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產(chǎn)業(yè)新聞產(chǎn)業(yè)資訊產(chǎn)業(yè)投資產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)政策
全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正面臨兩大主要趨勢,這些趨勢不僅影響著行業(yè)的發(fā)展方向,也在重新塑造全球科技和經(jīng)濟(jì)格局。
第一個趨勢是人工智能(AI)需求推動將帶動新一輪半導(dǎo)體增長曲線。AI 發(fā)展是當(dāng)前全球互聯(lián)科技在經(jīng)過了信息連接,人群連接階段后,逐步進(jìn)入萬物連接階段的必然發(fā)展趨勢,而深度訓(xùn)練模型技術(shù)的突破性發(fā)展和專用算力芯片配套為 AI 發(fā)展和進(jìn)化提供了動力。
智能裝置 AI 化將推動新一輪半導(dǎo)體增長曲線。早期半導(dǎo)體的需求主要來自于摩爾定律引領(lǐng)的芯片微縮化進(jìn)程,以及通信技術(shù)的興起。隨著計(jì)算能力需求的不斷提升,半導(dǎo)體行業(yè)正從傳統(tǒng)的性能提升驅(qū)動逐步轉(zhuǎn)向以人工智能為核心的新發(fā)展階段。AI 的崛起正在重新定義芯片設(shè)計(jì)和制造的標(biāo)準(zhǔn),半導(dǎo)體行業(yè)的重心也正向更高效、更智能的計(jì)算架構(gòu)轉(zhuǎn)移,進(jìn)而帶動半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化。高性能存儲技術(shù)和 2.5D/3D 封裝技術(shù)將崛起。
第二個趨勢則是地緣政治和全球兩極化帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。近幾年來,地緣政治有日益加劇趨勢。各國出于國家安全和經(jīng)濟(jì)利益的考慮,紛紛加強(qiáng)對半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的控制。這種背景下,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷明顯的兩極化趨勢。
一方面,以美國為首的西方國家加大了對我國半導(dǎo)體技術(shù)和設(shè)備的出口管制,試圖遏制我們國家在半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)崛起。另一方面,出口管制推動了我們國家加速半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的自主化進(jìn)程,力圖建立獨(dú)立可控的供應(yīng)鏈。
AI 成為半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展新的驅(qū)動力
AI 的發(fā)展是全球科技從信息連接、人群連接邁向萬物連接的必然趨勢。互聯(lián)網(wǎng)的誕生促成了全球信息共享,社交媒體和移動互聯(lián)網(wǎng)則加速了全球人群的互動與數(shù)據(jù)流動,為 AI 的初步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。隨著 5G 和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,全球正進(jìn)入萬物互聯(lián)時(shí)代,各類智能設(shè)備之間的連接和數(shù)據(jù)交換成為常態(tài)。
在這一背景下,AI 通過深度學(xué)習(xí)和預(yù)測能力,解決了數(shù)據(jù)過載和復(fù)雜性問題,使設(shè)備具備自主感知、學(xué)習(xí)和決策的能力,提升了網(wǎng)絡(luò)的效率和智能化。AI 正推動萬物互聯(lián)向更高層次發(fā)展,不僅被動處理數(shù)據(jù),還逐漸成為整個網(wǎng)絡(luò)的“大腦”,通過不斷學(xué)習(xí)優(yōu)化系統(tǒng)性能,發(fā)現(xiàn)問題,并在復(fù)雜環(huán)境中做出最優(yōu)決策,從而提供更安全可靠的服務(wù)。
