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矽晶・電子:台灣半導體科技的幕後推手與展望
 
 
 

目前我國已位居全球半導體產業領先群,未來仍有許多發展空間。而如何積極培育高等技術人才,強化研發設計能力,提升技術層次,使我國能在未來AI人工智慧占有一席之地,實是日後大家共同努力的目標。

 

我國擁有完整的半導體產業鏈,從上游的IC設計到後段的IC製造與IC封測,專業分工模式獨步全球,總IC產值名列全球第2。而積體電路IC與資訊、通訊、消費性電子等產業的關聯性極強,是通訊、資訊、消費性電子等產業朝向數位化、體積微小化的關鍵性零組件。近年來,我國半導體產是極具潛力的科技產業之一,但面臨許多挑戰。

 

從回顧台灣半導體的歷史到最近推動的AI人工智慧策略規畫,都與IC設計密切相關。目前我國已位居全球半導體產業領先群之中,未來仍有許多發展空間。而如何積極培育高等技術人才,強化研發設計能力,提升技術層次,使我國能在未來AI人工智慧占有一席之地,實是日後大家共同努力的目標。

 

半導體產業歷史回顧

 

我國半導體工業發展自60年代開始,1966年在高雄加工出口區引進半導體封裝業,其後成立的飛利浦建元(1969)、德州儀器等外商則確立了台灣在這項產業的發展基礎。在學術界方面,交通大學也在這時期建立了學術研究與人才培育的半導體實驗室。

 

在70年代,多家半導體封裝廠商相繼設立,如華泰電子、萬邦、菱生等。而半導體製程技術正式在我國發展,則是在1976年由工研院電子所(ERSO)自美國RCA公司移轉MOS 7.0μm製程技術開始生產電子錶上的IC,從此就靠著這個原始的製程技術,經過ERSO的研究發展逐步建立。1980年就從ERSO衍生出我國第一家IC製造公司聯華電子,在80年代有許多IC製造及無晶圓設計公司相繼成立,這些公司的技術或經營團隊可以說是直接或間接源自於ERSO。

 

而在這時,1988年國科會為培育半導體人才及推動學術發展,建置國內第一座半導體元件國家級實驗室─國家次微米元件實驗室(國家奈米元件實驗室的前身),開始服務學術界從事前瞻性研究。在IC設計方面,在1992年推動「晶片設計製作中心」專案計畫(後更名為國家晶片系統設計中心),建置IC設計環境、引進先進標準製程與測試驗證儀器,以提升學術界積體電路及系統設計技術。

 

時至今日,我國IC產業體系發展已經完備。在整個發展過程中,台灣半導體產業自1970年代興起,主宰全球產業經濟的力量愈形加重,直到西元2000年全球半導體產業表現達到高峰,與全世界的景氣榮景相互輝映。台灣在這一場科技競賽中,不僅沒有缺席,整體產業的鋪陳甚至遍及IC設計、製造、封裝、測試,垂直分工獨步全球,每年IC產業產值達新台幣2.4兆,且成長率高於全球相關產業。

 

晶圓代工出現 IC設計崛起

 

數位化時代下,所有東西都以0與1來呈現,剛好和半導體具備既能導電、也能當絕緣體的特性相同。加上半導體微影技術的演進,目前已經發展到7奈米的技術。「微型化」的特性使得電路可以蝕刻在晶圓上,然後切下來應用。因為上述兩種特性,使得半導體與IC設計日益重要,大量應用在電腦與其他電子技術上。

 

1986年,台積電成立,首創專業晶圓代工模式,解決了IC設計業者的難題,也正式開啟了無晶圓設計公司的營運模式。台灣IC設計產業正式起跑,除了有台積電提供專業代工的服務外,當時有不少留美的科技人才選擇回國創業,日後都成為台灣半導體產業中的標竿人物。

 

此外,電子設計自動化廠商技術快速發展,使得設計工具愈來愈好用,也是IC設計業崛起因素之一。不過這些設備都非常貴,往往一套軟體和主機可能就要價新台幣1,000萬元。而IP業者提供多樣驗證過的元件,也提升了產品設計的速度。

 

IDM廠的閒置產能釋出,為專業IC設計公司快速興起提供了溫床,其經營模式特性是彈性、快速、規模小、附加價值高。而晶圓代工模式的成功,也使得前端的IC設計可交由後端代工廠協助生產,不然只會設計,找不到工廠製造也沒有用。這兩項因素是構成IC設計業崛起的主要原因。

 

從較大的層次來看,IC設計業涵蓋了提供電路布局所需軟體的「電子自動化設計業者」、提供經過驗證的積體電路元件區塊的「智權業者」、「自有品牌的設計業者」,以及幫客戶設計積體電路產品的「設計代工業者」。另外,台灣在IC設計環境所展現的地利人和,也吸引不少原本在矽谷創業的公司把團隊搬移回台灣,壯大了產業的規模。

