用不同,這一輪2奈米需求,同時來自行動裝置、高效能運算與AI。
2奈米最大的技術變化,首先發生在電晶體本身。從16奈米一路到3奈米,台積電長期採用FinFET鰭式場效電晶體,透過立體鰭狀結構,加強閘極對電流的控制。但製程持續微縮後,FinFET面對的漏電、功耗與效能問題也愈來愈難處理。到了2奈米,台積電正式跨入奈米片電晶體(Nanosheet)世代。
奈米片架構讓閘極能更完整包覆電流通道,提高對電流的控制能力,也讓晶片在持續縮小尺寸的同時,進一步改善效能與功耗。根據台積電公布的技術資料,相較N3E製程,N2在相同功耗下,速度可提升約10至15%;若維持相同速度,功耗則可下降約25至30%,晶片密度也可再提升逾15%。
效能與功耗改善的改善對AI晶片來說尤其重要,因為現在AI資料中心最棘手的問題之一,已經不只是晶片夠不夠快,而是電力跟不跟得上。資料中心大量部署AI加速器,單顆晶片即使只省下一部分功耗,放大到整座機房後,累積下來就是可觀的用電與散熱成本。更重要的是,在電力供應有限的情況下,晶片愈省電,也代表同樣的電力可以塞進更多算力。
因此,先進製程的價值正在改變。過去市場最在意的是速度提高多少,如今「每一瓦電可以換到多少算力」,愈來愈成為AI晶片的重要指標。這也讓2奈米不只是一次製程升級,而是直接切進AI資料中心最現實的電力問題。
台積電對2奈米的布局,也不只停在N2。回頭看5奈米、3奈米,台積電向來不是只推出單一製程,而是隨著不同客戶與應用需求,延伸出一整個製程家族。2奈米也走上同樣的路。率先量產的是N2,接下來則有強化效能與功耗表現的N2P,以及主攻高效能運算市場的A16。N2P/A16皆規劃於26年下半年量產,讓智慧型手機、CPU、AI加速器等不同產品,都可以在2奈米平台上找到適合的製程。
其中,A16的變化又比N2P更進一步。除了採用奈米片電晶體,A16另一項關鍵技術,就是超級電軌(Super Power Rail; SPR)。過去晶片正面同時要處理訊號傳輸與供電,電晶體愈密,金屬線路也愈複雜。A16則把部分供電網路移到晶圓背面,讓電力與訊號各走各的路,減少彼此干擾,也替晶片正面騰出更多空間。
對AI與HPC晶片而言,背面供電的重要性尤其突出。因晶片整合大量運算核心,供電需求高、訊號線路複雜,如何降低供電損耗、把電力穩定送到各個運算單元,本身就是設計難題,因此背面供電的價值,也在高階運算晶片上更加突出。台積電預估,相較N2P,A16在相同電壓下速度可再提升約8至10%;若維持相同速度,功耗可下降約15至20%,晶片密度最高可提升至約1.1倍。由此,從N2到N2P,再到A16,可以看出2奈米不會只是一代產品,而可望成為台積電未來數年的先進製程主力平台。
對此,也可見台積電資本支出持續擴張。其7月再將今年資本支出上修至600億至640億美元,其中約70至80%投入先進製程,約10%投入特殊製程,另有約10至20%投入先進封裝、測試、光罩及其他項目。而隨著先進製程往前推進,不只是EUV曝光機價格愈來愈高,薄膜沉積、蝕刻、清洗、研磨、量測乃至廠務系統等,都必須同步升級。
更何況到了2奈米,每片晶圓的製造價值都更高,一旦製程穩定度或良率出現些微差異,最後反映到可用晶片數量,差距就可能被明顯放大。因此,真正決定2奈米能否順利放量的,不只台積電本身,還包括設備能不能控制得更精準、材料純度能不能再往上提升、耗材壽命與穩定性夠不夠,甚至晶圓廠廠務系統能不能長時間穩定運作,都會跟著製程升級一起面臨新要求。
因此,從建廠工程、半導體設備,到矽晶圓、再生晶圓、鑽石碟、特用化學品與各類製程耗材,都可望跟隨台積電擴產進入新一輪需求周期。因此觀察資本市場也可以發現,2奈米概念股仍是資金相當青睞的題材。
