主要成果
今日の主要なAIアクセラレータにおいて、生産能力の制約はもはやウェハー製造能力だけではありません。CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）先端パッケージングと、ABF（Ajinomoto Build-up Film）基板の認定サイクルもまた、AIチップの生産量に大きな制約を課し、時にはフロントエンドのファブ容量よりも直接的な上限を設定しています。過去には2021年から2022年にかけてABF基板が供給不足に陥り、供給が需要を約20%下回る状況が続きました。2023年には新たな生産能力が稼働し始め、不足は緩和されると予想されていましたが、現在のAI需要の急増により、再びABF基板はCPU、GPU、およびネットワークシリコンの生産を制限する、過小評価されがちなボトルネックとなっています。TSMCはCoWoS供給の重要性を認識しており、AI関連の設備投資の加速が、製造業の電子機器および精密工学クラスターの成長を後押しすると考えられています。
技術・臨床詳細
CoWoSは、複数のチップレット（例えばGPUとHBM）をシリコンインターポーザー上に統合し、これをさらにABF基板上にパッケージングする高度な2.5Dパッケージング技術です。これにより、チップ間の配線距離を短縮し、データ転送速度を劇的に向上させ、電力効率を高めることができます。しかし、CoWoSの製造プロセスは複雑で、特にウェハー積層、精密なボンディング、そして最終的な基板への接続には高度な技術と時間がかかるとともに、専用の装置とクリーンルームインフラに多額の費用が必要となります。例えば、CoWoSラインの月産10,000ウェハーの拡張には、15億〜20億ドルの設備投資が必要になる場合があります。ABF基板は、このCoWoSパッケージの「土台」となる材料であり、その供給は高性能パッケージングの鍵を握ります。ABF基板の供給不足は、ダイの生産が十分であったとしても、パッケージング工程でボトルネックを引き起こし、最終的なAIチップの出荷量を制限することになります。
背景・業界文脈
AIチップ市場の爆発的な成長は、半導体サプライチェーン全体に広範な影響を及ぼしています。TSMCのようなファウンドリリーダーは、AIアクセラレータの需要急増に対応するため、CoWoSなどの先端パッケージング能力を積極的に増強していますが、そのペースが需要に追いつかない状況です。このような状況は、かつてメモリとABFが半導体における最も深刻な2つの不足であると指摘されたことと符合します。AI駆動型需要は、CoWoSやHBM（高帯域幅メモリ）だけでなく、ABF基板を含む広範な後工程材料や装置にも波及しており、サプライチェーン全体での連携と投資が不可欠となっています。このボトルネックは、AIチップ市場の潜在的な年間2650億ドル規模の成長機会を考えると、業界にとって極めて重要な課題です。
今後の展望
CoWoSおよびABF基板のボトルネックは、短期的にAIチップの供給を制約し、価格に影響を与える可能性があります。これに対応するため、TSMCをはじめとする業界各社は、先端パッケージング能力の増強に巨額の投資を続けています。中長期的には、新たなCoWoSファブの稼働やABF基板メーカーの生産能力拡大によって供給状況は改善される見込みですが、AI技術の進化とアプリケーションの拡大が、新たな需要を生み出し続けるため、需給バランスは依然としてタイトな状況が続く可能性が高いです。また、この状況は、サプライチェーンのレジリエンスを強化し、単一ベンダー依存のリスクを低減するための戦略的な取り組みを加速させる契機となるでしょう。特に、ガラス基板のような新しい材料への移行も、このボトルネックを解消するための一つの方向性として注目されています。
元記事: https://www.silicontosoftware.com/tsmc-arizona-bottleneck/
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