智慧應用 影音
AIEXPO2024
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詹益仁
  • 乾坤科技技術長
曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。
寧可信其有的迷信
台積電熊本廠(亦可稱為日積電,Japan Advanced Semiconductor Manufacturing;JASM)日前不久舉行開幕儀式,一時冠蓋雲集,台日雙方重要的政經人士均出席開幕盛會,見證此歷史性的一刻。媒體對此重要的事件有諸多的報導,在此不再贅述,但是不知讀者是否注意到日積電的英文標示,是用英文小寫的,尤其是j上面畫龍點睛的一紅點,也正象徵日本國徽。如果讀者注意到日本對外重要的活動,其中的J都一律用英文的大寫,我尤其喜歡大谷翔平代表日本國家棒球隊時,隊衣上那非常流線英文大寫的J,形貌近似於日本的國土。也許讀者會說台積電的英文也是用小寫的,這就是關鍵所在。台積電tsmc為何捨棄英文的大寫,而改用小寫?台積電蔣爸(指蔣尚義)曾跟我說,這是經過高人的指點,因為大寫的T出不了頭,小寫的t可以出頭。雖說是迷信,但是台積電決策者能從善如流,寧可信其有,也是美事一樁。所以日積電大寫的J出不了頭,小寫的j可以做到。在此不禁想到AT&T也將商標由原先大寫的T,增加了小寫的版本,難道是受到台積電成功的影響?在科技產業中如果說起迷信事件,綠色的乖乖算是其中最為人所談論的,你很難想像在先進半導體的機房中,擺了為數不少的綠色乖乖。綠色代表機台在正常的運轉,為了保持機台的穩地度及妥善率,綠色乖乖是絕對少不了的。這一開始也許只是個別的行為,但是在心理作用的慫恿下,逐漸擴展為全民運動。就連超微(AMD)的蘇媽(指蘇姿丰)來台會見在台員工,也要跟綠色乖乖合照張相。這個習慣也曾被英國BBC所報導,當時還有人戲稱,我們真正的護國神山祕密,被別人給揭穿了。前不久我們公司在中國工廠的機台一直有狀況,我就請要去中國維修的工程師隨身帶幾包綠色乖乖,大概效果不錯,中國的工廠隨後通知我們,要寄一大箱的綠色乖乖給他們。這類避邪趨吉的做法,如果善用的話,倒也可以振奮人心激勵士氣。美國在獨立戰爭中,有段時間陷入與英軍的苦戰。但當戰事延伸到紐澤西州時,華盛頓(George Washington)將軍率軍在惡劣的天候下勇渡德拉瓦河,突襲英軍逆轉戰事,被視為是美國獨立扭轉乾坤的一役。但是在行前卻人心惶惶,華盛頓將軍於是召集相關的軍官及士兵,從口袋掏出一枚硬幣,說擲幣的結果如果是人頭面朝上,代表得到上天的祝福,會打勝仗。果然擲幣結果是人頭面朝上,且一連幾次都如此,軍心因而大振,最後取得關鍵勝利。事後華盛頓將軍拿出那枚硬幣,結果硬幣的兩面都是人頭。在軍中不僅有很多迷信甚至是禁忌,個人服役時是海軍的雷達部隊。海軍最忌諱的是餐桌上吃魚不能翻身,因為這意謂著會翻船。有回我不小心將魚給翻了身,身旁的軍官看我一臉驚嚇樣,連忙說我們是陸上部隊,不信這一套。至今我還感謝這位幫我解圍的軍官。 
2024/3/28
半導體的經濟學思維
