HBM产业链材料端行业市场分析

HBM产业链材料端行业市场分析1.ChatGPT掀起AI技术革命，算力迭代点燃HBM需求ChatGPT引发大模型时代变革，人工智能浪潮来临ChatGPT推动大模型时代变革，引发人工智能投资热潮。ChatGPT是OpenAI公司在其GPT语言模型系列产品基础上研发的新一代对话式人工智能系统，一经推出就便在网络上迅速走红，成为史上用户增速最快的消费级应用程序。截至目前，GPT已经经历了如下演化：2017.6，谷歌发布transformer，成为后续GPT的基础架构；2018.6，OpenAI发布GPT-1，模型拥有1.17亿个参数，使用网页的文字数据进行训练；2019.2，OpenAI发布GPT-2，模型拥有15亿个参数，具有零样本的多任务能力；2020.5，OpenAI发布GPT-3，模型拥有1750亿个参数，使用网页以及其他来源的文字进行训练，具有小样本学习能力；2022.11，OpenAI发布基于InstructGPT的衍生产品ChatGPT，基于GPT-3.5；2023.3，OpenAI发布GPT-4，模型体现强大的识图能力，文字输入限制提升至2.5万字。随着ChatGPT这一现象级AI应用的火爆，科技巨头们纷纷行动，引发人工智能投资热潮。2023年12月，谷歌AI大模型Gemini发布，三大版本、五种模态，多模态性能全面超越GPT-4V，再次引发市场的持续关注。大模型训练催生算力需求，高性能芯片供不应求AI大模型训练海量数据催生庞大的算力需求，A100、H100等芯片供不应求。大语言模型（LLM）训练过程中庞大的数据吞吐带来硬件方面的新要求：1）快速读取内存中的大量数据，即高带宽存储；2）同时处理简单但数量庞大的并行运算。设计上的先天差异决定GPU相比CPU在训练大语言模型或搭建高算力服务器时更有优势，英伟达设计的AI专用显卡H100等产品成为今年大厂抢购的明显单品，市场供不应求：CPU：几个到十几个运输单元（核），适合处理难度较大的单个运算；GPU：几百甚至几千个运算单元，适合处理简单但是大量的并行运算。2023年11月14日，英伟达正式发布新一代AI芯片H200，该芯片搭载全新HBM3e内存，拥有141GB的内存、4.8TB/秒的带宽，并将与H100相互兼容，性能较H100提升了60%-90%。H200预计将于明年二季度开始交付。2023年12月7日，AMD正式推出了面向AI及HPC领域的GPU产品InstinctMI300A/MI300X加速器，直接与英伟达H100加速器竞争。HBM成为GPU芯片内存解决方案，需求井喷HBM有效解决“内存墙”和“功耗墙”问题，成为GPU芯片内存解决方案，需求进入井喷阶段。HBM全称HighBandwidthMemory，即高带宽内存，是一种新兴的DRAM解决方案。HBM具有基于TSV（硅通孔）和芯片堆叠技术的堆叠DRAM架构，简而言之就是将内存芯片堆叠到一个矩阵里，再将其堆栈置于CPU或GPU的旁边，通过uBump和Interposer（中介层，起互联功能的硅片）实现超快速连接。Interposer再通过Bump和Substrate(封装基板）连通到BALL，最后BGABALL再连接到PCB上。HBM的优势在于：1）更高带宽；2）更高位宽；3）更低功耗；4）更小外形。HBM芯片持续迭代，是未来显存发展方向，渗透率有望持续提升。最初，AMD联合SK海力士、安靠开发高显存、低功耗的显存。2013年，海力士宣布成功研发HBM1，定义了这一显存标准；2016年，三星宣布开始量产4GBHBM2DRAM，并在同一年内生产8GBHBM2DRAM；2018年，海力士宣布量产HBM2，三星宣布开始量产第二代8GBHBM2产品“Aquabolt”；2020年，海力士开发出新一代HBM2E，三星宣布推出16GBHBM2E产品“Flashbolt”；2021年，海力士开发出全球首款HBM3，美光HBM2E产品上市；2022年，海力士量产全球首款HBM3DRAM芯片，并供货英伟达，三星HBM3技术实现量产；2023年，海力士率先推出HBM3E，三星发布HBM3E新品“Shinebolt”。未来随着AI服务器需求快速增长，叠加HBM向普通服务器以及个人PC端渗透，其市场规模将快速增长。2.先进封装技术演进奠定HBM基石，TSV是核心工艺封装技术持续演进，配套材料需求同步发展摩尔定律逐渐“失效”，工艺推进越来越难，封装技术重要性逐渐凸显。半导体的发展遵循摩尔定律，技术和性能每隔18-24个月不断迭代。到45nm节点时，过大的泄漏电流已经让微缩难以为继，全新的high-k材料被用来制造晶体管闸极电介质。到28nm以下节点时，传统的平面晶体管结构无法支撑进一步微缩，2011年以后以FinFET为代表的新型器件结构全面崛起，但至此以后工艺制程的微缩进入了“举步维艰”的时代。半导体封装技术的发展历程是芯片制程发展、系统不断小型化的演进历程。封装要解决的主要就是两个问题：1）对芯片起到支撑、保护，顺应设备小型化趋势，兼顾散热、绝缘，并降低成本；2）与外电路、光路互连，提高信息传输密度、传输速率。围绕这两个核心目的，封装技术不断发展，目前大致可分为四个阶段，每一代技术之间的本质区别，在于芯片和电路连接方式的不同：裸片贴装阶段，代表的连接方式是引线键合，即传统封装；倒片封装阶段，代表的连接方式是焊球或者凸点（Bumping）；晶圆级封装阶段，代表的连接方式是RDL再布线层技术；2.5D/3D封装阶段，代表的连接方式是TSV硅通孔技术、chiplet封装技术。