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產業技術評析

AI伺服器崛起 賦能臺灣PCB技術躍升
發表日期:2024-01-24
作者:張淵菘(工研院)
摘要:
生成式人工智慧(Generative AI or GenAI or GAI) 正在成為全球科技領域的領導者。GAI這一系統能夠根據給定提示,生成圖、文、影、音等多媒體內容,在2022年11月ChatGPT推出後更是引起廣泛關注,開啟了全球AI產業進入大規模商業化的新階段。

全文:

一、AI新時代,推動AI 伺服器強勁需求

生成式人工智慧(Generative AI or GenAI or GAI) 正在成為全球科技領域的領導者。GAI這一系統能夠根據給定提示,生成圖、文、影、音等多媒體內容,在2022年11月ChatGPT推出後更是引起廣泛關注,開啟了全球AI產業進入大規模商業化的新階段。正如NVIDIA執行長黃仁勳所形容,AI產業已然進入了一個類似於iPhone的世代。

隨著科技龍頭逐步穩固市場地位,數十個AI網站和AI聊天機器人相繼上線,AI工具的應用普及率前所未有。儘管這項技術面臨諸多待解的問題,但AI所蘊藏的經濟潛力引起了廣泛的關切。據彭博智能(Bloomberg Intelligence)估算,截至2022年,AI市值已達到400億美元,並預測到2032年,全球市場將增長至1.3兆美元。

不論在垂直應用、軟體平台、伺服器或晶片等領域,皆可看到GAI展現強大影響力,特別是對AI伺服器的需求正在迅速增長。過去,伺服器一直被視為企業設備投資中的穩定項目,相對於消費性產品更具可預測性。然而,近期數個季度的不景氣,使企業對資本支出採取謹慎態度,進而影響了對伺服器的需求。據預估,2023年全球伺服器出貨量將衰退13.1%,降至1,238萬台,不過隨著庫存去化改善、經濟逐步回溫,2024年有望看到恢復成長,預估出貨達1,320萬台,成長6.6%。

相較傳統伺服器市場的下滑,在AI科技風潮的強勁需求下,雲端服務業者紛紛集中資源來擴大其AI伺服器業務。根據TrendForce的預估,未來AI伺服器市場將以每年22%的年複合成長率快速擴展。2023年全球AI伺服器的出貨量預估可達到120萬台,較去年增長40.7%,而2024年可望延續熱潮,成長33.0%,出貨達160萬台。儘管AI伺服器在整體伺服器市場中的佔比相對較小,低於10%,但其平均售價(ASP)是一般伺服器的近十倍,這使得AI伺服器對伺服器產值增長已具重要影響性。
 

圖1 全球伺服器出貨量趨勢

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2024/01)
圖1 全球伺服器出貨量趨勢
 

二、臺灣伺服器PCB市場發展概況

在全球消費市場需求受制於國際衝突及高通膨等多重不確定性因素的影響下,臺灣PCB市場於2023年面臨了明顯的衰退。2023年臺灣PCB產業產值規模預估約為7,783億新臺幣,較前年度下滑15.8%。此衰退不僅影響了多層板、軟板、HDI與載板等主要PCB產品的整體表現,同時也在通訊、電腦、半導體及消費性等應用市場中造成全方位的下滑,僅汽車應用受到國際車市復甦以及電動車快速成長的帶動,是唯一正成長的項目。

臺灣作為全球主要的伺服器代工大國,在AI伺服器出貨中佔據著近9成的比重。美系伺服器品牌商全部仰賴臺灣代工,而中系品牌則有七成的伺服器由臺灣生產。因此,值得深入觀察臺灣PCB在伺服器應用的產值表現。

2023年臺灣伺服器PCB主要以多層板為主,約佔56%,其次是載板(約占33%)與HDI(約占11%)。其中金像電為臺灣最大的伺服器PCB供應商,另外還有健鼎、瀚宇博德、博智等廠商共同參與此市場。在載板部分,欣興、南電跟景碩均有供應核心的ABF載板,這三家同時也是目前全球十大載板製造商。
 

