金御网陷入芯“铜”危机

文 | 半导体产业纵横，作者 | 米乐

到 2035 年，约 32% 的全球半导体生产可能因气候变化相关的铜供应中断而受影响，这一比例将是当前水平的四倍。

全球最大的铜生产国智利已在应对水资源短缺问题，而这正导致铜产量放缓。到 2035 年，为芯片产业供应铜的 17 个国家中，大多数都将面临干旱风险。

回收率太低，芯片厂急，难过"铜"关。

铜，很难被替代

在半导体领域中，铜主要被用于制造互连线路。在传统的互连制造中，铜通常被用作通过化学气相淀积（CVD）或物理气相沉积（PVD）技术沉积在金属膜上。在这个过程中，铜可以自发形成平坦的表面，并提供更高的电导率和中性极度的应变。

相较于传统的铝导线，铜线的优势在于更高的导电性、低电阻、低丝状息和可接受的失配效应。在超大规模集成电路（VLSI）和超高质量（UHQ）应用中，铜导线的优势尤为明显。铜的应用并不仅限于此。在半导体领域，铜还被用于处理器、高密度存储的制造过程中，如制造半导体材料的氧化物。

其次，铜也可用于制造半导体封装材料。具体来说，铜材料可以作为封装材料的一部分，起到优化器的作用，减少能量的损失，让封装效果更好。此外，铜也被广泛应用于半导体器件中的金属化电容器。铜电容器有着极佳的电容和损耗特性，因此被视为下一代存储器、计算机和通信技术中的重要组件。

智利作为全球最大铜生产国已经在应对影响生产的缺水问题。普华永道报告指出，到 2035 年，为芯片行业供应铜材的 17 个国家中的大多数都将面临干旱风险；如果材料创新无法适应气候变化，且受影响国家无法开发更安全的水源供应，风险将会随时间推移而加剧。据预测，铜供应中断的风险或将波及全球所有主要芯片制造地区。而半导体是铜重要的应用领域，是制造每颗芯片电路中数十亿根微型导线的关键材料。尽管业界正在研究替代材料，但目前尚无其他材料能在价格和性能方面与铜匹敌。

大厂重视"铜"

2024 年，英伟达宣布将人工智能数据中心的短距离数据传输从光纤转向铜缆，这标志着未来铜需求的大幅增长。此外，这一趋势还预计将提振相关的"铜股"。英伟达 GTC 大会引爆的不仅仅是 AI 芯片市场，芯片上采用的铜缆产品也受到热议。据黄仁勋介绍，GB200 采用 72 个 Blackwell GPU 全互连的 NVLink 技术，拥有超过 2 英里的 NVLink 铜缆，展现了铜缆连接在高性能计算领域的巨大潜力。

据悉，英伟达此举是为了减少其数据中心设备的耗电量，如此大规模的使用铜也确实超出不少业内人士的预期。该公司指出，使用铜而不是光学器件，可以为每个服务器机架节省 20 千瓦的电力。

英伟达从光学转向铜是一个主要讨论话题。使用更多铜的一个关键因素是液体冷却，它允许将更多的 GPU（图形处理单元）装入单个机架。

GB200 NVL72 铜互连技术新增用铜需求。GB200 产品系列涵盖了多样化的产品形态，其中 NVL72 为重点推介产品，成功应用了先进的铜缆连接方案。 GB200 计算托盘基于新的 NVIDIA MGX 设计，包含 2 个 Grace CPU 和 4 个 Blackwell GPU，具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 在一个机架中配置了 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，使用铜缆盒密集封装和互连 GPU。铜连接技术的显著优势主要在于其高效散热性能、成本效益以及低能耗特点，单台服务器采用铜互连方案后的价值量也会更为突出。单台 GB200 NVL72 架构中利用 5000 根 NVLink 铜缆进行交换机和 GPU 之间的连接，单台服务器中铜缆总长度接近 2 英里。 2024-2025 年，GB200 NVL72 的出货量预计分别达到 3,000 台和 50,000 台，铜互连解决方案的市场空间将逐年攀升。

