2024年，全球半導體行業(yè)雖然未像預期那般出現(xiàn)全面復蘇，但生成式人工智能(AIGC)、汽車電子和通信技術的快速發(fā)展，卻奠定了底層技術在2025年的基礎，為半導體行業(yè)在新一年中回暖帶來了新的希望。 在這一年中，我們見證了碳化硅(SiC)功率器件在電動汽車中的廣泛應用，芯粒(Chiplet)技術在高性能AI芯片設計中的創(chuàng)新應用，以及RISC-V架構在汽車電子和其他領域的快速崛起。此外，第四代半導體材料——如氧化鎵(Ga2O3)和氮化鋁(AlN)也開始嶄露頭角，展現(xiàn)出巨大的潛力。 在市場方面，盡管全球經濟面臨諸多挑戰(zhàn)，但半導體行業(yè)依然保持了強勁的增長勢頭。根據世界半導體貿易統(tǒng)計組織數據預測，2024年全球半導體市場規(guī)模預計將達到6112億美元，同比增長7%。特別是在汽車電子、工業(yè)自動化和消費電子等領域，市場需求持續(xù)旺盛，推動了整個行業(yè)的快速發(fā)展。 展望2025年，預計全球半導體市場將增長12.5%，估值將達到6870億美元。《電子工程專輯》基于這一年中與業(yè)內專家和廠商的交流，總結分析后挑選出了2025年全球半導體將出現(xiàn)或高速發(fā)展的10大技術趨勢，本文將探討這些先進技術的發(fā)展方向和市場前景。 SiC、Chiplet和RISC-V聯(lián)手推動汽車半導體發(fā)展 芯片作為搶占汽車智能化賽道的制高點，已成為全球智能汽車競爭的關鍵核心。2025年，SiC、Chiplet和RISC-V三大技術將有望繼續(xù)聯(lián)手推動汽車半導體產業(yè)的發(fā)展(圖1)。 圖1：SiC、Chiplet和RISC-V三大技術有望繼續(xù)推動汽車半導體產業(yè)的發(fā)展。(來源：IDC) ? “800V+SiC”將成為高端電動汽車標配 目前看到的一個明顯趨勢，是隨著汽車制造商對更高能效和續(xù)航能力的追求，整車廠在接下來的兩三年里會發(fā)布更多搭載800V平臺的車型，對SiC功率器件的需求會進一步增加?？梢哉f，“800V+SiC”已經基本成為高端電動汽車標配。 我們從三個方面對碳化硅技術未來的發(fā)展趨勢做一些判斷。首先，從材料來看，基于成本、良率的需求，晶圓材料正在向大尺寸、低缺陷SiC襯底及外延制備的方向發(fā)展;從器件來看，追求更低的SiC MOSFET比導通電阻，同時在可靠性、魯棒性更接近硅基IGBT水準;從工藝來看，繼續(xù)研究制約SiC MOSFET發(fā)展的基礎科學問題，比如通過采用高純度SiC襯底、改進柵氧化層制作工藝來提升溝道遷移率等。 Chiplet芯片成為汽車高性能SoC開發(fā)新突破口 作為搭積木芯片設計的技術代表，Chiplet是一種降本增效、解決汽車高性能SoC芯片需求的創(chuàng)新性方案，其功能獨立成Chiplet，通過選擇成熟工藝和芯片就能提高生產良率，縮短開發(fā)周期。但挑戰(zhàn)也很明顯。例如，不同廠商不同芯片之間的通信接口存在差異;隨著芯片集成度的提高，功耗、散熱和數據傳輸安全都面臨更高要求。 RISC-V成為Arm架構之后的新選擇 與x86和Arm相比，RISC-V的指令集更為精簡，沒有歷史遺留問題，且功耗很低。這些特點使得RISC-V非常適合用于提升汽車系統(tǒng)的整體性能，同時降低制造成本。具體應用方面，RISC-V處理器可被廣泛應用于車載信息娛樂系統(tǒng)、自動駕駛控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)和車輛網絡通信等關鍵領域，未來3至5年內，RISC-V架構芯片在汽車行業(yè)的出貨量預計將以每年66%的速度增長。 