圖2 臺灣伺服器PCB市場發展概況

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2024/01)
圖2 臺灣伺服器PCB市場發展概況
 

受到全球高通膨壓力影響,企業減少對伺服器的投資,同時也抑制了伺服器PCB的營收表現,僅AI伺服器項目能保持一定增長動能,但由於其規模尚小,對整體營收貢獻有限,因此預估2023年臺灣伺服器PCB產值將較2022年衰退13.6%,規模降至545億新臺幣,約佔整體產值7.0%。

三、AI應用驅動PCB技術演進

(一) AI伺服器PCB硬體分析

從目前AI伺服器市場主流機種 NVIDIA DGX A100硬體來看,大致可拆分為CPU模組、GPU模組、記憶體、硬碟與其他零組件。GPU模組是其核心零組件,約佔80%的整機PCB成本,包括8顆GPU晶片與6顆NVSwitch晶片(用於支援GPU對CPU、GPU對GPU之間的連接),採用ABF載板封裝。此外還有8張GPU加速卡,以高階HDI製作;1張GPU主板,以HLC(High Layer Count高層次板,屬高階多層板產品)製作。而考慮在GPU模組內部相互之間的高速傳輸要求下,主板所選用的銅箔基板規格也由泛用型的Low loss提升至高階高頻高速的Ultra low loss等級。
 

表1 AI伺服器PCB硬體分析 (NVIDIA DGX A100)
零組件 零組件數量 應用PCB 應用材料 PCB成本佔比
CPU 2 ABF載板 (14~16L) ABF 8%
CPU主板 1 多層板 (14~16L) Low loss CCL 7%
GPU 8 ABF載板 (14~16L) ABF 34%
NVSwitch 6 ABF載板 ABF 8%
GPU 加速卡 8

4階HDI (20L)

1階HDI (14L)

Ultra low loss CCL 19%
GPU主板 1 HLC (26L) Ultra low loss CCL 20%
記憶體 32 多層板、BT載板 Low loss CCL、BT 1%
硬碟 8 多層板 Mid loss CCL 1%
其他 - - - 2%

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2024/01)
 

從整機設備來看,ABF載板是最核心的PCB產品,其成本約佔整體PCB成本的一半,其次為HLC與高階HDI。這些產品單價落在數百至千元美元範圍,屬於高階高值的PCB應用。接下來將就ABF載板與高頻高速板進行技術發展趨勢的分析。

(二) 算力需求與先進封裝 提升ABF載板需求

隨著AI應用對算力的需求不斷增加,CPU/GPU所使用的單顆Die(裸晶)尺寸設計已超過微影設備能處理的極限(reticle limit),為了突破先進製程的限制,提高電晶體密度和運算能力,先進封裝技術已成為後摩爾時代的重要科技趨勢之一。為因應此挑戰,2.5D/3D、Chiplet(小晶片)等異質整合封裝技術應運而生,可以把來自不同製程節點與不同屬性的晶片整合成單一顆晶片。這種技術除了能提升產品良率外,還為IC設計業者提供更高的設計彈性及成本空間,包括Intel、AMD、Apple、Samsung等公司均已採用此技術。異質整合封裝不僅提高了晶片I/O數,還增加了佈線密度,推動封裝用的ABF載板將朝大面積、多層數,細線路等設計趨勢發展。從Intel與AMD前後代的Server CPU規格相比較,新一代的設計在載板面積與層數皆較前一代有所提升,使得對ABF載板的需求量平均增加了33%~39%。

另一方面,從ABF載板材料最大供應商Ajinomoto的擴產計畫來看,也可看出ABF載板需求呈現長期穩定成長。Ajinomoto為因應半導體先進封裝發展趨勢,持續執行ABF擴產計畫,2023年再投入170億日圓,旨在實現年複合成長率18%的產能提升目標。
 

圖3 Ajinomoto ABF產量推估

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊 (2024/01)
圖3 Ajinomoto ABF產量推估
 

