「先端ICパッケージング」が半導体戦争の次の戦線に

ハイエンドAIプロセッサーへのアクセスを制限する米国の制裁に打ち勝つため、設計とパッケージング技術の進歩を利用する中国

Scott Foster
Asia Times
August 21, 2024

先端ICパッケージングは、AIプロセッサーやその他の先端集積回路（IC）メーカー間の新たな競争源として注目されており、米国の海外サプライヤーへの依存度を下げ、中国の技術進歩を遅らせるという米国政府の取り組みの次の前線として浮上している。

しかし、米国の制裁措置が中国の前進を著しく制約している「前工程」のICウェハー製造とは異なり、「後工程」の組立・パッケージング・テスト（APT）は、中国が大きな市場プレゼンスと洗練された技術を持ち、米国の技術ブロックの影響を比較的受けにくい分野である。

世界最大かつ最も技術的に進んだICファウンドリーである台湾のTSMCは、CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）パッケージング能力を急速に拡大している。これにより、5ナノメートル以下のプロセス・ノードで製造されるNvidia、AMD、Intelの最新AIプロセッサーの供給を制限してきたボトルネックが解消されることになる。

ASMLのEUVリソグラフィ・チップ製造システムの中国への販売禁止により、これまで5ナノメートル以下に移行できなかったファーウェイは、独自のIC設計とパッケージング技術を駆使して、米商務省が同国で販売できるNvidia製チップの性能に課した上限を超えた。

具体的には、ファーウェイの新しいAscend 910Cプロセッサは、今後2ヶ月以内に商業出荷される可能性があり、NvidiaのダブったH20を凌ぐと報告されている。

Tom's Hardwareは、「Huaweiによれば、このデバイスはNvidiaのH100と同等だが、Ascend 910CがNvidiaの前世代のフラッグシップ製品に匹敵するかは（どのベンチマーク条件で）不明だ」と書いている。ExtremeTechは、全体としてH20のAI性能はH100より「28％低い」と計算している。

ファーウェイがその能力を誇張しているとしても、Nvidia、AMD、Intelを中国市場でのAIプロセッサーの地位を失う危機に陥れるには十分な進歩を遂げたようだ。

ファーウェイをはじめとする中国ベンダーは、外資との競争なしに、世界最大のAIデバイス市場を独り占めすることになるかもしれない。

アリババ、バイドゥ、バイトダンス、チャイナ・モバイル、テンセントなど、より先進的な米国設計のプロセッサーを好んで購入していた中国の顧客は、中国で設計・製造されたデバイスを使用する方が簡単でリスクも少ないと考えるようになるだろう。

米国で設計されたチップと同様、米商務省が制裁を強化し、中国国内で使用できなくなる可能性もある。この不確実性が、たとえ性能や性能が劣っていたとしても、中国製ICへのシフトを加速させている。

一方、台湾の技術ニュースサイトなどが報じた業界筋のデータによると、TSMCのCoWoS技術を使ったICの月産台数は、今年末までに2倍以上の4万台に達し、2025年には50％増の6万台、2026年末には8万台に達するという。

CoWoSは、TSMCが開発した2.5次元（2.5D）パッケージング技術で、コンピューティング、データセンター、通信機器に使用される高性能IC向けである。下図に見られるように、スルーシリコン・ビア（TSV）垂直電気接続とシリコンインターポーザーを利用する。

電子設計自動化企業の大手であるケイデンス・デザイン・システムズ社によると、CoWoSは「複数の種類のチップを効率的に連携させる必要がある人工知能（AI）アクセラレータに特に適している」という。

AMDが指摘するように、「HBMは低消費電力で超広帯域の通信レーンを持つ新しいタイプのメモリーチップです。HBMは、シリコン貫通ビア（TSV）と呼ばれる微細なワイヤーで相互接続された、垂直方向に積層されたメモリーチップを使用する」
スクリーンショット

「2.5Dパッケージングは...従来の2Dパッケージングと本格的な3Dパッケージングの中間ステップである。2.5Dパッケージングでは、複数の半導体ダイ（通常は異なるプロセス技術のもの）をシリコンインターポーザ上に並べて配置する。インターポーザーはブリッジの役割を果たし、個々のダイを接続し、高速通信インターフェースを提供する」と、ケイデンスは説明する。