最近讀了幾本關於經濟學的書籍,對於經濟學家利用邏輯分析、數學模型或田野調查等方法來解釋或預測人類或社會的經濟行為,如成長、衰退、貧富等,留下深刻的印象。不免起心動念東施效顰,想要對自己所理解的半導體產業及人才做一番解析。眾所周知,半導體產業鏈可略分為上中下游,在此上游定義為晶圓製造,中游為IC設計,下游則為系統應用。愈往上游走,知識所需的層面就愈基礎且深入,也愈硬體導向;往下游走所需的知識就愈廣泛,愈偏應用及軟體。半導體人才的培養彷彿也有上中下游的概念。以前在學生時代,聽過老師們提起如何培養一位最適切的半導體人才,就是在大學時念物理,碩士時讀材料,最後再攻讀電機博士。由理科到工科,也由基礎到應用。先來談人才的養成。有不少半導體領域的專家,都是在大學時念物理,之後在博士時轉念電機,而卓然有成。前國立陽明交大校長張懋中院士便是此思維下的翹楚,經由物理及材料的訓練,最後拿到電機博士,並成為半導體界國際知名學者。順流而下似乎是水到渠成,但是逆流而上呢?大學時念電機,而博士研究轉攻物理,甚至是理論物理,沒有太多成功的案例。約莫二十年前,台大物理系的招生廣告中,曾高調地宣傳,當時在台積電任職副總以上人士,畢業最多的學校是來自於台大物理系。最近材料專家彭宗平教授,也在媒體表達了,在園區半導體業很多的主管是材料系畢業的。這些都說明了,順流而下是趨勢,也是個好的選擇。產業界又如何呢?先經過了晶圓廠或IDM廠的歷練,轉而從事IC設計,而成就一番事業者大有其人。之前在IC設計領域紅極一時的晨星半導體,其創業團隊就是來自於世大積體電路,從事晶圓代工。但是在IC設計表現優異的公司,轉而往上游晶圓製造發展,鍛羽而歸者卻時有所聞。十幾年前矽統科技自建晶圓廠,就是個失敗的例子;最近又有專攻功率IC設計的公司,在蓋自己的晶圓廠。畢竟IC設計所需的半導體製程技術種類繁多,不是一座晶圓廠就能夠涵蓋的;此外兩者的文化差異頗大,晶圓廠需要嚴謹的態度及做事方法,要經營的好需要有高的產能利用率,在在都與IC設計的思維不相符。但是中游的IC設計與下游的系統應用間的隔閡,卻不是這麼顯著,兩者之間存在著既合作又競爭的態勢。IC設計公司已不再是單純地提供晶片,而是要提供一個解決方案。蘋果(Apple)就是鮮明的例子,不論是電腦所使用的CPU,或是智慧型手機內的AP處理器IC,都是自己所設計。近來雲端服務業者,也開始自行設計AI的晶片。只要是量夠大掌握出海口,且能找到合適的團隊,系統應用業者是可以往中游的IC設計去發展。但是也有失敗的例子,如不久前Oppo便結束旗下的IC設計公司。華為這幾年受到美國的制裁影響不小,創辦人任正非曾公開表示,未來就是要用錢來砸數學家或物理學家,回過頭來把自家屬於上游的根基做好做穩。我在美國留學期間,參加過一場光電領域的研討會,會議最後的問答時間,來自加州理工學院(Cal Tech)的光電大師Amnon Yariv教授,就在黑板上寫了馬克斯威爾(Maxwell)的4個方程式,然後說所有的解答都在裡面。事實上,在電機半導體領域最常使用的歐姆定律,就只佔這4個方程式的一小篇幅。Open AI 創辦人Sam Altman最近宣稱,要花費巨資自建多座先進的晶圓廠,生產AI晶片。換言之就是由下游,直接挑戰上游。經濟學有趣的地方在於,永遠都會有另外一隻手(on the other hand)。有原則就會有例外,這是在處理經濟問題,經常會發生的。Altman是否會成功,且拭目以待。 
2024/3/4
大學薪資結構也是另一個國安議題