近年來,高階算力需求增加與先進封裝技術是驅動ABF載板市場成長的主要因素。這也促使載板廠增加資本支出,積極擴大產能。然而,自2022年下半年起,受到個人電腦市場需求減弱,以及各家載板廠商的新產能陸續開出的影響,市場需求缺口逐漸縮小。隨著蕭條景氣從消費性市場蔓延至商用市場,需求持續減弱下,2023年ABF載板市場已達供過於求。不過一旦整體市場需求回溫,且預期先進封裝應用從商用滲透到消費性市場,供給缺口將會再次擴大。長期來看,到2025年之前ABF載板仍可能處於供不應求的狀態。

(三) 高頻高速PCB製程技術發展

為了處理龐大的數據流量,AI伺服器對資料傳輸速率和頻寬有極高需求,同時在高速傳輸的過程中,也須確保訊號的準確性與穩定性,這主導了高頻高速PCB的技術發展趨勢。

儘管在某些專業領域可能會同時涉及高頻和高速應用,讓「高頻板」和「高速板」這兩個術語常被一併提及,但理論上它們代表著不同的概念和應用。高頻PCB在高頻工作環境下可展現出優異的傳輸性能,其應用頻率範圍通在1GHz以上。在設計方面,一般採用細線路設計,板厚也相對較薄;在材料方面,PTFE(聚四氟乙烯,或稱鐵氟龍)是一種常見的選擇,其卓越的材料特性有助於減少訊號損失、提高訊號傳輸速率以及接收靈敏度。這類PCB主要應用於無線電通訊、雷達和衛星通訊等領域。

而高速PCB在高速傳輸時可表現出更好的訊號完整性和抗干擾能力,其應用頻率範圍涵蓋MHz到GHz。為了能有效抑制電磁干擾(EMI),設計傾向選用較厚的板厚以及等長性線路設計;在材料的選用上,常見的有FR4(玻璃纖維板)和PI(聚酰亞胺)。這類PCB產品廣泛應用於電腦、伺服器主機板以及工業控制儀器等領域。

高頻高速板主要包括HDI與HLC兩種產品類型。HDI所具備的「輕、薄、小」特性,不僅有助於提升佈線密度、降低產品體積與重量,還能有效利用組裝空間。同時,透過更高的層數以及更細的線寬線距設計,可實現更快的訊號傳輸與更小的訊號損失表現,通常應用於汽車雷達、衛星天線等系統。

HLC主要用於伺服器的主機板、地面站之天線系統、發射器、接收器等。為滿足高效低損耗的訊號傳輸需求,在加工方面,HLC會採用「Back Drill背鑽」的鑽孔技術,這種技術通過鑽孔移除Via Stub(通常指未發揮連接或傳輸功能的通孔段),從而有效減少因Via Stub引起的寄生電感與電容對系統的不利影響。這有助於避免高速傳輸中可能引起的反射、散射、延遲等干擾,從而提高整體訊號完整性。由於背鑽不能將通孔完全去除,必須保留可用的導通段,因此鑽孔設備需要具備優秀的深度控制(±75um)與鑽孔精度(D+150um)。

另外,由臺灣網通設備廠新漢、工研院電光所與材化所、PCB板廠高技、PCB材料廠台燿所組成的A+國家隊,近年提出一種新的疊構設計,旨在提升訊號完整性。該設計包含採用極低損PCB材料(ELL, Extreme Low Loss)、以及創新的低雜訊同軸貫通孔(LCV,Low-Noise Coaxial Via)與超低損連接埠(Super Low Loss Connective-Bus)等技術。相較於傳統由端子等組成的高速連接器,往往難以提供高穩定、低耗損的效能,該技術顯著提升了阻抗控制能力、降低插入損失(Insertion Loss)及近場、遠場串擾(Near-End/Far-End Crosstalk)效應。
 

圖4 A+團隊開發之100G網路卡,採用的創新技術可將25Gbs高速訊號走線達14英吋長 (如圖左側),現有技術僅達3英吋長(如圖右側)

資料來源:新漢 (2023/12)
圖4 A+團隊開發之100G網路卡,採用的創新技術可將25Gbs高速訊號走線達14英吋長 (如圖左側),現有技術僅達3英吋長(如圖右側)
 

(四) 高頻高速銅箔基板發展
 

表2 高頻高速銅箔基板分級與應用
產品等級 Very Low Loss Ultra Low Loss Super Low Loss
Df (耗散係數) 0.004~0.005 0.002~0.003 <0.0015
主要應用 網通設備(100G)、高階伺服器 網通設備(400G)、高階伺服器 網通設備(800G)