AI 技術(shù)在服務(wù)器、智能手機(jī)、PC 和汽車領(lǐng)域的應(yīng)用正引發(fā)一場技術(shù)革新,其高效的數(shù)據(jù)處理、自然的交互方式和先進(jìn)的自動化功能帶動終端產(chǎn)品銷量增長,進(jìn)一步帶動半導(dǎo)體組件進(jìn)入爆發(fā)期。
服務(wù)器領(lǐng)域,近年來,云計(jì)算廠商加大在 AI 方面投入,資本開支增加帶動 AI 服務(wù)器需求井噴,據(jù) Statista 數(shù)據(jù),預(yù)計(jì) 2023 年-2033 年全球 AI 服務(wù)器市場規(guī)模 CAGR可達(dá)到 30%。AI 服務(wù)器出貨量的增長預(yù)計(jì)將提升高性能的 GPU、CPU 和存儲等硬件需求。手機(jī)端側(cè) AI 方面,蘋果在 WWDC 大會確立手機(jī)端側(cè) AI 方向,將有望帶動手機(jī)行業(yè)端側(cè) AI 化發(fā)展,帶來新一輪的換機(jī)潮,加大對 SoC、存儲、CIS 等硬件的需求。
據(jù) Omdia 數(shù)據(jù),2024 年 AI 手機(jī)出貨量約為 1.19 億部,占比約 10%,預(yù)計(jì) 2028 年將達(dá)到 6.06 億部,CAGR 約為 38%,滲透率達(dá)到 47%。AI PC 方面,AI 技術(shù)將引領(lǐng) PC 體驗(yàn)革命升級,將有望引發(fā) PC 的換機(jī)潮。據(jù)Canalys 預(yù)測,預(yù)計(jì) 2024 年 AI PC 出貨量約為 0.48 億臺,2028 年達(dá) 2.04 億臺,CAGR 達(dá)到 43.58%,占 PC 總量從 18%增加至 70%。AI PC 滲透率的提升將提振CPU、GPU、NPU、存儲等芯片的需求。
汽車 AI 方面,據(jù)地平線招股書數(shù)據(jù),2023-2030 年,全球智能汽車(具備駕駛自動化功能)銷量 CAGR 約為 11%,ADAS 滲透率從 2023 年的 65.6%提升至 2030年的 96.7%,基本全部實(shí)現(xiàn)智能化。汽車 AI 模型需要處理影像數(shù)據(jù),所需計(jì)算能力和存儲能力更為龐大,帶動自動駕駛芯片、存儲芯片和交互硬件 CIS 的需求。
AI 對計(jì)算能力的高需求推動了芯片設(shè)計(jì)和制造工藝的不斷升級,提高了產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)水平和產(chǎn)品附加值。尤其在高性能計(jì)算、智能設(shè)備和自動駕駛領(lǐng)域,AI 應(yīng)用加速了對先進(jìn)制程和先進(jìn)封裝的需求。整體而言,AI 成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心驅(qū)動力,正在重塑半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局,推動從設(shè)計(jì)、制造到封測的全面升級,進(jìn)而帶動行業(yè)進(jìn)入新的增長周期。據(jù) WSTS預(yù)測,在 AI 強(qiáng)勁需求拉動下,2024 年和 2025 年全球半導(dǎo)體銷售額同比分別增加16%和 13%。
AI 帶動算力芯片和存儲芯片銷售額占比持續(xù)提升
半導(dǎo)體行業(yè)分為分立器件、光電器件、傳感器和集成電路,集成電路細(xì)分為模擬芯片、微處理器、邏輯芯片和存儲芯片。據(jù) WSTS 數(shù)據(jù),AI 推動邏輯芯片和存儲芯片銷售占比提升,邏輯芯片預(yù)計(jì)從2022 年的 31%提升至 2024 年的 33%,存儲芯片從 2023 年的 17%提升至 2024 年的 22%。AI 技術(shù)正改變半導(dǎo)體產(chǎn)品結(jié)構(gòu),算力芯片和存儲芯片為主要的受益領(lǐng)域。