第四代半導體材料，氧化鎵將直接挑戰(zhàn)碳化硅 第四代半導體材料包括超寬禁帶半導體和超窄禁帶半導體，前者包括氧化鎵、金剛石和氮化鋁，后者包括銻化鎵和銻化銦等。其中，氧化鎵的禁帶寬度達到4.9eV，超越了SiC的3.2eV和GaN的3.39eV;此外其導通特性約為SiC的10倍，理論擊穿場強約為SiC的3倍，理論損耗僅為硅的1/3000、SiC的1/6、GaN的1/3;從成本角度，基于同樣6英寸襯底的最終器件成本，氧化鎵約為SiC的1/5，與硅基產品的成本相差無幾。 中國科學院院士郝躍在兩年前就曾預測，氧化鎵器件有望在未來10年內成為有競爭力的電力電子器件，并直接與SiC器件競爭。氧化鎵領軍企業(yè)日本FLOSFIA公司則預計，到2025年氧化鎵功率器件市場規(guī)模將開始超過GaN，2030年將達到15.42億美元，占SiC的40%，是GaN的1.56倍。 盡管氧化鎵在成本和性能上具有顯著優(yōu)勢，但其大尺寸單晶制備面臨挑戰(zhàn)，如高熔點、高溫分解以及易開裂等特性。目前，中國的氧化鎵產出僅限于實驗室與高校，而日本在氧化鎵量產方面走在前列。例如，日本東北大學成立的FOX公司，采用無貴金屬單晶生長技術，目標是以比SiC更低的成本生產出低缺陷程度與硅相當的β-Ga2O3襯底(圖2)。 圖2：Si、4H-SiC、GaN和β-Ga2O3基本材料特性的雷達圖，所有參數均已規(guī)范化。(來源：MDPI) ? 氮化鋁作為另一種第四代半導體材料，以其大的擊穿電場和低損耗特性，被視為實現(xiàn)超低損耗功率器件和高溫電子器件的首選材料。NTT Corporation已于2024年初利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)成功生產出高質量的氮化鋁，并開發(fā)了歐姆和肖特基接觸的形成方法，首次展示了氮化鋁晶體管的運行。 ? 展望2025年，隨著技術的進步和量產難題的逐步攻克，氧化鎵和氮化鋁等第四代半導體材料不僅將挑戰(zhàn)現(xiàn)有的SiC和GaN市場，還有可能因其獨特的性能優(yōu)勢，在特定應用領域實現(xiàn)超越。 ? 從設計制造到應用，AI與半導體深度融合 AI正在引發(fā)新一輪科技革命。從語言模型、多模態(tài)模型的單體智能，到能夠使用思維鏈CoT(Chain of Thinking)進行推理的OpenAl o1，再到使用工具完成復雜任務的智能體(AIAgent)，AI基礎能力正在快速演進，并迅速融入生產和生活的每個環(huán)節(jié)，重塑千行百業(yè)，引發(fā)新一輪科技和產業(yè)革命。 于是，在這一輪技術超級周期中，半導體行業(yè)也與AI形成了一種相互促進的關系。 例如，在芯片設計領域，AI通過機器學習、深度學習等智能算法，不斷提高設計的效率與準確性，幫助設計師在設計初期就能預測并優(yōu)化芯片的性能和功耗，減少設計迭代的次數，縮短產品上市時間。 在智能制造領域，通過采用AI機器視覺的自動化檢測設備，不僅提升了生產線的速度，還顯著提高了制造精度。同時，通過收集和分析生產數據，AI算法能夠預測設備故障，減少意外停機時間，并優(yōu)化制造參數，減少原材料浪費和能耗。 在各種云端AI訓練和推理應用服務的推進下，2024年全球AI服務器出貨量預計將達到165萬臺，占比提高至12.1%。其整體資本支出預計將有50%左右的增長，并將在2025年繼續(xù)保持兩位數增幅。