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生成式AI晶片需求爆發，台積先進封裝產能供不應求

2023.06/30

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產業趨勢探勘

  1. 2023年因為ChatGPT爆紅導致生成式AI的需求爆發，並導致高階AI晶片供不應求，例如主要提供AI算力的Nvidia的高階GPU需求也因而暴增，其實不論是Nvidia或是AMD等AI晶片供應商，都是鎖定台積電先進製程下單，然而高階AI晶片同時需透過台積電一條龍的CoWoS(Chip on Wafer on Substrate)先進封裝才能達到更好的算力，例如目前如市場最熱門的Nvidia 高階A100與H100等頂級AI GPU都運用CoWoS封裝技術，為此Nvidia第二季已向台積電追加1萬片晶圓訂單。
  2. CoWoS封裝體積小，功耗低，接腳少，主要適用人工智慧、網通和高速運算應用。該技術先將晶片（如處理器、記憶體等）通過Chip on Wafer（CoW）封裝製程連接至矽中介板（矽晶圓），再將CoW晶片與基板連接進行整合，形成Chip-Wafer-Substrate（晶片-矽中介板-基板）三層結構。由於基板最小線寬較大（100um），多個die封裝且IO較多時，線密度遠遠不夠，故需更小走線密度矽中介板（10um）在中間過渡。利用CoWoS封裝技術可使得多顆晶片封裝到一起，通過矽中介板戶相連接。
  3. CoWoS廣泛應用於GPU封裝，在Nvidia產品中，A100、A30、A800、H100及H800計算GPU皆使用CoWoS封裝技術；另外在AMD產品中，Instinct MI100、Instinct MI200/MI200/MI250X皆使用CoWoS封裝技術。
  4. AI應用的崛起讓台積電先進封裝需求激增並遠大於現有產能，台積電原本每月的CoWoS封裝產能約為8,000~9,000片，在Nvidia追加訂單後，台積電的CoWoS供應大幅吃緊，為此台積電已將CoWoS產能從每月8000片擴產為每月1.2萬片 (Nvidia的需求約占此產能的40％～50％，Nvidia及AMD加總占用約70%-80%產能)，未來更將於2024年中達每月1.6萬片，至2024年底將達每月2萬片。
  5. CoWoS 封裝在2023年產能需求已因高階AI晶片的爆紅較原本預估的提升5成，預計明年將再成長4成，可說台積電大幅低估了CoWoS的需求，因此擴產計畫由原本的觀望態度轉向積極擴張，產能將從2022年整年7～8萬片晶圓，增至2023年整年14～15萬片晶圓，隨產能持續擴充，預估2024年將挑戰整年20萬片產能。
  6. 隨Google TPU、輝達GPU及超微MI300全數導入生成式AI，台積電AIGC訂單大量湧入，帶動CoWoS擴產需求。台積電股東會上董座劉德音提到，台積電先進封裝產能去年到今年幾乎翻倍，今年到明年又要翻倍，為應對明年先進封裝的CoWoS產能擴產，目前優先規劃把先進封裝龍潭AP3廠部分InFO製程轉至南科廠，空出來的龍潭廠加大力度擴充CoWoS產能，竹南AP6廠也將加入支援。而台積電除了自己擴產以外，也會把CoWoS製程中的後段oS流程釋出予專業封測代工廠(OSAT)。

 

三大瓶頸讓台積電願意釋單給封測廠

  1. 需求暴增：台積電CoWoS家族包含CoWoS-S與CoWoS-L/R，部分對應於高速運算應用的客戶，包括多家一線大廠與輝達，另外的InFO系列則多數由蘋果包下。本來CoWoS-L/R和InFO部分製程可共用機台，但大客戶的新品早早卡位，如目前InFo已在全滿載應對下半年新品準備，短期暫無空間可再調度擠出產能給CoWoS，但輝達又需要更多備援服務給緊急訂單，故勢必要尋找其他台廠支援，確保可在出口管制緩衝期前以更多先進封裝搭製程來消化較緊急且堆積的訂單。
  2. 擴產不及：若台積電要自行擴充CoWoS產能所需的設備來看，外商設備在品質管控下交期難以縮短，而本土廠商就算交期再快，即使現在立刻進廠安裝機台到調整至產出符合要求的晶圓仍需要至少三個月時間，因此自擴產能將緩不濟急。
  3. 自主掌握前段製程：在封裝業務方面台積電最賺錢的是晶圓級SiP技術，如CoW和WoW，其次是FOWLP和InFO，而oS的利潤最低，故台積電將oS流程委外已運作一段時間，主要鎖定針對一些小批量、高效能晶片，將高利潤、技術層次高的CoW部分握緊在手，利潤較低的oS則交給封測廠操刀，藉由封測協力夥伴的協助提升生產效率及靈活性，由於異質晶片整合的需求顯著增長，預計台積電會將更多低利潤封裝業務交給OSAT。這種合作方式在未來3D IC世代也將持續。
  4. 相關封測大廠早已具備2.5D封裝技術，且因具備技術升級及價格優勢，較能獲得客戶大量採用。未來隨著AI市場大餅快速增胖、先進封裝需求暴增，除可搶食到更多客戶訂單，也有機會進一步擴充產能，對設備業者亦有利。