これにより、「プロセッサー、メモリー、センサーなどの多様なコンポーネントを単一パッケージ上に統合することが可能になる。この近接性により、相互接続の長さが短縮され、シグナルインテグリティの向上とレイテンシの低減につながる。
さらに、パッケージのサイズと消費電力の両方を削減し、放熱を容易にする」と、付け加えた。

CoWoSの生産能力を増強することで、TSMCはNvidiaのH100プロセッサーの受注残に追いつくことができ、来年初頭に開始が見込まれる新しいBlackwell B200プロセッサーの展開に備えることができるはずだ。

NextBigFutureのブライアン・ワンは、B200はH100より4倍速く、25倍効率的だと計算している。ユーザーやアナリストがB200の総合的なAI性能についてどう評価するかは来年にならないとわからないが、ファーウェイのハードルを大幅に引き上げることになる。しかし、中国ではほぼ間違いなく販売されないだろう。

TSMCは2012年にCoWoSの最初のバージョンを発表した。最近、中国のニュースサイトGuancha（観察者網）の記事で報じられたように、ファーウェイのIC設計部門HiSiliconは「2014年にコストと歩留まりを含むCoWoSの包括的な評価を行い、率先してこの技術を採用することを決定した。」

16nmロジックチップと28nm入出力（I/O）チップの統合から始まったファーウェイHiSiliconは、2019年の7nmまでTSMCと協力した。その進展は2020年、米国がファーウェイを制裁し、TSMCがそれを断ち切らざるを得なくなったことで終わった。

しかし、ファーウェイはすでに、システム・オン・チップに組み合わされるコンポーネントを一般的に「チップレット」と呼ぶコンセプトを実装する経験を何年も積んでいた。AMD、アップル、インテル、Nvidiaはすべてチップレット設計を採用している。IBMは次のように説明している：

チップレットの背後にある考え方は、チップ上のシステムを複合機能ブロック（パーツ）に分解することである。複雑な機能を持つチップのサブエレメントは、チップレットとして作られる可能性がある。これらのサブエレメントには、個別の計算プロセッサーやグラフィック・ユニット、AIアクセラレーター、I/O機能、または他のチップ機能のホストが含まれるかもしれない。チップレットで構成されるシステムは、モジュール上のSoCのようなもので、将来的には、複数のプロバイダーから調達した相互運用可能なミックス＆マッチ・チップレット・コンポーネントを使用して製造される可能性がある。このアプローチにより、チップレットがまったく新しいコンピューティング・パラダイムを実現し、よりエネルギー効率の高いシステムを構築し、システム開発サイクルタイムを短縮し、あるいは現在よりも安価に専用コンピュータを構築できるようになるかもしれない。

ファーウェイ/HiSiliconは、チップレット技術をカバーする数百の特許を蓄積していると言われている。2021年、深センを拠点とするChipuller社は、失敗したシリコンバレーのベンチャー企業Glue社から28件の特許を取得した。

チップラーのヤン・メンCEOはロイターに対し、チップレットによって「米中競争は同じスタートラインに立った」と語った。他の（チップ技術の）分野では、中国と米国、日本、韓国、台湾との間には大きな隔たりがある。

しかし、チップレットは、中国がこれまで5nm以上の進化を阻んできた先進的な半導体製造装置の輸出に対する米国の規制を回避することを可能にする。

中国には、非常に大規模で先進的なICパッケージング産業がある。世界の半導体組立テスト（OSAT）企業トップ5のうち、3位のJCETと4位のTongfu Microelectronicsの2社は中国企業であり、北京ESWINやその他の中小企業もチップレット技術を開発している。

Tongfuは、長年AMDにOSATサービスを提供しており、蘇州とペナンでAMDと合弁工場を運営している点でユニークである。

中国政府は、先進的なICパッケージング全般と特にチップレットを、米国の制裁を克服し、中国の半導体産業を競争力と独立性のあるものにするための鍵と見なしている。

米国政府も先端ICパッケージングを重要視しており、アムコーの米国初のOSAT施設の建設に補助金を出す計画だ。世界第2位のOSAT企業であるAmkor社は、アリゾナ州に本社を置いている。

7月下旬、ジーナ・ライモンド米商務長官は、「CHIPS and Science Actの基本的な目標の1つは、米国内に先進的なパッケージング・エコシステムを構築し、チップの生産が最初から最後まで国内で行われるようにすることである......ここアリゾナでパッケージングされる最先端チップは、今後数十年にわたって世界経済と国家安全保障を定義する未来の技術の基礎となるものである」と述べた。

出典：IDCデータ、Asia Timesチャート