Samsung HBM พลิกกลับมาเหนือกว่าได้จริงหรือ?

การแข่งขัน HBM รุ่นถัดไปกำลังขยายจากประสิทธิภาพของชิป DRAM ไปสู่กระบวนการบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง

ตามรายงานของ Damnang เมื่อวันที่ 7 ตุลาคม จากการสัมภาษณ์เจ้าหน้าที่เทคนิคที่เกี่ยวข้อง SK Hynix กำลังประสบปัญหาในการพัฒนาเทคโนโลยี Hybrid Bonding สำหรับ HBM รุ่นถัดไป ขณะที่ Samsung Electronics มีรายงานว่าได้เริ่มส่งมอบตัวอย่างที่ใช้เทคโนโลยีดังกล่าวให้แก่ลูกค้าแล้ว หากข้อมูลนี้ได้รับการยืนยันเพิ่มเติม Samsung อาจได้เปรียบในการตรวจสอบเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงสำหรับ HBM รุ่นถัดไป

อย่างไรก็ตาม ข้อมูลนี้ไม่ได้มาจากประกาศอย่างเป็นทางการของทั้งสองบริษัท แต่มาจากการสัมภาษณ์เจ้าหน้าที่เทคนิคและรายงานมือสองที่เกี่ยวข้อง รายงานไม่ได้ระบุชัดเจนว่าเป็น HBM รุ่นใด จำนวนชั้นที่ซ้อน และข้อมูลลูกค้า จึงยังไม่เพียงพอที่จะตัดสินช่องว่างด้านการวิจัยและพัฒนาที่แท้จริงของทั้งสองฝ่าย และไม่สามารถสรุปได้ว่า Samsung เป็นผู้นำอย่างเต็มตัวในการแข่งขัน HBM รุ่นถัดไป

ที่สำคัญกว่านั้น ความคืบหน้าของ SK Hynix ในเทคโนโลยี Hybrid Bonding ไม่ได้เท่ากับความคืบหน้าในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ HBM รุ่นถัดไป

เมื่อวันที่ 18 มิถุนายน SK Hynix ประกาศว่าได้ส่งมอบตัวอย่าง HBM4E แบบ 12 ชั้น ความจุ 48GB ให้แก่ลูกค้ารายสำคัญ โดยใช้เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ Advanced MR-MUF ที่มีอยู่ บริษัทระบุว่าเมื่อเทียบกับ HBM4 ผลิตภัณฑ์นี้มีความต้านทานความร้อนดีขึ้น 17%

นั่นหมายความว่าแม้การพัฒนา Hybrid Bonding จะเผชิญความยากลำบาก SK Hynix ก็ยังคงเดินหน้าผลิตภัณฑ์ HBM รุ่นถัดไปด้วยแนวทางบรรจุภัณฑ์เดิม คำถามที่น่าจับตามองอย่างแท้จริงคือ เมื่อ HBM พัฒนาไปสู่จำนวนชั้นที่สูงขึ้น กระบวนการบรรจุภัณฑ์แบบดั้งเดิมจะยังตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพ การระบายความร้อน และความสูงของบรรจุภัณฑ์ได้มากน้อยเพียงใด และ Hybrid Bonding ต้องก้าวข้ามอุปสรรคด้านการผลิตใดบ้างเพื่อให้สามารถผลิตในเชิงพาณิชย์ได้

เหตุใด Hybrid Bonding จึงเป็นทิศทางสำคัญของ HBM รุ่นถัดไป?

HBM ให้หน่วยความจำแบนด์วิดท์สูงแก่ GPU และตัวเร่งความเร็ว AI ด้วยการซ้อนชิป DRAM หลายตัวในแนวตั้ง เมื่อขนาดของโมเดล AI ขยายตัวอย่างต่อเนื่อง HBM ไม่เพียงต้องเพิ่มความจุและแบนด์วิดท์เท่านั้น แต่ยังต้องควบคุมการใช้พลังงานและความร้อนภายในพื้นที่บรรจุภัณฑ์ที่จำกัด