同時,AI晶片的另一項變化,是單一封裝需要整合的晶粒愈來愈多,封裝尺寸也跟著快速放大。GPU、CPU、ASIC與HBM之間,需要交換的資料量愈來愈龐大,Chiplet也因此逐漸成為高階晶片的重要設計方式,而要將各種不同的晶片整合,就需要倚靠先進封裝。過去封裝多半被視為半導體製程最後一道程序,但AI時代下,當一顆AI加速器裡面同時放進運算晶粒與多顆HBM,封裝本身已直接影響資料傳輸速度、功耗甚至整體效能。
台積電目前透過3D Fabric平台,整合CoWoS、SoIC與InFO等先進封裝技術。相較先進製程著重於提升單一晶粒的效能、功耗與電晶體密度,先進封裝則進一步解決多晶粒整合、高速互連與記憶體頻寬等問題,讓不同功能的運算晶粒與HBM能在更短距離內完成高效率資料交換。其中,近年最具代表性的無疑是CoWoS。
CoWoS可以把運算晶片與多顆HBM放在同一封裝內,縮短資料傳輸距離,提升頻寬並降低功耗。當AI模型愈做愈大,需要整合的運算晶粒與HBM數量也一路增加,CoWoS封裝面積跟著愈做愈大。台積電目前已進入5.5倍光罩尺寸CoWoS生產階段,並預計28年進一步推進至14倍光罩尺寸,屆時單一封裝可望整合約十顆大型運算晶粒與20顆HBM堆疊。
另一項SoIC則往垂直方向發展。透過晶片與晶片直接堆疊,不同功能晶粒可以在三維空間整合,進一步縮短連接距離,提高頻寬與能源效率。當晶片開始從平面一路往立體發展,半導體產業過去熟悉的製程競賽,也逐漸變成一場製程與封裝同時進行的系統戰。再往下一步,台積電也已著手開發CoPoS技術;因AI晶片需要整合的運算晶粒與HBM愈來愈多,封裝面積持續放大,CoPoS則進一步朝面板級封裝發展,以更大面積的方形面板取代傳統圓形晶圓作為部分封裝製程的載體,希望提高大尺寸封裝的面積利用率與生產效率,也成為台積電下一階段先進封裝的重要技術方向。
從N2、N2P到A16,再一路接上CoWoS、SoIC乃至於CoPoS,台積電正在建立的,已不只是一條先進製程技術路線,而是一套從電晶體、晶圓製造到先進封裝的完整平台。而伴隨台積電持續擴充先進封裝產能,台灣相關設備與封測供應鏈也將同步受惠。濕製程設備廠弘塑(3131)、辛耘(3583),皆布局晶圓清洗等先進封裝製程設備;辛耘除了濕製程,也持續延伸貼合、剝離及檢測等相關設備。萬潤(6187)則以精密點膠、自動化、貼合與光學檢測等設備切入先進封裝市場,受惠CoWoS等高階封裝產能持續擴張。
封測端今年也明顯加大資本支出。隨AI晶片功耗提高、封裝結構愈趨複雜,不僅推升先進封裝需求,也同步拉高後段測試時間、設備規格與可靠度驗證門檻。日月光投控(3711)因應AI/HPC帶動先進封裝與測試需求升溫,今年7月再宣布追加20億美元資本支出,全年資本支出規模由原先約85億美元提高至約105億美元,新增投資主要用於先進封裝、測試及相關廠房設備。
而京元電子(2449)則從傳統IC測試廠轉型為AI/HPC高階測試領導者,服務範圍已涵蓋AI GPU、AI ASIC、CPU等高效能晶片,並具備CoWoS、SoIC等先進封裝晶片的成品測試能力,以及AI晶片所需的預燒與系統級測試服務。公司今年資本支出亦在2度上調下達到500億元,改寫歷史新高;7月董事會又再通過美國設廠計畫,最高投資額度14億美元(約400億台幣)。
綜上來看,從CoWoS、SoIC甚至到下一階段的CoPoS,台積電的先進封裝版圖還在持續往外擴張。尤其當AI晶片封裝尺寸愈做愈大,CoPoS進一步從晶圓級走向面板級封裝,希望透過更大的生產面積提升材料利用率與產出效率,但也將翹曲控制、面板搬運、鍍膜與檢測等製程難度推向新的層次。這也意味著,AI帶動的先進封裝投資並不只停留在CoWoS擴產,而是隨著封裝架構持續演進,持續引領相關供應鏈進入下一輪升級。
