陷入“芯铜”危机：供应短缺与需求增长的双重挑战
到2035年，约32%的全球半导体生产可能因气候变化引发的铜供应中断受到影响，这一比例是当前的四倍。
全球最大的铜生产国智利正面临水资源短缺问题，导致铜产量增长放缓。到2035年，为芯片产业供应铜的17个国家中，多数将面临干旱风险。
芯片厂因铜回收率低而发愁，难过“铜”关。
01
铜，难以替代
在半导体领域，铜主要用于制造互连线路。传统互连制造中，通过化学气相淀积（CVD）或物理气相沉积（PVD）技术将铜沉积在金属膜上，它能自发形成平坦表面，具有高电导率和良好的应变特性。
与传统铝导线相比，铜线导电性更高、电阻低、丝状息少且失配效应可接受。在超大规模集成电路（VLSI）和超高质量（UHQ）应用中，优势显著。此外，铜还用于处理器和高密度存储制造，如制造半导体材料的氧化物。
铜也用于制造半导体封装材料，作为封装材料一部分可优化性能、减少能量损失。同时，广泛应用于半导体器件中的金属化电容器，其电容和损耗特性极佳，是下一代存储器、计算机和通信技术的重要组件。
智利作为最大铜生产国，正应对缺水问题。普华永道报告指出，到2035年，为芯片行业供铜的17个国家多数将面临干旱风险，若材料创新和水源供应问题得不到解决，风险会加剧。预计铜供应中断风险将波及全球主要芯片制造地区。半导体是铜重要应用领域，虽业界在研究替代材料，但目前尚无材料在价格和性能上能与铜匹敌。
02
大厂看重“铜”
2024年，英伟达宣布将人工智能数据中心短距离数据传输从光纤转向铜缆，这预示着未来铜需求大幅增长，也将提振相关“铜股”。英伟达GTC大会不仅带动了AI芯片市场，芯片上的铜缆产品也备受关注。据黄仁勋介绍，GB200采用72个Blackwell GPU全互连的NVLink技术，拥有超2英里的NVLink铜缆，展现了铜缆在高性能计算领域的潜力。
英伟达此举是为降低数据中心设备耗电量，大规模用铜超出业内预期。该公司表示，用铜替代光学器件，每个服务器机架可节省20千瓦电力。
英伟达从光学转向铜是热门话题。使用更多铜的关键因素是液体冷却，它能让单个机架容纳更多GPU（图形处理单元）。
GB200 NVL72铜互连技术带来新的用铜需求。GB200产品系列多样，NVL72是重点产品，采用先进铜缆连接方案。GB200计算托盘基于新的NVIDIA MGX设计，含2个Grace CPU和4个Blackwell GPU，有用于液体冷却的冷板和连接，支持高速网络的PCIe gen 6，以及用于NVLink电缆盒的NVLink连接器。GB200 NVL72在一个机架中配置72个GPU和18个双GB200计算节点或在两个机架中配置72个GPU和18个单GB200计算节点，用铜缆盒密集封装和互连GPU。铜连接技术散热高效、成本效益高、能耗低，单台服务器采用铜互连方案价值更突出。单台GB200 NVL72架构用5000根NVLink铜缆连接交换机和GPU，单台服务器铜缆总长近2英里。2024 - 2025年，GB200 NVL72出货量预计分别达3000台和50000台，铜互连解决方案市场空间将逐年扩大。
GB200 NVL72大幅提升新一代人工智能加速运算能力。英伟达数据显示，GB200 NVL72相对H100能效提升25倍，相对CPU数据处理能力提升18倍，相对H100 Tensor Core GPU大型语言模型推论能力提升30倍，相对H100大型语言模型训练能力提升4倍。
03
铜在芯片中的作用
国际能源署（IEA）预测，到2026年，全球数据中心电力需求将以15%的复合年增长率增长。摩根大通估计，到2030年，这将累计新增约260万吨铜需求，占2030年全球铜预期需求的2%左右。未来十年，人工智能计算能力增长将推动全球电力容量大幅提升。
预计到2030年铜供应缺口将达400万吨。报告指出，纯电动汽车和可再生能源发展，加上新铜矿供应有限，是预测铜短缺的原因。
铜互连
铜互连工艺是集成电路制造中连接不同层电路的金属互连技术，通过“大马士革”（Damascene）工艺实现铜的嵌入式填充。原理是在绝缘层蚀刻沟槽或通孔，沉积铜后用化学机械抛光（CMP）去除多余铜，形成嵌入式金属线。
与铝互连相比，铜互连电阻率低、抗电迁移性能好，是现代集成电路制造主流互连材料。但铜刻蚀难，传统刻蚀技术不满足纳米级工艺要求，因此发展了双嵌入式（Dual Damascene）工艺，一次光刻和蚀刻同时形成沟槽和通孔，提高工艺效率和良率。
铜在芯片中的核心作用：
1. 全局互连的“电流大动脉”
高层厚铜线（M8 - M10层）：厚度1 - 3 μm，传输时钟/电源信号（电流>10 mA）；1100℃退火后晶粒>1 μm。
2. 局部互连的“纳米导线”
低层铜线（M1 - M3层）：线宽10 - 20 nm，连接相邻晶体管；钴包裹铜技术抑制电迁移。
3. 三维堆叠的“垂直电梯”
硅通孔（TSV）：直径5 μm深100 μm的铜柱连接上下芯片；热膨胀匹配设计，避免应力开裂。
04
铜的危机传导链
全球精炼铜消费量增长，新能源产业引领全球铜消费。2024年，全球精炼铜消费量2733.2万吨，同比增长2.92%。我国精炼铜实际需求增长约3.5%，全球除中国外使用量增长约2.2%，欧盟、日本和美国需求疲软被亚洲和中东及北非国家增长弥补。
从终端应用看，新能源产业（风电、光伏发电、储能系统及新能源汽车）引领全球铜消费增长，占全球总需求的15%，是铜市发展核心驱动力。
新能源汽车制造离不开铜。从混合电动汽车（HEV）到插电式混合电动汽车（PHEV）再到纯电动汽车（BEV），铜用量不断增加。行业估算，HEV铜用量约40 - 60公斤，PHEV约60公斤，BEV高达80 - 83公斤，纯电动大巴铜用量224 - 369公斤。
以比亚迪“海鸥”为例，每辆车按80公斤铜用量算，35370辆车需铜2829.6吨，凸显新能源汽车对铜市场影响巨大。
另外，人工智能计算崛起拉动铜需求提升。
生成式AI、大算力推动计算领域发展。在ChatGPT等生成式AI技术和元宇宙等业态推动下，全球人工智能应用拓展。中国电信预测，2022 - 2027年全球AI市场规模将以58%的复合增长率增长至约4000亿美元。大模型训练与推理等需求对算力要求更高，IDC数据显示，到2027年我国算力市场规模预计达1234.7 EFLOPS，智能算力占比超90%。不过，低功耗技术趋势可能挑战铜需求增长。在“双碳”目标下，降低AI算力芯片能耗是集成电路行业发展方向。2022年，以太坊算法革新将挖矿机制转为权益证明（PoS），降低99%电力消耗。值得注意的是，铜在数据中心配电系统中用量占比75%，若AI能效技术持续突破，铜在算力基础设施中的需求增长可能受影响。
本文来自微信公众号“半导体产业纵横”，作者：米乐，36氪经授权发布。
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