美国国际战略研究中心发布：《半导体出口管制的双刃剑》

（一）背景：追逐摩尔定律

自半导体技术诞生之初，芯片制造商就一直在追求提高计算能力和效率的双重目标。几十年来，这些目标都是通过增加芯片上的晶体管数量来实现的。摩尔定律预言了制造商能够容纳在集成电路上的晶体管数量将每两年翻一番。在半导体行业的大部分历史中，制胜的策略是不断缩小晶体管尺寸，提高晶体管密度。然而，近年来晶体管尺寸的缩小速度比过去慢了很多，摩尔定律的持久性受到质疑，人们更加需要采用其他策略来提高计算能力和效率，例如减少晶体管之间的空间。但是，在过去十年中，即使是这些新方法有时也难以维持摩尔定律所预测的速度。

（二）先进封装的兴起

先进封装技术已成为一种更具资本效益的替代方案。因为其既能提高晶体管的密度，又能以其他方式提高处理能力和效率。在过去的几十年中，半导体封装通常被认为是高度先进的芯片封装的最后一步。封装的功能是将芯片与其他元件隔离，并保持芯片与印制电路板（PCB）的连接。一般而言，从事这项工作的公司往往位于劳动力成本较低的国家，这些国家往往专门从事封装和测试工作。

然而，先进封装设计是一个较新的领域，其目的是减少延迟（从发出计算指令到开始传输数据之间的延迟时间）和优化芯片组件及其互连部件的排列。因此，先进封装采用了与传统封装完全不同的工艺和技术。传统封装完全是后端流程，发生在下游，通常由外包半导体封装和测试（OSAT）供应商执行。这种外包之所以存在，是因为相对于前端制造而言，封装因其商品化性质而利润较低。而先进封装正在将大部分封装流程向上游推进，新的创新方法正在改变晶圆代工厂在制造过程中准备芯片的方式。

（三）芯片组设计和异构集成

一个特别重要的先进封装创新是芯片组设计，它将多个具有离散功能的芯片集成到一个单一的封装单元中。与传统封装方法相比，用于实现芯片组设计的封装方法，即异构集成，有可能实现更高的能效、更快的数据传输速率和更低的信号衰减。芯片组设计的一大优势是在服务不同应用方面的灵活性。系统中经常互动的半导体元件可以放置在更近的位置，从而降低延迟和功耗需求。例如，对于严重依赖内存功能的人工智能计算来说，将内存芯片靠近处理核心已被证明是一种强大的设计解决方案。因此，芯片组已成为美国决策者重点关注的问题。

（四）对先进封装实施出口管制

让美国监管机构面临更大挑战的是，先进封装在很大程度上是由广泛可用的设备和材料实现的。与半导体制造不同，半导体制造是在纳米级上进行的，每一步都需要高度精密的设备，而先进封装工艺通常是在微米级上进行测量的。虽然制造先进封装半导体需要一些专用设备，但与制造工艺相比，大多数工具的技术含量和开发难度都较低。这里有两项可以实现先进封装的技术值得特别介绍：混合键合和先进基板。这两项技术都能使企业生产出性能远高于传统封装的先进封装。

1. 混合键合

推动先进封装创新的最具影响力的技术可能是混合键合。它是一种用于垂直连接制造好的半导体晶片（切割成单个芯片后通常称为“晶粒”“裸片”或“骰子”）的方法。在不推进底层半导体工艺节点的情况下、利用混合键合可以显著提高特定芯片封装的性能，而无需推进底层半导体的工艺节点，从而大大提高计算效率，实现各种尖端应用。混合键合有两种方式：晶圆上键合（W2W）或晶粒上键合（D2W）。在W2W焊接中，晶圆相互堆叠，完成后将堆叠的晶圆切割。在D2W焊接中，晶圆在堆叠前被切割成单个芯片。这两种方法都需要专门的制造设备，如芯片贴装和激光切割工具。

2. 先进基板

在芯片制造和封装过程中，基板有两个主要用途。首先，基板是进行微加工的基本表面。其次，对于先进封装而言更为重要的是，基板是芯片“大脑”与“电子高速公路”之间的连接点。芯片的运算操作发生在芯片上，本质上就是芯片的“大脑”。运行时，信息从印刷电路板（“电子高速公路”）进入，穿过基板，到达芯片，在芯片上执行计算操作。然后，经过处理的信息通过基板离开芯片，返回印刷电路板继续传输。芯片功能的扩展以及5G基础设施、航空航天和国防、高性能计算和电动汽车等专业应用的增长，增加了对能够承受高信号频率、热量和数据吞吐量要求的半导体的需求。在这些条件下，先进基板通常能够实现所需的高性能功能。因此，基于砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等先进基板的芯片封装越来越重要。其中后两种被认为是“宽带隙”半导体，与传统半导体相比，它们可以在更高的电压、温度和频率下工作，在各种可再生能源技术的生产中发挥着关键作用。

各国的政策制定者和企业正在优先考虑先进封装技术创新，其做出的努力包括私营部门增加对芯片和先进基板等领域的研发投入，以及产业政策投资。各国最近在先进封装方面取得的进展也不容小觑。中外学者普遍认为美国的出口限制加速了各国先进封装生态系统的创新。从长远来看，各国在封装行业取得领先地位的程度可能在很大程度上取决于包括OSAT、设计人员和EDA公司、代工厂和原始设备制造商。在这方面，各国整个半导体（和电子制造）生态系统日益密切的合作可能是各国另一个潜在的优势。半导体行业未来的发展是否将主要由晶体管密度或系统复杂性的变化（如先进封装创新）驱动，还有待观察。

美国对半导体出口管制的新方法试图最大限度地扩大其技术领先优势。本文重点讨论了先进封装技术，各国半导体行业借此难得的机会，利用供应链中已有的优势，避免使用美国及其盟友的芯片制造技术，在创新方面实现跨越式发展。据报道，美国正在考虑针对先进封装技术实施新的出口管制措施，但鉴于上文提到的，即芯片制造设备的行业准入门槛较低、全球供应链分布广泛以及各国现有设施和专有技术的程度。事实上，管制措施可能对寻求在先进封装领域发展的美国企业造成更大的伤害，而不是阻碍各国竞争对手的发展。

美国新的出口管制“硬上限”方法激励受影响国家和公司进行创新，以摆脱对美国和盟国投入的依赖。事实上，各国长期以来一直寻求提高技术独立性，甚至在美国及其盟友收紧经济安全规则之前就已经开始。然而，过去两年出口管制所施加的“硬上限”无疑将各国的努力提升到了新的高度。