AI服務器不但需要高性能的GPU、CPU、TPU和存儲等硬件支持，一些頭部云服務提供商甚至還構建了專門用于運行AI模型的定制芯片，這些都對半導體產業(yè)起到了拉升作用。 同時，我們也要重視智能手機、AI PC、車載終端和工業(yè)物聯(lián)網等端側AI技術創(chuàng)新，因為端側AI擁有龐大的市場規(guī)模、清晰的商業(yè)模式和豐富的應用場景，更容易實現(xiàn)AI規(guī)模化落地，從而加速助推高性能SoC、NPU、射頻、電源管理、模擬信號鏈組件的市場需求。 AI在給上游芯片設計企業(yè)帶來機遇的同時，也讓下游的封裝技術獲得了增量空間。畢竟生成式AI模型需要數百萬或數億級別參數才能進行推理，對芯片的處理速度、容量和帶寬都提出了更高的要求，這將推動以Chiplet為代表的先進封裝技術進一步發(fā)展，帶來封裝行業(yè)的生態(tài)變化。

光通信技術朝大容量、高速率和集成化方向發(fā)展 隨著全球數據流量的增長，特別是在視頻流、云計算、物聯(lián)網和5G網絡領域的發(fā)展，對高速光通信解決方案的需求日益增加。 過去一年中，光通信技術取得了顯著進展。首先，在傳輸速率方面，400Gbps甚至800Gbps接口已成為現(xiàn)實，標志著光收發(fā)器性能的新里程碑。華為和諾基亞等公司在相干光學技術和硅光子學方面的創(chuàng)新是這一成就的關鍵因素，這些新技術不僅提升了數據傳輸速度，還降低了功耗，增強了可靠性和可擴展性。密集波分復用(DWDM)技術的應用進一步擴大了單根光纖的數據承載能力，支持更多用戶同時在線，滿足了不斷增長的數據需求。 同步光網絡(SONET)技術在高帶寬需求場景中表現(xiàn)出色，尤其適合金融交易系統(tǒng)和醫(yī)療健康等領域，其高度可靠性使其成為關鍵應用的理想選擇(圖3)。數據中心內部及之間的高效互連也成為了研究熱點，推動了新型光交換機和路由器的研發(fā)，以實現(xiàn)更快速度和更低延遲的數據交換。 圖3：SONET/同步數字體系(SDH)與DWDM對比。(來源：QSFPTEK) ? 展望2025年，光通信技術將繼續(xù)朝著更高容量、更快傳輸速率、更低的成本以及更廣泛的部署方向發(fā)展： ?

更高容量與更快傳輸速率：行業(yè)將探索如何利用先進的調制格式和技術來達到Tbps級別的數據傳輸速率。

邊緣計算與光互連：針對分布式架構優(yōu)化的光互連解決方案將成為研究重點，提供低延遲、高帶寬的連接能力，支撐實時處理要求高的應用。

集成化與模塊化設計：更加緊湊且節(jié)能高效的光通信模塊將是未來發(fā)展的關鍵方向之一，有助于降低運營成本并提高整體能效。

盡管前景光明，高昂的初始部署成本仍然是阻礙光通信技術廣泛采用的主要障礙之一。為此，產業(yè)界正通過爭取政府政策支持、技術創(chuàng)新降低成本以及加快標準化進程等方式尋求解決之道，以促進不同廠商產品間的兼容性，從而降低用戶的總體擁有成本。 HBM4量產時間提前，5納米成新工藝節(jié)點 盡管作為最新一代高帶寬內存技術，HBM4在各大存儲芯片巨頭技術路線圖里已有相關的量產時間表，但在AI終端需求的拉動下，或迫使存儲原廠撥快量產時間表。從量產進度來看，三星、SK海力士、美光科技三大存儲原廠的HBM4量產時間表都在2025至2026年。 HBM4最大的應用優(yōu)勢在于通過增加堆棧層數和通道數，顯著提升了內存的帶寬和容量。不過，HBM4內存接口從1024位擴展到2048位，意味著HBM4內存的設計和生產將面臨新的挑戰(zhàn)，需要采用更先進的工藝節(jié)點和更具挑戰(zhàn)性的封裝技術。 從技術進展來看，5納米已經成為HBM4的新工藝節(jié)點。