不久前與一位任教於頂大IC設計的大學同學聯繫,希望同學能推薦其所指導的博士畢業生,因為他一直是有志於IC設計的年輕學子,最希望能爭取加入其麾下、炙手可熱的指導教授。只是得到的回覆卻是,在過去的4年中,他只有畢業1位博士生。現在學子在拿到碩士學位後,便急忙投入產業,連大學現在也很難爭取到半導體相關領域年輕的助理教授。同學還無奈地表示,社會大眾有意識到年輕助理教授的難覓,增加不少額外的獎勵及福利,最不幸的是像他一樣的資深教授,缺乏被關愛的眼神。有位也是任教於頂大的傑出電機系教授,最近被國外的大學以新台幣600萬元年薪挖走。但是這600萬的年薪說高也不高,約略等於國內碩士畢業後工作10年以上,表現不錯並在獲利的IC設計公司任職的年薪。當一位大學教授,發覺自己所培養出來的研究生,畢業後的薪資沒多久便超越自己,會是情何以堪。我們現有的大學教師薪資結構,是不分系所都是一致的,所依據的是公務人員服務法。試想如果今天政府規定所有的大學畢業生,不論其所學專長為何,就業後的薪資是一樣的,完全不考慮市場機制,而未來的升遷是以年資為主要的考量,請問這不是很荒謬嗎?事實上,現行大學教師的薪資結構,大致如此,為何不能做些改變?我在美國留學時所就讀的大學,每年都會公布教職員的薪資。記憶中當時教授年薪最高者,是位醫學院的外科教授,其薪資幾乎是文學院老師的4~5倍,學校美式足球總教練的薪資是高於大學的校長,這一切都是市場機制所決定。唯有市場導向的薪資結構,才有機會創造出有競爭力的環境。事實上在三十年前,大學教授的薪資是高於業界水準,再加上有寒暑假及退休金制度,可以吸引不少博士畢業生,爭相從事教職及研究工作。但是經歷這麼多年,學校的薪資僅微幅調漲,與業界的差距是逐年拉大。老成凋零與青黃不接,是我們目前以科技為主體的大學師資及系所的寫照。我們不斷地在強調人才的培育,也投入了不少資源,但是身負培養人才的大學教師們,他們的福利是否有被照顧到?甚至於該如何爭取到優秀的人才,願意來大學任教,這一切已經是個不折不扣的國安議題。政府已經推行大學彈性薪資有一段時間,讓學校對於表現優異的教師,給予特聘教授或講座教授的頭銜,並得到一定調薪的比例。但是我們要提出的不是20~30%的調整,而是倍數級且符合市場行情的薪資差別。今天一個系主任,倘若系上老師因為外界給予2倍的薪資而提離職,系主任要能擁有資源提供出對等的薪資結構來挽留,而非眼睜睜地予以祝福。既然大學教師的薪資結構是個國安議題,便不能再以與法無據而加以搪塞,齊頭式平等不是真平等。前些時候我們與國內一所大學進行項產學合作案,執行計畫的教授把屬於自己的人事經費列得比較高,但是我們覺得很合理,因為的確有這個價值,但是卻被校方打回,因為超過規定上限。上一回的地方縣市長選舉,少數幾位候選人的碩士論文,因為涉嫌抄襲而被迫退選。社會上就出現一種似是而非的說法,主張碩士學位要寫碩士論文,是個過時的產物而應予廢除。還好是大學的自主,頂住政客們凌駕專業的謬論,我真不敢想像一個沒有論文的碩士學位,其競爭力在哪裡?既然論文都可以考慮廢掉,為什麼薪資結構不能做重大的調整?我的大學同學依舊每天兢兢業業在做研究指導學生,學生們畢業後高高興興地展開其璀璨的前程,但這一切可以維持多久?現在是時候來關注大學薪資結構的國安議題了。
2024/2/20
拿破崙的鈕釦與馬蹄釘