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2024/01)
 

常用的高頻高速銅箔基板包括了FR-4(玻璃纖維板)、Ceramic Substrate(陶瓷基板)與氟系材料PTFE(Polytetrafluoroethylene,聚四氟乙烯,或稱Teflon鐵氟龍)。依Df(耗散係數,數值越小表示該材料對訊號傳輸的損失越少)可再細分very low loss、ultra low loss、super low loss等不同材料等級。Very low loss材料,其Df範圍為0.004~0.005,是目前應用最廣泛的高頻高速材料,如在100G網通設備、伺服器等產品中;Df在0.004以下可視為高階的高頻高速材料,如在400G/800G網通設備、AI伺服器等產品。

其中PTFE由於其卓越的性能而受到青睞,除具有耐熱、耐腐蝕、低吸水率等特性外,更擁有極低的Dk(介電常數,數值越小表示該材料對訊號傳輸速度越快、損失越少)與Df 表現(Dk <2.1@10GHz;Df 0.0001~0.0003@10GHz),儘管PTFE在熱傳導性、剛性和機械加工方面存在一定的挑戰,以及相對高的成本,但仍被廣泛應用在5G通訊、汽車雷達、航太工程與衛星通訊等領域。多家臺灣PCB材料廠如台光電、台燿、聯茂、台虹等皆已在其高階產品線推出PTFE產品,不過目前市場仍以美、日外商為主要供應商,包括Rogers、AGC、Taconic等。

為解決PTFE的加工性與成本問題,近年客戶與PCB板廠提出了Hybrid的疊構設計,這是指將PTFE與其他高頻材料混合壓合製作,這種結構不僅能滿足高頻訊號傳輸需求外,亦可以節省成本並提高板材剛性與加工性,但另一方面則須克服異質材料同時製作的技術挑戰,如材料交界面的結合性、熱膨脹係數不同引起的應力和變形、製程參數控制等。

四、結論

生成式人工智慧(Generative AI或GenAI或GAI)正引領全球科技領域,特別是ChatGPT的推出,帶動AI產業進入新的發展篇章,加速實現商業化應用。這股潮流不僅推動了AI伺服器市場的強勁需求,也促使全球各雲端服務業者擴大其AI伺服器業務。未來,AI伺服器市場預計將以每年22%的年複合成長率迅速擴展,加上本身高價值的產品單價,已對整體伺服器市場產值增長產生明顯影響。

從AI伺服器PCB硬體分析顯示來看,GPU模組是其核心零組件,約占整機PCB成本的80%。隨著AI應用對算力需求的不斷增長,並伴隨異質整合封裝技術的發展,ABF載板需求也在穩步增長。在高頻高速PCB技術方面,AI伺服器對資料傳輸速率和頻寬的極高需求推動了這一技術的發展趨勢。銅箔基板、新的疊構設計以及高階算力需求等因素促使了高頻高速PCB市場的增長。

綜合以上,AI技術的快速發展不僅帶動了AI伺服器和相關硬體市場的增長,賦予臺灣PCB技術躍升的機會,同時也對PCB市場提出了新的挑戰和機遇。在AI伺服器市場,臺灣PCB廠商在技術和量產實力方面具有競爭優勢,但在高階供應鏈的自主程度上仍有改善空間。特別需要注意的是,由於AI伺服器具科技敏感性,在美中科技衝突以及地緣政治風險等因素干擾下,將使國際客戶重新考慮供應鏈布局,在長期的視角下,東南亞和美洲可能成為產業鏈的主要基地。同時也會刺激中國大陸全力打造自身的AI產業與強化高階製造實力。而在未來,臺灣PCB業者也應持續加強技術創新和供應鏈穩定性,例如可以透過與法人研究機構的合作、加強內部研發能量、以及建立堅實的合作夥伴關係等方式,以因應市場的不確定性。進一步提升高階供應鏈的自主能力,將有助於確保其在全球競爭中的持續競爭力。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)

 

 


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更新日期:2020-04-08

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