算力芯片方面,AI 服務(wù)器通常搭載 8-16 塊 GPU,遠(yuǎn)超通用服務(wù)器的 0-1 個 GPU的搭載量,顯著增加 GPU 需求。此外,NPU 顯著提高了深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練和推理速度,在 AI 服務(wù)器中開始大量應(yīng)用。在手機(jī)領(lǐng)域,端側(cè) AI 化促進(jìn)了手機(jī) CPU、GPU 和 NPU 的升級,尤其是 NPU在推理加速的重要作用。隨著 AI 應(yīng)用落地引發(fā)的換機(jī)潮,高性能手機(jī) SoC 芯片的需求將大幅增長。
AI PC 領(lǐng)域,相較于傳統(tǒng) PC 的 CPU+GPU 架構(gòu),AI PC 需額外搭載 NPU 核心,且 GPU 性能要求提升。在先進(jìn)的制程工藝和封裝工藝賦能下,AI PC 可實(shí)現(xiàn)更高的能效比和運(yùn)算效率,搭載英特爾 Lunar Lake 平臺的 AI PC 預(yù)計(jì)將提供超過 100TOPS 的算力,顯著高于傳統(tǒng) PC。汽車領(lǐng)域,自動駕駛需要處理復(fù)雜的影像數(shù)據(jù),要求強(qiáng)大的計(jì)算能力。
目前特斯拉 Robotaxi 的推出以及蘿卜自駕的商業(yè)化運(yùn)營出現(xiàn)成效,L4 自動駕駛應(yīng)用加速推進(jìn),疊加中國發(fā)放 L3 測試牌照促進(jìn) L3 車型大規(guī)模落地。未來隨著自動駕駛等級和滲透率的提升,汽車自動駕駛芯片需求將迎來爆發(fā)。AI 服務(wù)器、手機(jī)端側(cè) AI、AI PC 和汽車自動駕駛的共同推進(jìn),將帶動算力芯片進(jìn)入高速成長期,其在半導(dǎo)體銷售額中的比重將持續(xù)提升。
從存儲芯片來看,AI模型的性能和精度與數(shù)據(jù)量有關(guān),為了構(gòu)建精準(zhǔn)的AI模型,需要海量的訓(xùn)練數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)在訓(xùn)練過程中需要存儲和處理,使得 AI 服務(wù)器、AIPhone、AI PC 和汽車自動駕駛對存儲要求更高。美光科技披露 AI 服務(wù)器對 DRAM 和 NAND 的容量需求是常規(guī)服務(wù)器的 8 倍和3 倍;AI PC 的 DRAM 容量必須達(dá)到 16GB 以上,SSD 容量則要求至少 512GB,價(jià)值量是傳統(tǒng) PC 的 2 倍。在云端算力需求和邊緣 AI 算力需求帶動,及新增 TSV 產(chǎn)能向 HBM 方向偏移,疊加 DDR5 供應(yīng)結(jié)構(gòu)和滲透率提升,預(yù)計(jì)未來幾年存儲芯片增速將高于其他芯片,占半導(dǎo)體產(chǎn)品銷售額比重有望進(jìn)一步提升。
chiplet 架構(gòu)助力算力芯片性能提升,2.5D/3D 封裝需求激增
chiplet 技術(shù)是提升芯片內(nèi)高速互聯(lián)的關(guān)鍵,將不同功能和制程的小芯片封裝在一起,形成完整的芯片。它具有良率高、流程簡化、成本低的優(yōu)勢,允許在計(jì)算核心上“堆料”,滿足高性能計(jì)算需求。據(jù) Market.us 數(shù)據(jù),2023 年 chiplet 的市場規(guī)模約為 31 億美元,2024-2033 年全球 chiplet 市場規(guī)模 CAGR 可達(dá)到 42.5%。高性能 CPU 領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位,市場份額超 40%;其次為 GPU 領(lǐng)域,其在高端游戲、AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)中作用突出;內(nèi)存chiplet 則主要應(yīng)用于大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算等需要大型快速內(nèi)存的應(yīng)用中。
Chiplet 技術(shù)主要應(yīng)用于服務(wù)器和 PC,適用于大型、復(fù)雜、功耗高的芯片。據(jù) Yole 數(shù)據(jù),chiplet 在服務(wù)器和 PC 的應(yīng)用更為普遍,2023-2028 年預(yù)計(jì)使用chiplet 技術(shù)的服務(wù)器數(shù)量 CAGR 為 34.5%,使用 chiplet 技術(shù)的 PC 數(shù)量 CAGR 達(dá)63.3%。2024 年為 chiplet 滲透率提升較快的一年,chiplet 服務(wù)器滲透率從 2023 年的30.2%預(yù)計(jì)提升至 2024 年的 63.2%,再到 2028 年的 90.3%,基本實(shí)現(xiàn)全部應(yīng)用;chiplet PC 滲透率從 2023 年的 6.9%預(yù)計(jì)提升至 2024 年的 34.7%,2028 年將有望增加至 74.4%。