同時，芯片封裝仍然是HBM4面臨的最大挑戰(zhàn)之一。由于無凸塊的混合鍵合技術尚不成熟，傳統(tǒng)有凸塊方案預計仍將是16層堆疊HBM4的主流鍵合技術。要保證堆棧高度維持在一定范圍內，HBM4需要進一步地壓縮層間間隙，而且還需提高熱管理能力。而在HBM鍵合工藝上，三大HBM內存原廠正對無助焊劑鍵合等工藝進行相關的測試和研究，以推動HBM4的量產。 從量產進度和計劃來看，三星電子已經成功制造了基于混合鍵合技術的16層堆疊HBM3內存，并計劃將該技術用于HBM4內存量產。同時，三星正在建立專門的HBM4生產線，目前進入試生產階段，預計在2025年下半年量產12層HBM4堆疊。SK海力士也在開發(fā)16層堆疊的HBM4內存，并計劃于2025年量產(圖4)。該公司與臺積電合作，使用臺積電的5納米工藝來創(chuàng)建HBM4封裝底部的基底芯片。SK海力士還計劃引入混合鍵合技術以減少存儲芯片堆疊縫隙的高度，從而實現(xiàn)更多層數的堆疊。美光科技量產時間表略晚，預計將在2026年推出12和16層堆疊的HBM4產品。 圖4：HBM堆疊技術發(fā)展趨勢。(來源：SK海力士) ? 而對于SK海力士、三星和英偉達等企業(yè)的技術訴求，臺積電也將利用其N12FFC+和N5兩種工藝技術，以及InFO和CoWoS等先進封裝解決方案。

艙駕一體中央計算架構與大模型融合，助推自動駕駛技術發(fā)展 自通用人工智能(AGI)大火后，車用大模型也隨之大熱，特別是端到端車用大模型，有可能成為L2駕駛輔助或者L3自動駕駛的最佳路線(圖5)。特斯拉FSD V12版本的推出是這一趨勢的顯著標志，意味端到端自動駕駛技術在量產車型上的應用已成為現(xiàn)實。這個方案也得到了多家車企的認可，在中國，華為、小鵬、商湯科技和元戎啟行等企業(yè)也在積極跟進。 圖5：端到端自動駕駛架構演進示意圖。(來源：辰韜資本《端到端自動駕駛行業(yè)研究報告》，信達證券研發(fā)中心) ? 隨著大模型的應用，自動駕駛芯片對算力的需求也在不斷提升，2024年被視為跨域融合的元年。多家公司已經發(fā)布了支持中央計算平臺的SoC芯片，例如英偉達的DRIVE Thor和高通的Snapdragon Ride Flex SoC都具有高達2000TOPS的算力，能夠支持L4/L5級自動駕駛能力，同時兼顧更高端的智能座艙體驗。多家車企和一級供應商正在積極推進這一方向，艙駕一體將成為近兩年的主流趨勢。 ? 智駕端到端大模型在未來能否上車是個關鍵，這個技術的發(fā)展可以分為四個階段：感知端到端、決策規(guī)劃模型化、模塊化端到端和One Model端到端。中國自動駕駛公司的模塊化端到端方案預計將在2025年實現(xiàn)量產上車。 ? 從市場方面，有研究機構表示，2029年汽車半導體市場規(guī)模將達到1000億美元，在這些數字背后，高級輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS)和安全將以14%的年復合增長率在2023至2029年期間實現(xiàn)最高增長。用于自動駕駛的高性能SoC、智能座艙、電力電子，以及用于未來E/E架構的MCU，也是OEM在汽車半導體投資中的重點方向。