ปัจจุบัน การซ้อน HBM แบบดั้งเดิมมักใช้ Micro Bump เชื่อมต่อชิปชั้นบนและล่าง และใช้กระบวนการเติมและวัสดุป้องกันที่เกี่ยวข้องจัดการช่องว่างระหว่างชิป Advanced MR-MUF ของ SK Hynix เป็นตัวแทนของแนวทางเทคโนโลยีนี้ โดยปรับปรุงการเชื่อมต่อ Micro Bump และกระบวนการเติมและบ่มวัสดุป้องกันชนิดเหลว เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพการระบายความร้อนของโครงสร้างที่ซ้อนกัน

Hybrid Bonding พยายามลดการพึ่งพา Micro Bump ลงอีก เทคโนโลยีนี้เชื่อมต่อโครงสร้างทองแดงระหว่างผิวชิปบนและล่างโดยตรง พร้อมทั้งทำให้ชั้นไดอิเล็กตริกโดยรอบยึดติดกัน ซึ่งช่วยลดพื้นที่ที่โครงสร้างเชื่อมต่อแบบเดิมใช้

ข้อได้เปรียบคือระยะห่างระหว่างการเชื่อมต่อที่เล็กลงและระยะทางไฟฟ้าที่สั้นลง มีแนวโน้มเพิ่มความหนาแน่นของการเชื่อมต่อ ลดการสูญเสียสัญญาณ และสร้างเงื่อนไขสำหรับการซ้อน DRAM ที่หนาแน่นขึ้น การลดวัสดุตัวกลางบางส่วนในอินเทอร์เฟซการเชื่อมยังอาจช่วยปรับปรุงการนำความร้อน

เมื่อ HBM พัฒนาจาก 12 ชั้นไปสู่ 16 ชั้นหรือมากกว่านั้น ข้อจำกัดด้านพื้นที่ระหว่างชิปและแรงกดดันด้านการระบายความร้อนจะเด่นชัดขึ้น มูลค่าที่เป็นไปได้ของ Hybrid Bonding ก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย

Samsung ได้นำเสนอเทคโนโลยี Hybrid Copper Bonding (HCB) ในงานที่เกี่ยวข้องกับ GTC เมื่อวันที่ 17 มีนาคม โดยวางตำแหน่งให้เป็นโซลูชันทางเทคนิคที่รองรับ HBM รุ่นถัดไปแบบ 16 ชั้นขึ้นไป Samsung ระบุว่าเมื่อเทียบกับ Thermo-Compression Bonding (TCB) แบบดั้งเดิม HCB มีแนวโน้มลดความต้านทานความร้อนได้มากกว่า 20%

ทิศทางเทคโนโลยีนี้สอดคล้องกับรายงานความคืบหน้าของตัวอย่างในข่าวดังกล่าว แต่การสาธิตเทคโนโลยีไม่ได้หมายความว่าผลิตภัณฑ์ได้เข้าสู่การผลิตจำนวนมากแล้ว ตัวเลขการปรับปรุงความต้านทานความร้อนที่ Samsung ประกาศก็ไม่สามารถนำไปจัดอันดับโดยตรงกับข้อมูลของ SK Hynix ที่ HBM4E ดีขึ้น 17% เมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้าได้ เนื่องจากแบบแรกเปรียบเทียบวิธีการเชื่อม ขณะที่แบบหลังเปรียบเทียบผลิตภัณฑ์ต่างรุ่น เกณฑ์การเปรียบเทียบของทั้งสองไม่เหมือนกัน

ความยากที่แท้จริงคือการทำให้กระบวนการเชื่อมมีความเสถียรและทำซ้ำได้

ความยากในการผลิต Hybrid Bonding ไม่ได้อยู่แค่การจัดตำแหน่งชิปสองตัวให้แม่นยำและประกบกันเท่านั้น

ตามการอธิบายกระบวนการของ Applied Materials การขัดด้วยสารเคมีเชิงกล (CMP) เป็นหนึ่งในขั้นตอนสำคัญ ผู้ผลิตต้องควบคุมความสัมพันธ์ของความสูงระหว่างแผ่นทองแดงและชั้นไดอิเล็กตริกโดยรอบอย่างแม่นยำ เพื่อให้พื้นผิวการเชื่อมมีความเรียบระดับนาโนเมตร