不久前在電影院觀看《拿破崙》(Napoleon)一片,距離上回看拿破崙《滑鐵盧戰役》(Waterloo)一片,已經是五十多年前的事,那時我還在念小學。《拿破崙》演到1812年,拿破崙率領六十多萬以法國為首的大軍,攻打俄國。在嚴寒的冬天一路打到莫斯科,但是因為俄國採取焦土策略,大軍得不到適當的補給而落敗。最後僅殘餘數萬軍隊。此次挫敗也造成拿破崙第一次遭放逐。事後歷史檢討此次作戰失利的原因,當然包括嚴寒、補給,甚至於認為部隊已嚴重感染傷寒。但是好事的化學家,卻提出不同的看法,認為拿破崙在俄國戰敗,原因出在部隊的軍大衣鈕釦。因為大衣鈕釦是用錫所製作的,錫在常溫下可閃閃發光,但在嚴寒下卻會開始裂解,部隊因無法保暖作戰而落敗。結論是擁有軍事天賦的拿破崙,欠缺化學知識。無獨有偶地,15世紀的英國國王理查三世,御駕親征在玫瑰戰役中(Wars of Roses),因為坐騎的一個馬蹄鐵掉落,重摔在地而失掉戰役及一個王國。這個掉落的馬蹄鐵,卻是因為少釘了一個馬蹄釘。這也是拜登(Joe Biden)總統在剛上任時,一手拿著半導體的晶圓告訴媒體,半導體就是美國的馬蹄釘(horseshoe nail),失去一個馬蹄釘,就失去一個王國的典故。如同一顆鈕釦,決定一場戰役。半導體不僅是美國的馬蹄釘,對於世界幾個主要的大國亦是如此,當大國們體認到馬蹄釘的重要時,代表其已經開始失去了。眾所周知,半導體是發源於美國。二次大戰後,美國為了圍堵共產勢力,認為扶持起日本,振興日本經濟,對美國是有利的,當然台灣也獲得美援及美軍協防。Sony創辦人盛田昭夫,在1948年就到了貝爾實驗室,看到才剛發明的電晶體。日本很快地取得美國授權,開始發展半導體產業,之後的70年代,日本製可隨身攜帶的半導體收音機風行於全球。到了70年代初期,當時美國總統尼克森(Richard Nixon)曾說過,一個有歷史的民族,是不會滿足於只當電晶體收音機的製造者。果不其然,日本的半導體產品開始席捲美國的市場,尤其是DRAM,美國廠家紛紛退出。我記得在美國留學期間,參加國際電子元件研討會(IEDM),當時的主流技術幾乎都是由日本公司所發表。美國感受到威脅,祭出針對日本的關稅、反壟斷等商務措施,同時開始扶植南韓。日本半導體產業的衰敗,除了日圓升值、泡沫經濟、未能掌握到數位時代的來臨等因素,但也跟南韓崛起有密切關係。除此之外,美國為了拉攏中國大陸加入西方的民主陣營,以對抗俄羅斯,於90年代中開始,想辦法促成中國以開發中國家加入世貿組織,中國因而受惠於自由貿易,經濟崛起,也獲得不少來自西方的尖端技術。然而,中國還是決定要走不一樣的路,與美國抗衡,也導致近來的科技制裁,尤其在半導體領域。台灣的半導體產業則完全不在美國的戰略架構下,所獨立發展出來的,但是跟美國也脫離不了關係,因為我們的人才養成及技術來源,很多都來自於美國。經過了幾十年的努力,台灣是個擁有半導體馬蹄釘的國家,現在我們忙著到全球各地幫馬匹們釘馬蹄釘,因為這些國家認知馬蹄釘就是國家安全。但是一旦這群馬匹都有了牢固的馬蹄鐵,我們的國家安全是否因此失去保障?事實上,半導體產業是最不需要去客戶端就近設廠,服務國外的客戶,因為半導體本身就沒有關稅,而且又輕薄短小,一個紙箱就可價值數百萬美元。在《拿破崙》及更早的《滑鐵盧戰役》電影中,都描述在滑鐵盧戰役,起初法軍是佔上風的。但在中午過後,拿破崙因為身體不適,一度將指揮權交給副手,因而出了亂子,其所倚重的騎兵大量地損失,再加上敵軍增援部隊的來到而落敗。所以一個公司甚至一個國家,指揮權的轉移是非常的關鍵。我們的馬蹄釘不多,國家安全要有保障。
2024/1/18
崛起中的中國第三類半導體產業