先进封装是延续摩尔定律的重要手段，异构集成+高速互联塑造Chiplet里程碑。Chiplet技术背景下，可以将大型单片芯片划分为多个相同或者不同的小芯片，这些小芯片可以使用相同或者不同的工艺节点制造，再通过跨芯片互联和封装技术进行封装级别集成，降低成本的同时获得更高的集成度。其出现离不开两大趋势：1）计算机系统的异构、集成程度越来越高；2）芯片间的数据通路带宽、延迟问题得到了产业界的解决（先进封装）。TSV及2.5D封装技术赋予HBM卓越性能CoWoS封装是HBM的底层技术，台积电产能吃紧限制AI算卡放量。目前HBM芯片的封装由CoWoS技术完成，CoWoS=CoW（前道封装）+oS（后道封装），其中CoW=chiponwafer，是将芯片裸片通过硅通孔技术和硅中介层连接在一起的过程，oS=onsubstrate，是将堆叠好的芯片和硅中介层通过微粒和凸块线连接到基板，最后整合到电路板上的过程。CoWoS是一项复杂的制造工艺，目前台积电是主要的提供商，由于CoWoS容量很大程度上限制了AI算卡的数量，包括英伟达、AMD、亚马逊、博通等都在等台积电释放CoWoS产能。2023年6月，台积电宣布在竹南开设先进后端晶圆厂6，该晶圆厂占地14.3公顷足以容纳每年100万片晶圆的3DFabric产能，包括CoWoS、SoIC和InFO技术。TSV硅通孔技术是HBM核心工艺。2.5D/3D封装，最关键的技术就是硅通孔技术，简称TSV（ThroughSiliconVia）。TSV是实现三维立体堆叠和系统集成的基础，它通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直通孔，再通过铜、钨等导电物质填充，实现通孔的垂直电气连接。TSV的优势在于：1）高密度集成：减小封装的几何尺寸和重量，满足多功能和小型化的需求；2）提高电性能：缩短电互连长度，减小信号延迟，同时实现低功耗；3）多功能集成：可将不同功能芯片集成在一起实现元器件的多功能；4）降低制造成本：TSV目前工艺成本较高，但可以在元器件早年个体水平上降低制造成本。海力士MR-MUF技术是其HBM核心工艺MR-MUF（Massreflowbondingwithmoldedunderfill,批量回流模制底部填充）是海力士HBM核心技术。MR-MUF封装是将半导体芯片贴附在电路上并在堆叠芯片时使用LMC（EpoxyMoldingCompound,液态环氧树脂模塑料）填充芯片之间或芯片与凸块之间间隙的工艺。对比传统的TC-NCF（thethermocompressionbondingwithnon-conductivefilm，非导电膜的热压缩键接）工艺，MR-MUF能有效提高导热率，并改善工艺速度和良率。MR-MUF工艺的核心难点在于堆叠芯片过程中产生的热翘曲问题（LMC与硅片之间的热收缩差异导致），以及芯片中间部位的空隙难以填充。3.产业链材料端重点公司分析海力士、三星产业链内企业将受益HBM放量半导体前驱体业务：高增长预期不变。作为全球半导体前驱体主要供应商之一，长鑫、长存等国内客户持续上量，三星、美光、台积电等客户陆续突破，公司前驱体业务预计将回归高增长状态。同时随着国内晶圆厂资本开支回归，国内客户加速扩产，叠加海力士、三星等高性能存储芯片HBM的扩产增量，公司前驱体业务未来成长性足。光刻胶、特气、硅微粉业务：修复趋势呈现。随着终端消费电子逐步复苏，公司电子特气、硅微粉、面板光刻胶业务陆续恢复增长。宜兴光刻胶本土化工厂量产在即，后续京东方等大客户端的导入将加速面板光刻胶业务的发展。新产品方面，公司自主研发的OLED用低温RGB光刻胶、CMOS传感器用RGB光刻胶、先进封装RDL层用lLine光刻胶等产品正按计划在客户端测试，球形氧化铝、亚微米球形二氧化硅已向部分客户进行销售。LNG板材业务：业绩增长确定性强。2022年以来陆续与沪东中华、江南造船、大连造船等船舶制造企业签订销售合同，在手订单充足，业绩确定性强。同时公司陆续突破上游RSB、FSB等材料，盈利能力持续增强。先进封装相关材料企业：环氧塑封料华海诚科：在传统封装领域，公司应用于DIP、TO、SOT、SOP等封装形式的产品已具备品质稳定、性能优良、性价比高等优势，且应用于SOT、SOP领域的高性能类环氧塑封料的产品性能已达到了外资厂商相当水平，并在长电科技、华天科技等部分主流厂商逐步实现了对外资厂商产品的替代，市场份额持续增长；在先进封装领域，公司研发了应用于QFN、BGA、FC、SiP以及FOWLP/FOPLP等封装形式的封装材料，其中应用于QFN的产品已实现小批量生产与销售，颗粒状环氧塑封料（GMC）以及FC底填胶等应用于先进封装的材料已通过客户验证，液态塑封材料（LMC）正在客户验证过程中，上述应用于先进封装的产品有望逐步实现产业化并打破外资厂商的垄断地位。飞凯材料：EMC环氧塑封料是公司主营产品之一，主要应用于半导体封装以及分立器件中。公司MUF材料产品包括液体封装材料LMC及颗粒封装料GMC，目前液体封装材料LMC已经量产并形成少量销售，颗粒填充封装料GMC尚处于研发送样阶段。先进封装相关材料企业：电子树脂AI推动高性能服务器需求，行业对覆铜板介电性要求不断提高，高频高速板成为主要发展趋势。高频覆铜板工作频率通常处于5