หากพื้นผิวทองแดงยุบตัวลึกเกินไป โครงสร้างทองแดงด้านบนและล่างอาจสัมผัสกันไม่เพียงพอ หากพื้นผิวทองแดงนูนเกินไป อาจรบกวนการยึดติดของชั้นไดอิเล็กตริกและเพิ่มความเสี่ยงต่อข้อบกพร่องที่อินเทอร์เฟซ ดังนั้น ความเรียบของพื้นผิวการเชื่อม ความสูงของแผ่นทองแดง และความสม่ำเสมอทั่วทั้งพื้นที่ จึงต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด

ในขณะเดียวกัน อนุภาคที่เกิดขึ้นระหว่างการขัดและการตัดชิป การปนเปื้อนบนพื้นผิว และการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติพื้นผิวหลังการกระตุ้นเมื่อเวลาผ่านไป ล้วนส่งผลต่อคุณภาพการเชื่อมได้ ผู้ผลิตจึงต้องบริหารจัดการการทำความสะอาด การปรับสภาพพื้นผิว ความสะอาดของสภาพแวดล้อม และกรอบเวลาในการเชื่อมอย่างสอดประสานกัน

กล่าวอีกนัยหนึ่ง Hybrid Bonding ไม่ใช่ปัญหาที่แก้ได้ด้วยการซื้ออุปกรณ์เชื่อมความแม่นยำสูงเพียงเครื่องเดียว ขั้นตอนการขัด การทำความสะอาด การตรวจสอบ การจัดตำแหน่งชิป และการเชื่อม ต้องประกอบกันเป็นห่วงโซ่กระบวนการที่เสถียร จึงจะเปลี่ยนความสำเร็จในห้องปฏิบัติการให้เป็นผลลัพธ์การผลิตจำนวนมากที่ทำซ้ำได้

ลักษณะโครงสร้างของ HBM เองก็เพิ่มความยากขึ้นไปอีก

เพื่อควบคุมความสูงของบรรจุภัณฑ์ในขณะที่เพิ่มจำนวนชั้นซ้อน ชิป DRAM ต้องถูกทำให้บางลงเรื่อย ๆ แต่ยิ่งชิปบางลง ก็ยิ่งไวต่อความเค้นเชิงกลและมีแนวโน้มบิดงอ ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงต่อความคลาดเคลื่อนของตำแหน่งและข้อบกพร่องในการเชื่อม เมื่อจำนวนชั้นซ้อนเพิ่มขึ้น อินเทอร์เฟซการเชื่อมหลายจุดก็หมายถึงจุดที่อาจล้มเหลวมากขึ้น

อย่างไรก็ตาม ขณะนี้ยังไม่มีข้อมูลที่น่าเชื่อถือว่า SK Hynix ประสบปัญหาในขั้นตอนใดโดยเฉพาะ CMP การปนเปื้อนบนพื้นผิว และการบิดงอของชิป เป็นความท้าทายด้านการผลิตทั่วไปของ Hybrid Bonding ไม่สามารถสรุปได้โดยตรงว่าเป็นสาเหตุที่ทำให้การพัฒนาครั้งนี้หยุดชะงัก

จากการตรวจสอบเทคโนโลยีสู่การผลิตจำนวนมาก ยังมีด่านอัตราผลผลิต

การนำ Hybrid Bonding ไปใช้ในอุตสาหกรรมยังขึ้นอยู่กับวิธีการเชื่อมชิปที่เฉพาะเจาะจง

imec เคยสาธิตเทคโนโลยี Wafer-to-Wafer Bonding ซึ่งเป็นการจัดตำแหน่งและประกบเวเฟอร์สองแผ่นเข้าด้วยกันทั้งแผ่น วิธีนี้สามารถประมวลผลชิปจำนวนมากได้ในครั้งเดียว แต่หากชิปที่มีข้อบกพร่องถูกเชื่อมไปด้วย ก็อาจส่งผลต่ออัตราผลผลิตโดยรวม

อีกวิธีหนึ่งคือ Die-to-Wafer Bonding ซึ่งคัดเลือกชิปที่ผ่านการตรวจสอบก่อน แล้วจึงวางลงบนเวเฟอร์เป้าหมายทีละตัวเพื่อทำการเชื่อม ข้อได้เปรียบคือสามารถใช้ชิปดีที่ผ่านการทดสอบก่อนได้ แต่การหยิบ จัดตำแหน่ง และเชื่อมทีละตัวก็สร้างความท้าทายด้านประสิทธิภาพการผลิตเช่นกัน