不久前我請教台灣一位長期投入碳化矽(SiC)元件開發的教授,我問他,你使用過不同廠商的基板,哪一家的表現最好?因為碳化矽基板佔其製作好晶圓成本的一半以上,而且又是技術難度最高的部分。他莞爾地對我說,要說實話嗎?他的結論是中國的表現最好,而且價格最具有競爭力,台灣生產的及美國的次之,美國廠商因為是IDM,最好的基板大都留給自家用。幾個月前有2則新聞吸引我的注意,一則是德國英飛凌(Infineon)與中國的山東天岳、北京的天科合達,簽訂碳化矽基板長期採購合約,現階段供應6吋晶圓,而未來將是8吋。2家公司是目前中國碳化矽基板的主要供應商。另一則新聞是歐洲的意法半導體(STM)與廈門的三安光電,計劃在重慶建1座8吋碳化矽晶圓廠,劍指中國蓬勃發展中的電動車產業。三安也規劃自建1座8吋碳化矽基板的生產基地。英飛凌與意法,佔碳化矽元件及模組全球市場50%以上比例,而意法更是率先在2018年供應Tesla Model 3碳化矽元件,此舉正式引爆碳化矽風潮。目前全球碳化矽基板的需求量每年約50萬片,以6吋為主流,七成以上由美國的2家廠商所供應。中國市佔率大概10%,但是隨著產能逐漸開出,以及中國在電動車的強勁需求,預估中國碳化矽基板的全球市佔率,很快會超越5成。現在碳化矽產業目光的焦點在於8吋晶圓開發,傳統6吋以下的成長單晶柱(ingot)的方法,是使用蒸氣的昇華法,將6吋的seed wafer置於上端,利用高溫爐內材料的蒸氣附著於上端晶圓的表面,而得以成長晶柱。此方法最大缺點,乃晶柱成長速度慢且晶柱長不厚,若運用此法在成長8吋的基板,將更形捉襟見肘。上述中國的2家供應商已開始使用新的液態成長法,來成長碳化矽8吋晶柱。此法較接近一般矽晶圓的晶柱成長,在上端可以使用較小尺寸的seed wafer來成長8吋的晶柱,由於不需要到氣態,成長的溫度也可以較低,同時速率較快,晶柱也可以厚些。但是液態成長法需處理液態材料與固態晶柱的介面,在溫度梯度的控制要非常精準,這恐怕不是一般商用爐子能做到的。因此推論中國供應商已經具有自建精確溫度控制爐子的能力,事實上一家產能夠規模的碳化矽基板廠商,是需要上千台的高溫長晶爐,因此自建高溫爐是必要的選項,這方面中國的供應商是做到了。我們再來談另一個第三類半導體氮化鎵(GaN)。不久前的一則新聞,美國一家氮化鎵元件主要供應商EPC,向美國聯邦法院及國際貿易委員會(ITC),控告中國的英諾賽科侵害其在氮化鎵元件的專利。事實上英諾賽科從2023年第1季開始,其在氮化鎵元件的營收已經躍居全球首位,其在珠海及蘇州各有1座8吋氮化鎵專屬的晶圓廠,以及超過20部有機金屬化學氣相沉澱設備(MOCVD)成長氮化鎵的磊晶片。目前月產能為1.5萬片,佔了全球總產能一半以上,預計在2025年英諾賽科產能要擴充到每月7萬片,以此推估需要70部MOCVD機台。英諾賽科有別於其他主要氮化鎵供應商,其商業模式是IDM,在成本上相對是有優勢。相同的元件規格,比其他供應商的價格低30~50%。氮化鎵元件在2年前,因為65W的手機快充電源插頭熱門一時,如今市場比較低迷。但是近來在人工智慧(AI)伺服器所需的直流電源轉換,對於中低壓氮化鎵的需求正在崛起,這部分需要操作在較高的切換頻率,及更大的輸出電流,正符合到氮化鎵的物理特性。如果氮化鎵的價格有機會降到略高於矽基功率元件,毫無疑問氮化鎵的需求是會起飛的。在第三類半導體研發上中國也是不遺餘力地投入。