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陷入芯“銅”危機

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陷入芯“銅”危機

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陷入芯“銅”危機


到2035年 ， 約32%的全球半導體生產可能因氣候變化相關的銅供應中斷而受影響 ， 這一比例將是當前水平的四倍 。
全球最大的銅生產國智利已在應對水資源短缺問題 ， 而這正導致銅產量放緩 。 到2035年 ， 為芯片產業供應銅的17個國家中 ， 大多數都將面臨干旱風險 。
回收率太低 ， 芯片廠急 ， 難過“銅”關 。
01銅 ， 很難被替代在半導體領域中 ， 銅主要被用于制造互連線路 。 在傳統的互連制造中 ， 銅通常被用作通過化學氣相淀積（CVD）或物理氣相沉積（PVD）技術沉積在金屬膜上 。 在這個過程中 ， 銅可以自發形成平坦的表面 ， 并提供更高的電導率和中性極度的應變 。
相較于傳統的鋁導線 ， 銅線的優勢在于更高的導電性、低電阻、低絲狀息和可接受的失配效應 。 在超大規模集成電路（VLSI）和超高質量（UHQ）應用中 ， 銅導線的優勢尤為明顯 。 銅的應用并不僅限于此 。 在半導體領域 ， 銅還被用于處理器、高密度存儲的制造過程中 ， 如制造半導體材料的氧化物 。
其次 ， 銅也可用于制造半導體封裝材料 。 具體來說 ， 銅材料可以作為封裝材料的一部分 ， 起到優化器的作用 ， 減少能量的損失 ， 讓封裝效果更好 。 此外 ， 銅也被廣泛應用于半導體器件中的金屬化電容器 。 銅電容器有著極佳的電容和損耗特性 ， 因此被視為下一代存儲器、計算機和通信技術中的重要組件 。
【陷入芯“銅”危機】
智利作為全球最大銅生產國已經在應對影響生產的缺水問題 。 普華永道報告指出 ， 到2035年 ， 為芯片行業供應銅材的17個國家中的大多數都將面臨干旱風險；如果材料創新無法適應氣候變化 ， 且受影響國家無法開發更安全的水源供應 ， 風險將會隨時間推移而加劇 。 據預測 ， 銅供應中斷的風險或將波及全球所有主要芯片制造地區 。 而半導體是銅重要的應用領域 ， 是制造每顆芯片電路中數十億根微型導線的關鍵材料 。 盡管業界正在研究替代材料 ， 但目前尚無其他材料能在價格和性能方面與銅匹敵 。
02大廠重視“銅”
2024年 ， 英偉達宣布將人工智能數據中心的短距離數據傳輸從光纖轉向銅纜 ， 這標志著未來銅需求的大幅增長 。 此外 ， 這一趨勢還預計將提振相關的“銅股” 。 英偉達GTC大會引爆的不僅僅是AI芯片市場 ， 芯片上采用的銅纜產品也受到熱議 。 據黃仁勛介紹 ， GB200采用72個Blackwell GPU全互連的NVLink技術 ， 擁有超過2英里的NVLink銅纜 ， 展現了銅纜連接在高性能計算領域的巨大潛力 。
據悉 ， 英偉達此舉是為了減少其數據中心設備的耗電量 ， 如此大規模的使用銅也確實超出不少業內人士的預期 。 該公司指出 ， 使用銅而不是光學器件 ， 可以為每個服務器機架節省20千瓦的電力 。
英偉達從光學轉向銅是一個主要討論話題 。 使用更多銅的一個關鍵因素是液體冷卻 ， 它允許將更多的GPU（圖形處理單元）裝入單個機架 。
GB200 NVL72 銅互連技術新增用銅需求 。 GB200 產品系列涵蓋了多樣化的產品形態 ， 其中 NVL72 為重點推介產品 ， 成功應用了先進的銅纜連接方案 。GB200 計算托盤基于新的 NVIDIA MGX 設計 ， 包含 2 個 Grace CPU 和 4 個 Blackwell GPU ，具有用于液體冷卻的冷板和連接 ， 支持高速網絡的 PCIe gen 6 ， 以及用于 NVLink 電纜盒 的 NVLink 連接器 。 GB200 NVL72 在一個機架中配置了 72 個 GPU 和 18 個雙 GB200 計算節 點或在兩個機架中配置 72 個 GPU 和 18 個單 GB200 計算節點 ， 使用銅纜盒密集封裝和互 連 GPU 。銅連接技術的顯著優勢主要在于其高效散熱性能、成本效益以及低能耗特點 ， 單臺服務器 采用銅互連方案后的價值量也會更為突出 。 單臺 GB200 NVL72 架構中利用 5000 根 NVLink 銅纜進行交換機和 GPU 之間的連接 ， 單臺服務器中銅纜總長度接近 2 英里 。2024-2025 年 ， GB200 NVL72 的出貨量預計分別達到 3000 臺和 50000 臺 ， 銅互連解決方 案的市場空間將逐年攀升 。