บทวิเคราะห์ที่เกี่ยวข้องของศาสตราจารย์ Seunghwan Joo จากมหาวิทยาลัยอินฮา ซึ่งเผยแพร่ในศูนย์ข่าวของ SK Hynix ระบุว่า Die-to-Wafer Bonding กำลังพัฒนาไปสู่การใช้งานเชิงพาณิชย์สำหรับ HBM นี่แสดงให้เห็นว่าความแม่นยำในการเชื่อมที่พิสูจน์ได้ในระดับเวเฟอร์ ไม่ใช่เรื่องเดียวกับอัตราผลผลิตและประสิทธิภาพการผลิตที่การซ้อน HBM หลายชั้นต้องการ

ผู้ผลิตอุปกรณ์ก็กำลังปรับปรุงห่วงโซ่กระบวนการเพื่อรับมือกับความยากด้านการผลิตนี้เช่นกัน

เมื่อวันที่ 1 ตุลาคม Applied Materials และ Besi ประกาศขยายความร่วมมือในด้านบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง ทั้งสองจะผสานเทคโนโลยีกระบวนการของ Applied Materials ในด้านการขัด การทำความสะอาด และการตรวจวัด เข้ากับเทคโนโลยีการวางและเชื่อมชิปของ Besi หนึ่งในผลลัพธ์คือระบบ Die-to-Wafer Hybrid Bonding แบบบูรณาการ Kinex

ความร่วมมือนี้สะท้อนว่าการแข่งขัน Hybrid Bonding กำลังขยายจากความแม่นยำของอุปกรณ์เดี่ยว ไปสู่ความสามารถในการบูรณาการกระบวนการก่อนและหลังการเชื่อม อย่างไรก็ตาม ข้อมูลที่มีอยู่ไม่ได้ระบุว่า Samsung หรือ SK Hynix ได้นำระบบนี้ไปใช้แล้ว

สำหรับผู้ผลิต HBM ความท้าทายที่แท้จริงคือการทำให้อินเทอร์เฟซการเชื่อมทุกจุดมีเสถียรภาพ และยังคงตอบสนองข้อกำหนดความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์หลังการซ้อนหลายชั้น พร้อมทั้งควบคุมประสิทธิภาพการผลิตและต้นทุนการผลิตให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้ การที่ตัวอย่างเชื่อมได้สำเร็จเป็นเพียงก้าวแรกเท่านั้น

ความได้เปรียบด้านตัวอย่างของ Samsung จะแปลงเป็นความสามารถในการแข่งขันด้านการผลิตจำนวนมากได้หรือไม่?

หากข้อมูลในรายงานนี้เป็นความจริง Samsung ได้ส่งมอบตัวอย่าง HBM แบบ Hybrid Bonding ให้แก่ลูกค้าแล้ว ข้อได้เปรียบประการแรกย่อมอยู่ที่กระบวนการวิจัยและพัฒนาและการตรวจสอบกับลูกค้า การเข้าสู่การทดสอบกับลูกค้าเร็วขึ้นช่วยให้ค้นพบปัญหาด้านความน่าเชื่อถือของการเชื่อม การระบายความร้อน และการบูรณาการระบบได้ล่วงหน้า สั่งสมประสบการณ์สำหรับการพัฒนาผลิตภัณฑ์ในภายหลัง

แต่การส่งมอบตัวอย่างยังห่างไกลจากการผลิตจำนวนมาก ความคืบหน้าในการรับรองจากลูกค้า อัตราผลผลิตการผลิตจำนวนมาก ต้นทุนการผลิต และขนาดที่สามารถจัดส่งได้ ต่างหากที่เป็นตัวชี้วัดสำคัญในการตัดสินว่าข้อได้เปรียบทางเทคนิคจะแปลงเป็นความสามารถในการแข่งขันเชิงพาณิชย์ได้หรือไม่

ในขณะเดียวกัน SK Hynix ได้เดินหน้าส่งมอบตัวอย่าง HBM4E ผ่าน Advanced MR-MUF ซึ่งแสดงให้เห็นว่าแนวทางบรรจุภัณฑ์แบบดั้งเดิมยังคงมีบทบาท Hybrid Bonding แบบใหม่ไม่ได้หมายความว่ากระบวนการเดิมจะออกจากตลาดทันที ทั้งสองแนวทางสามารถพัฒนาไปพร้อมกันได้ การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับความต้องการด้านประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ ความสามารถในการผลิต และความคุ้มค่าในการผลิตจำนวนมาก