 

CoWoS相關台廠剖析點評

相關產業

公司與近況

設備

志聖

  • 志聖推出適用於CoWoS、SoIC(系統級整合晶片)作暫時貼合，接電層貼合、烘烤線用的Carrier Bonder，已切入台灣指標性封測大廠。

萬潤

  • 萬潤以半導體封測及被動元件設備為二大產品線，為台積電CoWoS點膠機與自動光學檢測主要供應商，其中約7成營收靠的是打進晶圓代工廠的InFO和CoWoS等高階封裝的機台，包含晶片取放、量測和散熱貼合等項目。
  • 由於被動元件設備需求遞延，加上半導體大廠亦因應終端需求降溫自去年下半年起陸續遞延或下修資本支出預期，不過近期傳出台積電因應CoWoS先進封裝產能供不應求，已對萬潤封裝設備廠提出採購拉貨通知，可望增添成長動能帶動營運復甦。若台積電CoWoS今年產能多擴充到6萬片，假設供貨比重9成，將為萬潤帶來10～11億元營收，相當2022年總營收的46％，成最大受惠者。

弘塑

  • 弘塑為台積電CoWoS產能濕製程晶圓清洗設備主要供應商。目前弘塑營收中，約有25~30%取自台積電，而不止近期市場上正夯的CoWoS，事實上晶圓代工業者採3D晶圓堆疊的SoIC相關設備與部分化學材料也取自弘塑，而目前一線封裝大廠的2.5D、3D先進封裝也有部分設備由弘塑供應。
  • 預估台積電2024年底年產能擴張幅度約較今年多增加6萬片，濕製程晶圓清洗設備的營收貢獻將為5～6億元，隱含濕製程晶圓清洗設備將額外貢獻弘塑7％營收。

辛耘

  • CoWoS 濕製程設備早期由弘塑獨拿，不過近年來辛耘已順利切入，且台積電也需分散風險採用第二供應商，預期辛耘將迎來新訂單。
  • 展望 2023 年，公司代理設備、自製設備業務都有望持續成長，再生晶圓則估持平，營收、獲利可維持去年高檔水準。

封測

日月光

  • 日月光為OSAT霸主並早已具備2.5D封裝技術，且因具備技術升級及價格優勢，較能獲得客戶大量採用，過去日月光毛利約15%，oS毛利30%對台積電整體高達50%以上毛利而言相對是不賺錢事業，但對日月光而言卻是相當賺錢的產品線，因此隨著oS需求提升，預期將有機會可以提升日月光整體毛利率。
  • 先進封裝目前僅是日月光集團其中一項產品線，量能相對不大，對短期業績挹注效果可能較有限。但因具備技術升級及價格優勢，較能獲得客戶大量採用。未來隨著AI市場大餅快速增胖、先進封裝需求暴增，或可搶食到更多客戶訂單。

 

GoldON投資方向思考

  1. CoWoS產能的建置，從機台交貨到能順利量產往往需要8-10個月的時間驗證，生成式AI的突然爆紅也導致台積電的CoWoS產能短期內無法滿足市場的需求，因此急需於今年加速擴張CoWoS產能，唯二的兩個解決方案，不論是加速採購設備自建CoWoS產線、或是將部分的封裝業務外包給其他封測廠商，才能快速滿足現有CoWoS產能不足。
  2. 台系設備商近期已接獲台積電CoWoS相關設備小量急單或追單，而且明年下單數量更是超乎預期，由於製程設備交期可能長達6~9個月，推測貢獻業績時間點可能會落在第四季到明年初之間。
  3. 總結來說，因AI需求持續攀升，反而讓台積電過去相對保守的CoWoS先進封裝供不應求，為了要快速滿足市場需求，台積電CoWoS供應鏈的設備廠和配合的封裝廠因而受惠，預期在未來兩年將屬於CoWoS供應鏈的高速成長期。

 

關於本篇

前驅投資週報2023-016

Processor:    Shawn Hung

Hunter:         Shawn Hung

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