chiplet 技術(shù)的應(yīng)用通過先進(jìn)封裝實(shí)現(xiàn)。chiplet 的各核心都是獨(dú)立的,需要使用先進(jìn)封裝技術(shù)將其集成到一個封裝內(nèi),將帶動對先進(jìn)封裝的需求。受 HPC 和生成式 AI 趨勢推動,2023-2029 年全球先進(jìn)封裝市場規(guī)模 CAGR 為11%。2024 年是先進(jìn)封裝行業(yè)的復(fù)蘇之年,尤其下半年業(yè)績走勢更為強(qiáng)勁。
全球先進(jìn)封裝市場規(guī)模季度變動(十億美元)
2.5D/3D封裝將引領(lǐng)先進(jìn)封裝工藝發(fā)展,預(yù)計(jì)2023-2029年的CAGR約為18%。在高性能芯片需求帶動下,2.5D 和 3D 封裝通過高密度互連提升帶寬,其增長速度顯著高于其他封裝工藝。2.5D 封裝工藝更為成熟,是現(xiàn)階段的主流方案。3D 封裝的制造工藝更為復(fù)雜,對設(shè)備和材料的要求更高,但未來隨著 3D 封裝逐步成熟,將憑借更高的帶寬和集成度成為提升芯片性能的重要手段。
算力需求提升新型存儲 HBM 地位
AI 算力催生存儲需求,全球存儲銷售額回暖,AI 服務(wù)器出貨量提速對 HBM 等新型存儲技術(shù)的需求提升。據(jù) SemiAnalysis 披露,HBM 價(jià)格約是標(biāo)準(zhǔn) DRAM 芯片的 5 倍,預(yù)計(jì) HBM 占全球內(nèi)存收入的比重從 2023 年的不到 5%增長至 2026 年的20%以上。HBM 將成為存儲芯片高速增長的重要推動力,預(yù)計(jì)未來幾年存儲芯片增速將顯著高于其他芯片,成為帶動全球半導(dǎo)體銷售額增長的重要驅(qū)動力。
AI 模型參數(shù)量持續(xù)上漲,傳統(tǒng) DDR5 已經(jīng)無法滿足 AI 對于高算力的需求。內(nèi)存帶寬的增長速度難以滿足 AI 的需求,嚴(yán)重限制處理器性能發(fā)揮,出現(xiàn)“內(nèi)存墻”問題。HBM 的帶寬遠(yuǎn)高于 DDR5,可滿足 AI 對內(nèi)存高帶寬的需求。HBM 使用 TSV 技術(shù)將多個 DDR 芯片堆疊并與 GPU 封裝在一起,通過縮短內(nèi)存與計(jì)算芯片之間的距離降低延遲,并增加內(nèi)存芯片堆疊數(shù)量和提升數(shù)據(jù)傳輸速率,其具有高帶寬、低延遲、低功耗的優(yōu)勢。
與 DDR5 相比,HBM 在位寬、帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率方面具有較大優(yōu)勢。HBM的位寬為是 DDR5 的 32 倍,預(yù)計(jì)下一代 HBM4 的位寬將進(jìn)一步提升;HBM 的帶寬大于 100GB,三星推出的 HBM3e 帶寬可達(dá)到 1280GB/s,DDR5 的帶寬最高僅可達(dá)到 28GB/s,HBM3e 的帶寬是 DDR5 的 46 倍。
在“算力”需求催生“存力”背景下,HBM 作為解決“存儲墻”的重要手段,其出貨量和銷售額也將出現(xiàn)顯著增長。據(jù) chiplet summit 數(shù)據(jù)披露,全球 HBM 出貨量預(yù)計(jì)從 2023 年的 46.06 億 GB 提升至 2028 年的 297.96 億 GB,CAGR 達(dá)到45.3%。
目前 HBM2e 和 HBM3 為主流,預(yù)計(jì)今年 HBM3e 開始上量,在未來幾年占比提升并逐漸成為主流;HBM4 及以上型號預(yù)計(jì)在 2025 年開始放量。從 HBM 銷售額來看,2023 年 HBM 銷售額約為 20 億美元,預(yù)計(jì) 2028 年將增長至 240 億美元,CAGR 達(dá)到 32%。
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