 

培育台灣IC設計人才的推手

 

台灣早期學術界因缺乏設計環境與製程下線管道,只能從事理論性的研究,無法從事晶片實作,因此與產業界較難有密切合作。而科技部轄下的國研院國家晶片系統設計中心就是要在「產、學、研」界幕後扮演推手的角色,當電子電機系所的師生想把研究成果「做」出來時,第一個想到的就是晶片中心。簡單來說,晶片中心就是希望透過提供軟硬體技術整合服務,支援台灣學術界進行前瞻性的研究。

 

國研院晶片中心等於是產業與學術間雙贏的重要橋梁,其任務就是支援學術單位,把機會、子彈留給學研單位發揮,再透過學校與產業合作進行技術移轉,開創一個全新的產學合作模式。而政府把資源集中在晶片中心,主要的目的就是為了服務學研界,學術界教師們需要資源及服務時就可以找晶片中心協助。晶片中心更與台積電、聯電、日月光等產業龍頭合作,在製程上追求創新,建構出全球前瞻的整合技術平台,然後把這樣的成果當作學研界的研發利器,帶動國內的創新晶片設計更蓬勃發展。

 

我國學術界所擁有的設計環境及晶片實作機會,在全球學術界中堪稱最佳。目前學術界的設計環境在軟體數量與功能上都已優於產業界,而設計技術上也慢慢接近產業界水準,已有能力與產業界合作從事其所需的前瞻性研發工作。而每年培訓出的學生因已具備晶片及系統設計的理論基礎及實作經驗,進入產業界工作時就能從事相關設計工作,可以減少其自行培育人才時間約6個月至1年,不但可節省大量時間與經費,而且能使產品及早問世,對產業界貢獻相當大。

 

以往只有少數國立大學才有師資及經費從事IC晶片設計,但目前私立大學、公私立技職院校也具備了設計環境與能力,因此可再培育出更多的積體電路及系統設計人才,以因應產業人才的需求。晶片中心這一股隱形的力量,協助學術研發跨出更大的格局,也樹立了新標竿,成就台灣晶片設計在國際間不容忽視的關鍵地位。

 

未來的挑戰

 

IC設計和專業晶圓代工是把半導體產業中最菁華的兩個環節,自垂直整合的模式中獨立出來,注入專注的精神,予以更有效率的經營。這是為何IC設計以及專業晶圓代工產業的表現,經常優於半導體產業和整合型元件製造商IDM整體表現的原因。IC設計是IC產出過程中具備最高智慧財產的環節,因應各種不同的系統應用而開發其IC電路。晶圓製造也是高科技的結晶,提供各類製程的平台供IC生產使用。IC設計和晶圓製造是上下游的關係,兩者必須相輔相成才能發揮最高的效益。

 

隨著電子系統產品往輕、薄、短、小、省、廉等方向發展的趨勢,台灣半導體廠商在技術方面朝兩大方向發展:一是製程技術依照摩爾定律(Moore’s Law)不斷微縮;二是高度半導體元件整合達到系統層級的目標。為了持續降低IC成本、提升容量與增加效能,Logic IC與Memory IC的整合趨勢更加明顯。

 

首先可以看到,為順應智慧手持產品易操作的特性,直覺性的人機介面、長時間的待機、輕薄甚至是高畫質的面板,已經成為全球3C產品的主要發展趨勢。也進一步帶動微機電、感測IC、觸控IC、驅動IC、高傳速IC,甚至是高效能低耗電的應用處理器,還有相關周邊IC的需求,使得近期相關的IC設計廠商的營收也受到這些產品的影響。

 

近年來台灣IC設計產業面臨很大的艱難與挑戰,不但毛利率越來越低,公司獲利能力下降,更面臨留才不易的困境,很多優秀人才都往外商和大陸公司流動。對台灣半導體產業而言,這是個必須正視的惡性循環,若不儘速解決這個問題,恐將動搖台灣長久以來建立的完整產業鏈。現在中國大陸IC設計產業正在急起直追,若台灣IC設計產業要持續走cost down這條老路,長遠來看恐怕會被大陸業者超車成功,因為台灣廠商在成本結構上很難比大陸同業更有優勢。

 

大陸政府這幾年一直在扶植IC設計公司,大量利用補助半導體光罩、IP等方式,扶植當地晶圓代工的先進製程等。在這個情況下,大陸的IC設計公司先天上就比台灣廠商更有優勢。

 

當然,對IC設計公司而言,除了在產品上市時程上加足馬力,掌握市場萌芽期的高利潤之外,以成本結構做為競爭武器也是一條可行之路。對大多數台灣IC設計公司而言,已經不能再繼續走這條老路,應該要思考如何讓自家的IC產品有更多的價值。從前台灣很容易掉入cost down的迷思中,把每個環節可以cost down的地方找出來,卻忽略了產品創新競爭力,追求毛利率的增加不應該是來自成本下降,而應該是產品本身的附加價值。