以大學為例,幾所著名的大學,如北京清華、浙江大學、西安交大、成都電子科大,甚至南京航天,都成立關於第三類半導體的研究群,訓練出眾多的碩博士生投入相關的產業。每年IEEE功率半導體最主要的會議ISPSD,中國的高校在第三類半導體的議題上,貢獻一半以上的論文。中國第三類半導體廠商的確接受政府為數不少補助,才得以建立今天的產業規模。從已公布的財報而論,山東天岳及天科合達本業都是虧損的,英諾賽科離損益兩平是更遙遠。在此情境下,各家仍卯足全力來擴產,似乎是不理性的行為。但是綜觀中國過往在太陽能、LED甚至鋰離子電池,在市場還在萌芽之際,便積極地投入產能,只要這個產業的成長性是可被預期的,假以時日,中國擁有這產業的半壁江山,就具有充分話語權。台灣該如何自處呢?在此態勢下。多年前個人就說明了,第三類半導體產業需要供應鏈的垂直整合,而在台灣卻缺乏政策上有效的支持,現在再來談,為時有點晚。我們只有期望在全球兩大陣營的僵持下,我們想辦法能左右逢源,但這可以維持多久呢? 
2023/11/24
神奇的韋伯紅外線太空望遠鏡
2023年9月下旬,媒體報導韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope;JWST)探測到木星的第二號衛星(木衛二,Europa)的表面冰層,有二氧化碳的蹤跡。科學家長期以來認為在木衛二及土衛二(土星的第二顆衛星),其表面冰層下因為引力的作用,存在著豐富的海水。這兩顆衛星是太陽系內除了地球外,最有可能存在生命的星球。土衛二在先前已有NASA卡西尼(Gassini)太空船飛越,偵測到其表面有碳、氫、氧、氮甚至磷等,構成生命必要元素,而此次木衛二是經由太空望遠鏡的觀測而獲得。韋伯太空望遠鏡自從2022年發射升空後,除了提供了更遙遠星際的清晰影像外,由於其主要觀測的光譜位於近紅外線(near IR;NIR,波長0.6~5微米),及中紅外線(Mid-IR;MIR,波長5~28微米),可見光波長是在0.4~0.7微米,因此對於天文學家研究宇宙的形成、星系的演化及探測可能的生命,提供必要工具。除了影像的提供外,韋伯太空望遠鏡也內建分光儀,可以做光譜分析,恆星的發射光譜或者行星的吸收光譜,舉凡二氧化碳、氫分子或者甲烷等,都逃不過它的利眼。韋伯太空望遠鏡是如何做到的?這個偉大的計畫是為了接續第一代的哈伯(Hubble)太空望遠鏡而成立,從構想到實現超過20年的功夫,總耗費100億美金,由美國、歐洲及加拿大三個太空單位合力所完成。韋伯太空望遠鏡是為了紀念美國在執行登月阿波羅計畫時期,NASA的主管James Webb而命名。韋伯與哈伯除了偵測的光譜不同外,哈伯以可見光為主,兩者所運行的軌道也不一樣。哈伯是位於地球上空約550公里的高度,相當於現在低軌衛星的距離;韋伯太空望遠鏡卻是位於離地球150萬公里的超高空,是月球與我們距離的4倍遠。為何會放在那麼遠的太空?原來那個區域是個所謂被引力遺忘的角落。十八世紀2位偉大的數學家Leonhard Euler以及Joseph-Louis Lagrange,已計算出在地球運行的軌道面,有5個區域是太陽與地球引力互相抵消的地方,這150萬公里的高空是離我們最近,且同時可以背對著太陽、地球及月球,可以避免三者所造成的光害。哈伯因位於低軌道,因此時時受到這三個星球不同引力的影響,需要使用燃料噴氣,來調整望遠鏡本體的姿態及角度。