2.5D與3D先進封裝持續(xù)深入，在嵌入式領域展現(xiàn)潛力 2.5D封裝技術通過在中介層集成多個芯片，實現(xiàn)了高效的芯片間通信;3D封裝技術則更進一步，將芯片垂直堆疊，不僅極大地減小了設備體積，還顯著提升了性能。這些技術的發(fā)展不僅滿足了各類應用高性能計算和強大處理能力的需求，也為小型化趨勢提供了強有力的支持。 在全球電子封裝行業(yè)中，2.5D與3D集成電路封裝正以迅猛的速度發(fā)展，成為推動整個市場向前邁進的關鍵力量。 根據The Business Research Company發(fā)布的3D IC和2.5D IC封裝市場研究報告，預計從2023年的486億美元起，到2024年這一市場規(guī)模將達到543.9億美元，展現(xiàn)出11.9%的年復合增長率。 在技術細分方面，3D和2.5D集成電路封裝技術涵蓋了3D晶圓級芯片級封裝、3D硅通孔(TSV)和2.5D等多種技術。 目前，這些技術已經在高性能計算、5G通信基礎設施和自動駕駛汽車等前沿科技領域發(fā)揮重要作用，此外，2.5D和3D先進封裝技術也正逐步滲透到更多嵌入式應用中，如微機電系統(tǒng)(MEMS)、CMOS圖像傳感器(CIS)和閃存等，并且正在向圖形處理器(GPU)、多核CPU、電源管理單元(PMU)、功率放大器以及現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)等領域擴展其影響力，顯示出它們在未來電子封裝領域的巨大潛力(圖6)。 圖6：3D TSV應用廣泛且持續(xù)增長。(來源：Yole développement) ? 盡管在射頻(RF)微型系統(tǒng)方面，2.5D/3D封裝技術尚未形成規(guī)?；瘧?，但相關研究報道的數量正在不斷增加。 ? 預測表明至2028年時，3D和2.5D集成電路封裝市場的規(guī)模有望達到816.7億美元，保持約10.7%的年均增長速度。隨著相關技術持續(xù)進步與市場需求的增長，可以預見，在接下來幾年里，2.5D和3D封裝技術將在商業(yè)上取得更加廣泛的應用。 ? AI需求激增推動服務器液冷技術發(fā)展 隨著中國人工智能企業(yè)對智算中心基礎設施建設和算力供給需求越來越高，導致此類數據中心的IT設備能耗大幅上升，迫切需要高效的冷卻系統(tǒng)來維持適宜的操作溫度，否則將對大模型產品的周期管理和運維難度產生巨大挑戰(zhàn)。另一方面，各國政府也在不斷提高數據中心的節(jié)能減排標準，加快綠色節(jié)能算力部署。因此，液冷解決方案正從以前數據中心建設和改造的“可選項”，逐步演變成為“必選項”。 以中國市場為例，中國液冷服務器市場在2024年上半年繼續(xù)快速增長。市場規(guī)模達12.6億美元，與2023年同期相比增長98.3%，其中液冷解決方案仍以冷板式為主，占到95%以上。預計2023至2028年，中國液冷服務器市場年復合增長率將達到47.6%，2028年市場規(guī)模將達到102億美元。 互聯(lián)網行業(yè)依然是2024上半年中國液冷服務器市場最大買家，占整體市場超60%的份額，其中云服務提供商(CSP)對于加速建設大集群的液冷數據中心是最積極的。除此以外，電信運營商在逐步落實2023年發(fā)布的《電信運營商液冷技術白皮書》3年行動計劃，積極探索基礎設施解耦方案，對液冷數據中心的建設保持較快的增長，也是未來液冷服務器需求的主要來源。 液冷技術主要分為直接液冷(DLC)和浸沒式液冷兩大類型(圖7)。直接液冷將冷卻液直接引導至設備的熱源上，通過冷卻板或冷卻管道將熱量帶走;浸沒式液冷則將整個設備完全浸泡在絕緣冷卻液中，實現(xiàn)更大范圍的熱傳導效果，適用于超高密度和大功率設備的散熱。目前來看，冷板式液冷憑借更高的技術成熟度和完善的產業(yè)鏈，具備更高的建設和維護便利性。 圖7：不同冷卻技術對比——電信運營商現(xiàn)階段主要推進冷板式液冷與單相浸沒式液冷兩種技術路線。 ? 