 

未來,台灣IC設計公司必須有前瞻性的思維,不然產品毛利率會越來越低,公司獲利能力下降,台灣的人才也會快速流失。台灣半導體產業花了數十年建構的環境,能給客戶最好的支援,加上封測產業鏈也相當完整,在這條件下,台灣的IC設計產業實在可以再多扶植出幾家優質的設計公司。

 

AI將成為台灣半導體另一波熱潮

 

AI時代即將來臨,從最早1990年大型電腦演進到PC時代,再進化至2010年智慧型手機時代,數量較PC成長10倍。當演進到大數據、雲端時代,未來將進入萬物聯網時代,物聯網時代涵蓋AI廣泛應用於機器人、自駕車及各種行動裝置,預估2020年裝置數量將大幅激增100倍至1,000倍。至2025年,全球AI晶片產值將高達122億美元,年複合成長率高達42.2%,每一個家庭至少有500個裝置進行智慧聯網。

 

面對AI新浪潮,科技部於2017年8月15日發表「半導體射月計畫」,將以4年為期每年約10億預算,供台灣大專院校研究AI與半導體的教授申請,投入智慧終端半導體製程與晶片相關研發領域,希望藉由台灣原本的硬體優勢帶動AI發展。

 

為何選擇從終端晶片切入AI領域呢?其實有脈絡可循。無論軟體是不是人工智慧,也無論各式行動裝置是IoT(Internet of Things)、自駕車,或是虛擬實境∕擴增實境等,雲端與終端各自分工再統合的分散式運算都逐漸成為未來的架構主流,但要實現這個目標就必須仰賴簡化、低功耗,甚至具備深度學習的終端運算晶片。而2022年將是3奈米真正可量產,同時帶動各行各業進入AI化的一年,這項半導體射月計畫正是瞄準5年後的這個大趨勢。

 

台灣到底該怎麼發展AI?目前可以看到AI未來發展的輪廓:以「雲端服務及大數據運算平台」提供學界、業界實驗用的基礎運算能力。由於資料傳輸量大增,人工智慧需求增加,IoT加AI會是人工智慧技術,可全面提升智慧平台能力。此外,智慧家庭也需要更多頻寬,因為高解析度需要大量資料傳輸動作,智慧手環、白色家電聯網,以及工業上聯網裝置越來越多,5G通訊時代將快速來臨,這確實是台灣不容錯過的大商機。

 

台灣研究發展策略

 

最近科技部提出打造AI生態圈的五大發展策略:建構AI主機、打造智慧機器人基地、設立AI創新研究中心、半導體射月計畫、科技大擂台。政府也把預算提高,表示重視人工智慧的發展趨勢,對台灣未來的物聯網與人工智慧發展是個好的開端。

 

藉由鼓勵AI人工智慧的發展,「半導體射月計畫」與台灣半導體協會對接,由協會推薦IC設計與晶圓代工、記憶體、封測等領域製造商加入申請團隊。目前有許多廠商表態有意願加入,參與學研計畫的學生在完成技轉後可以選擇進入企業工作,並且透過前瞻技術的推廣,讓台灣年輕人看到未來的希望,這對於延攬台灣IC設計人才有很大幫助。

 

依「半導體射月計畫」內容,這部分是要強化物聯網用晶片、虛擬實境∕擴增實境的能力,以及人工智慧專用的應用晶片,或人工智慧通用型晶片。這計畫可以跟台灣強項的晶片硬體設計能力結合,並深化晶片設計的研發能力。

 

若分別從五大策略觀察,有別於過去的單一計畫發展,從人才、技術、場域、產業等不同面向,構築成台灣AI生態圈,現在要做的是創造台灣的發展機會。在AI時代,台灣硬體和高階軟體之間有個新的交會口,會產生全新的硬體規格與需求,這是台灣在既有基礎下,硬體廠與軟體廠間軟硬整合的好機會,也使台灣在AI新浪潮中占有一席之地。

 

半導體產業是發展資訊、通訊、消費性電子等產業的關鍵性產業,是未來主導性的基礎產業之一。我國半導體產業得以蓬勃發展的原因,是有優秀的半導體人才與完整的半導體產業體系。目前台灣的半導體製造生產技術已居世界一流,可站穩半導體代工業的龍頭地位。與各IC大國相比,台灣獨有完整的半導體產業體系支持,這是發展半導體所獨具的優勢。今後加強製程研發及設計,而設計以AI人工智慧發展為目標,會有很大的機會。

 

深度閱讀

  1. 台灣IC設計業發顫思考與挑戰,工研院IEK,2010。
  2. 半導體產業關鍵議題與重點趨勢剖析,工研院IEK,2016。
  3. 1997半導體工業年鑑,工研院電子所,1997。
  4. 科技部規畫160億預算,推五大發展策略,數位時代,2017。

 

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