GB200 NVL72 大幅強化新一代人工智能加速運算 。 英偉達數據顯示 ， GB200 NVL72 相對于 H100 實現 25 倍能效提升 ， 相對于 CPU 實現 18 倍數據處理 ， 相對于 H100 Tensor Core GPU 實現 30 倍大型語言模型推論 ， 相對于 H100 實現 4 倍大型語言模型訓練 ， 大幅提升新一代 人工智能及加速運算能力 。
03銅在芯片中的作用根據國際能源署（IEA）的基本預測 ， 到2026年 ， 全球數據中心電力需求將以15%的復合年增長率增長 。 摩根大通估計 ， 到2030年 ， 這一增長速度將需要累計新增約260萬噸銅需求 。 該行說 ， 這也將轉化為2030年全球銅預期需求的2%左右 。 未來十年 ， 人工智能計算能力的指數級增長……將需要全球電力容量的非凡增長 。
銅的新需求出現之際 ， 預計到2030年銅的供應缺口將達到400萬噸 。 報告稱 ， 純電動汽車和可再生能源的增長 ， 加上新銅礦供應有限 ， 是他們預測出現銅短缺的原因 。
銅互連
銅互連工藝是一種在集成電路制造中用于連接不同層電路的金屬互連技術 ， 其核心在于通過“大馬士革”（Damascene）工藝實現銅的嵌入式填充 。 該工藝的基本原理是：在絕緣層上先蝕刻出溝槽或通孔 ， 然后在溝槽或通孔中沉積銅 ， 并通過化學機械拋光（CMP）去除多余的銅 ， 從而形成嵌入式的金屬線 。
與鋁互連相比 ， 銅互連具有更低的電阻率和更好的抗電遷移性能 ， 因此成為現代集成電路制造中的主流互連材料 。 然而 ， 由于銅的刻蝕難度較大 ， 傳統的干法或濕法刻蝕技術難以滿足納米級工藝的要求 ， 因此發展了雙嵌入式（Dual Damascene）工藝 ， 即在一次光刻和蝕刻過程中同時形成溝槽和通孔 ， 從而提高工藝效率和良率 。
銅在芯片中的核心作用：
1. 全局互連的“電流大動脈”
高層厚銅線（M8-M10層）：厚度1-3 μm ， 傳輸時鐘/電源信號（電流>10 mA）；1100℃退火后晶粒>1 μm 。
2. 局部互連的“納米導線”
低層銅線（M1-M3層）：線寬10-20 nm ， 連接相鄰晶體管；鈷包裹銅技術抑制電遷移 。
3. 三維堆疊的“垂直電梯”
硅通孔（TSV）：直徑5 μm深100 μm的銅柱連接上下芯片；熱膨脹匹配設計 ， 避免應力開裂 。
04銅的危機傳導鏈全球精煉銅消費量增長 ， 新能源產業持續引領全球銅消費 。 2024 年 ， 全球精煉銅消費量為 2733.2 萬噸 ， 同比增長 2.92% 。 我國精煉銅實際需求增長了約 3.5% ， 全球除中國外的使用量增長了約 2.2%：歐盟、日本和美國的需求疲軟被亞洲和中東及北非國家的增長所彌補 。
從終端應用領域來看 ， 新能源產業（涵蓋風電、光伏發電、儲能系統及新能源汽車）持續引領全球銅消費增長 ， 已攀升至全球總需求的 15% ， 成為驅動銅市發展的核心力量 。
確實新能源汽車的制造離不開銅這一關鍵材料 。 從混合電動汽車（HEV）到插電式混合電動汽車（PHEV） ， 再到純電動汽車（BEV） ， 每一款車型的銅用量都在不斷增加 。 據行業估算 ， HEV的銅用量約為40公斤至60公斤 ， PHEV約為60公斤 ， 而BEV的銅用量更是高達80公斤至83公斤 。 大型車輛如純電動大巴的銅用量更是高達224至369公斤 。
以比亞迪“海鷗”為例 ， 假設每輛車的銅用量為80公斤（取該區間的下限值） ， 那么35370輛“海鷗”所需的銅的總量就高達2829.6噸 。 這一數字令人震驚 ， 也凸顯了新能源汽車對銅市場的巨大影響 。
另外 ， 人工智能計算迅速崛起 ， 拉動銅需求快速提升 。
生成式AI、大算力引領計算領域新發展 。 隨著 ChatGPT 等生成式 AI 技術和元宇宙等前沿 業態的強勁推動 ， 全球人工智能的應用不斷拓展 。 中國電信預測 ， 2022 至 2027 的五年間 ，全球 AI 市場規模將以 58%的復合增長率增長至約 4000 億美元 。大模型訓練與推理等新型需求的涌現也對算力提出了更海量的要求 ， IDC 數據顯示 ， 至 2027 年 ， 我國算力市場規模預計將達到 1234.7 EFLOPS ， 其中智能算力占比高達 90%以上 。 低功耗技術趨勢或將對銅需求增長構成挑戰 。 在\"雙碳\"目標驅動下 ， 降低AI算力芯片的能耗已成為集成電路行業的重要發展方向 。 這一趨勢已顯現實際成效：2022年 ， 以太坊通過算法革新將其挖礦機制轉型為權益證明(PoS) ， 成功實現99%的電力消耗降低 。 值得注意的是 ， 銅在數據中心配電系統中的用量占比高達75% ， 若AI能效技術持續突破 ， 可能導致銅在算力基礎設施中的需求增長面臨變數 。
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