集成化、小型化和多通道設計，讓生物傳感器更強大 電化學生物傳感器是一種將生物識別元件(如酶、抗體或DNA)與電化學換能器相結合的分析裝置，能夠特異性地識別目標生物分子，并將其濃度變化轉化為可測量的電信號。它在生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測、食品安全等領域具有廣泛的應用前景。 近年來隨著人們健康意識的不斷提高，電化學生物傳感器技術有了顯著進展。全球市場規(guī)模在2023年估計達到了28.9億美元，預計到2030年將以8.0%的年復合增長率增長。 過去一年在技術進展方面，蘋果的無創(chuàng)血糖監(jiān)測技術雖然還處于可行的“概念驗證”階段，但為電化學生物傳感器的發(fā)展帶來了曙光;還有團隊開發(fā)出的便攜式生物傳感器，能夠在短時間內檢測出血清中極低濃度的生物標志物。此外，微納制造技術的進步使得集成化和小型化成為可能，為可穿戴設備和即時檢測(POCT)應用提供了技術支持，而多通道設計的引入使得傳感器可以同時檢測多種目標物質，提高了檢測效率和準確性。

未來一年，更多的新型材料將有望被應用，如二維材料、金屬有機框架(MOF)和共軛聚合物等都有望成為新的研究熱點。時下大火的AI技術也有望與電化學生物傳感器深度融合，通過機器學習算法實現(xiàn)對復雜信號的智能分析和處理，提高檢測的準確性和可靠性。在可穿戴設備等具體應用領域，電化學生物傳感器與智能設備的融合，將實現(xiàn)對人體健康狀況的實時、長期和多項生理指標的同時監(jiān)測。 然而，電化學生物傳感器在商業(yè)化進程中也面臨一些挑戰(zhàn)，例如穩(wěn)定性和重復性需要進一步提高，以確保測量結果的可靠。此外，成本和全球醫(yī)療保健機構嚴格的法規(guī)也是限制其大規(guī)模應用的一個重要因素。這需要業(yè)界在優(yōu)化傳感器的設計和制備工藝，提高其性能和穩(wěn)定性的同時，探索新的材料和技術以降低制造成本。 應用導向的芯片設計，牽一發(fā)動全身 EDA企業(yè)過去一年都在談系統(tǒng)設計的重要性，或者說以應用為導向的芯片設計時代正在到來——不僅是板級系統(tǒng)，也在于深入到應用特定需求的系統(tǒng)技術。 以汽車為例，當代汽車的不同設計域之間存在著更強的依賴和相互關聯(lián)性。某一部分的變化可能會影響到其他組成部分，可謂牽一發(fā)而動全身。對于系統(tǒng)設計、優(yōu)化、驗證、實施、制造和部署全流程，組件之間的關聯(lián)都變得無比重要。 對于特定的軟件來說，需要特定的芯片配置才能達成理想的運行效率;改變軟件，也就意味著芯片需要做出對應變更;隨之而來的就是芯片的熱等物理特性變化，封裝及系統(tǒng)也要做出改變;留給電池的空間或許就會不一樣，底盤設計也要跟著變，乃至影響到制動系統(tǒng)和引擎。 于是芯片設計與制造，不再單純是制造工藝驅動，也不只是受到先進封裝等制造封裝層面的變革影響，而是軟件定義、應用導向的系統(tǒng)設計中的一環(huán)。芯片設計需要放到整個系統(tǒng)之中進行，衡量系統(tǒng)所有其他組成部分，包括真實運營環(huán)境內的資產。 芯片設計的數字孿生置于運營系統(tǒng)的數字孿生之中;基于對系統(tǒng)內芯片的監(jiān)測，理解運營系統(tǒng)的性能，并將信息再反饋到設計環(huán)節(jié)。 這一趨勢的發(fā)生，不僅是摩爾定律停滯或放緩，以及全社會數字化轉型、AI技術發(fā)展對算力提出更高的要求而不得不為之;也是軟件、AI、IoT和通信等相關技術發(fā)展到一定高度才可達成的。 審核編輯 黃宇