ดังนั้น ในขณะนี้ยังไม่สามารถสรุปจากรายงานสัมภาษณ์เพียงชิ้นเดียวได้ว่า Samsung เป็นผู้นำอย่างเต็มตัว และไม่สามารถถือว่าความยากลำบากของ SK Hynix ใน Hybrid Bonding เท่ากับการหยุดชะงักของการพัฒนาผลิตภัณฑ์ HBM

ในระยะต่อไป สิ่งที่น่าจับตามองมากกว่าคือทั้งสองฝ่ายจะนำ Hybrid Bonding มาใช้กับ HBM รุ่นใด จำนวนชั้นเท่าใด และจะมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในด้านการรับรองจากลูกค้า กำหนดการผลิตจำนวนมาก และอัตราผลผลิตหรือไม่

การแข่งขัน HBM กำลังเปลี่ยนจากการเพิ่มจำนวนชั้นซ้อนเพียงอย่างเดียว ไปสู่การแข่งขันเชิงระบบในด้านการออกแบบหน่วยความจำ กระบวนการเชื่อม การจัดการความร้อน และบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง Hybrid Bonding มีแนวโน้มปลดปล่อยศักยภาพของการซ้อนความหนาแน่นสูงได้มากขึ้น แต่สิ่งที่กำหนดมูลค่าทางอุตสาหกรรมในท้ายที่สุด ไม่ใช่ความสามารถในการผลิตตัวอย่างได้สำเร็จหนึ่งชุด แต่เป็นความสามารถในการแปลงข้อได้เปรียบทางเทคนิคให้เป็นความสามารถในการส่งมอบอย่างต่อเนื่อง ด้วยอัตราผลผลิตที่เสถียร ต้นทุนที่สมเหตุสมผล และกำลังการผลิตที่เพียงพอ

บทสรุป

เบื้องหลังข่าวนี้ยังซ่อนข้อมูลอีกระดับหนึ่ง นั่นคือส่วนแบ่งตลาด HBM ของ Samsung เพิ่มขึ้นอย่างมาก

ก่อนอื่น เราต้องยอมรับว่าในปริมาณการจัดส่ง HBM ที่ปัจจุบันซึ่งมี HBM3E และ HBM4 เป็นหลักนั้น SK Hynix เป็นผู้ผลิตชั้นนำด้วยส่วนแบ่งตลาด 50% แต่เราก็เห็นว่าส่วนแบ่งตลาดของ SK Hynix ลดลงเล็กน้อย ก่อนหน้านี้บริษัทเคยครองสัดส่วนสูงถึง 64% ของการใช้จ่ายหน่วยความจำ HBM ทั่วโลก

อย่างไรก็ตาม ตามข้อมูลของ Counterpoint Research ส่วนแบ่งตลาด HBM ของ Samsung เพิ่มขึ้นจาก 21% ในไตรมาสแรกเป็น 33% ในไตรมาสที่สอง ซึ่งดึงส่วนแบ่งของ SK Hynix ลงมาอยู่ที่ 30% คาดว่าเมื่อการจัดส่ง HBM4 เพิ่มขึ้นในช่วงครึ่งหลังของปี ส่วนแบ่งนี้จะขยายตัวต่อไปอีก ตลาดคาดการณ์ว่าภายในปี 2027 ราคาผลิตภัณฑ์ HBM ของ Samsung จะเพิ่มขึ้นมากกว่าสองเท่าจากปีนี้ และราคาสัญญาผลิตภัณฑ์ของบริษัทจะสูงที่สุดในบรรดาผู้ผลิตหน่วยความจำรายใหญ่สามรายซึ่งรวมถึง SK Hynix และ Micron ข้อมูลจาก KB Securities ระบุว่าภายในปี 2027 สัดส่วนของผลิตภัณฑ์ HBM4 ในยอดขาย HBM ของ Samsung คาดว่าจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าจาก 40% ในปีนี้เป็น 80%

จากนี้จะเห็นได้ว่า Samsung ดูเหมือนจะพลิกกลับมาชนะอย่างสวยงามในวงการ HBM