GB200 NVL72 大幅强化新一代人工智能加速运算。英伟达数据显示，GB200 NVL72 相对于 H100 实现 25 倍能效提升，相对于 CPU 实现 18 倍数据处理，相对于 H100 Tensor Core GPU 实现 30 倍大型语言模型推论，相对于 H100 实现 4 倍大型语言模型训练，大幅提升新一代人工智能及加速运算能力。

铜在芯片中的作用

根据国际能源署（IEA）的基本预测，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，这一增长速度将需要累计新增约 260 万吨铜需求。该行说，这也将转化为 2030 年全球铜预期需求的 2% 左右。未来十年，人工智能计算能力的指数级增长 …… 将需要全球电力容量的非凡增长。

铜的新需求出现之际，预计到 2030 年铜的供应缺口将达到 400 万吨。报告称，纯电动汽车和可再生能源的增长，加上新铜矿供应有限，是他们预测出现铜短缺的原因。

铜互连

铜互连工艺是一种在集成电路制造中用于连接不同层电路的金属互连技术，其核心在于通过"大马士革"（Damascene）工艺实现铜的嵌入式填充。该工艺的基本原理是：在绝缘层上先蚀刻出沟槽或通孔，然后在沟槽或通孔中沉积铜，并通过化学机械抛光（CMP）去除多余的铜，从而形成嵌入式的金属线。

与铝互连相比，铜互连具有更低的电阻率和更好的抗电迁移性能，因此成为现代集成电路制造中的主流互连材料。然而，由于铜的刻蚀难度较大，传统的干法或湿法刻蚀技术难以满足纳米级工艺的要求，因此发展了双嵌入式（Dual Damascene）工艺，即在一次光刻和蚀刻过程中同时形成沟槽和通孔，从而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。

铜的危机传导链

全球精炼铜消费量增长，新能源产业持续引领全球铜消费。2024 年，全球精炼铜消费量为 2733.2 万吨，同比增长 2.92%。我国精炼铜实际需求增长了约 3.5%，全球除中国外的使用量增长了约 2.2%：欧盟、日本和美国的需求疲软被亚洲和中东及北非国家的增长所弥补。

从终端应用领域来看，新能源产业（涵盖风电、光伏发电、储能系统及新能源汽车）持续引领全球铜消费增长，已攀升至全球总需求的 15%，成为驱动铜市发展的核心力量。

确实新能源汽车的制造离不开铜这一关键材料。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），每一款车型的铜用量都在不断增加。据行业估算，HEV 的铜用量约为 40 公斤至 60 公斤，PHEV 约为 60 公斤，而 BEV 的铜用量更是高达 80 公斤至 83 公斤。大型车辆如纯电动大巴的铜用量更是高达 224 至 369 公斤。

以比亚迪"海鸥"为例，假设每辆车的铜用量为 80 公斤（取该区间的下限值），那么 35370 辆"海鸥"所需的铜的总量就高达 2829.6 吨。这一数字令人震惊，也凸显了新能源汽车对铜市场的巨大影响。

另外，人工智能计算迅速崛起，拉动铜需求快速提升。

生成式 AI、大算力引领计算领域新发展。随着 ChatGPT 等生成式 AI 技术和元宇宙等前沿业态的强劲推动，全球人工智能的应用不断拓展。中国电信预测，2022 至 2027 的五年间，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新型需求的涌现也对算力提出了更海量的要求，IDC 数据显示，至 2027 年，我国算力市场规模预计将达到 1234.7 EFLOPS，其中智能算力占比高达 90% 以上。低功耗技术趋势或将对铜需求增长构成挑战。在 " 双碳 " 目标驱动下，降低 AI 算力芯片的能耗已成为集成电路行业的重要发展方向。这一趋势已显现实际成效：2022 年，以太坊通过算法革新将其挖矿机制转型为权益证明 ( PoS ) ，成功实现 99% 的电力消耗降低。值得注意的是，铜在数据中心配电系统中的用量占比高达 75%，若 AI 能效技术持续突破，可能导致铜在算力基础设施中的需求增长面临变数。

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