韋伯沒有此一限制,可以讓望遠鏡的生命週期更久。但是低軌道的哈伯是太空梭可以抵達的地方,可以進行必要維修,韋伯可就沒有這個福分了。記得哈伯在剛運作時,影像是模糊的,原因是鏡片有2微米的誤差,後來是透過太空梭及太空人實施必要更換,方能正常運作。韋伯的核心是NIR以及MIR鏡頭,這兩段光譜是如何被吸收而轉換為電訊號,傳回到地球?這裡就牽涉到2種不同的半導體材料。作為紅外線的光偵測器,這分別是NIR的碲化汞鎘(Hg1-xCdxTe;MCT)以及MIR的Si(As doped)。MCT乃化合物半導體,一般大眾所熟悉的化合物半導體是IV-IV(四四族)的SiC, SiGe,或者III-V(三五族)的GaAs、GaN,而MCT卻是II-VI(二六族)。II-VI族半導體其共價鍵愈弱,而離子鍵愈強,因此不論在晶體或磊晶的成長,或是在製作元件上就更具有挑戰性。這兩種紅外光偵測元件,分別是由2家位於美國加州,專業於光偵測器的公司所研發完成。MCT藉由改變x的組成,也就改變半導體的能隙(bandgap),因此可將光偵測元件的吸收光譜的臨界值,由波長0.8微米(x=1)調整到5微米(x=0.3);Si(As)則是利用砷摻雜在矽半導體內,所需要的游離位能(30-40 meV),當作MIR的吸收能階,使得元件得以吸收28微米的紅外光。然而這2種紅外光的偵測器,都得在極低的溫度下操作,尤其是Si更是需要在絕對溫度10K以下的超低溫工作。韋伯在面對太陽的一面,溫度常會超過攝氏50度,科學家們利用特殊的材料,製作出大面積且極薄的光罩版,阻絕太陽的光及熱,使得在很短的距離內,溫度可以下降300度,讓這兩類的紅外光偵測器,才得以正常的工作。30年前當筆者剛任教於國立中央大學,參與部分中研院天文所的無線電天文望遠鏡的計畫,時任中大校長的劉兆漢先生就告訴我,天文觀測所使用的技術都是最尖端的科技,劉校長本身是位太空科學專家。這件事發生在中研院的次毫米波無線電天文陣列上,也同時見證於韋伯紅外線太空望遠鏡上。
2023/10/19
半導體與貝爾實驗室
2023年7月28日台積電盛大地慶祝其永久性研發大樓的落成,過去台積電的研發中心都是跟著不同的廠區而遷移,逐水草而居,如今擁有永續基地。這棟大樓可容納超過7,000名研究人員,而台積電的研發經費,多年來都佔其營收的8%。以去年(2022年)超過730億美元營收,研發經費就將近55億美元。所以創辦人張忠謀特別提到,台積電的研發經費,遠遠超過麻省理工學院(MIT)1年約20億美元的研究經費。董事長劉德音在研發大樓落成慶祝儀式中,特別提到希望將台積電的研發中心,打造成台版貝爾實驗室。貝爾實驗室這座我學生時代心目中的科學聖地,是造就15位諾貝爾獎得主的殿堂,包括2位華裔的崔琦及朱棣文教授。研究半導體的學者若此生沒到過貝爾實驗室做過一段時間的研究,如同伊斯蘭教信徒沒去過麥加朝聖般。貝爾實驗室的經費來自於母公司美國電話及電報公司(AT&T)。1982年全盛時期,貝爾實驗室經費是16億美元,員工2.2萬名,其中博士學位者超過3,000人。當時AT&T年營收是347億美元,佔當時美國GDP的1.1%,所以貝爾實驗室的研發經費是AT&T營收的4.6%。1984年因為反壟斷法的關係,AT&T拆分7家獨立的區域型電話公司,從此貝爾實驗室的經費及重要性開始走下坡,如今已成為諾基亞(Nokia)旗下一員。眾所周知電晶體的發明,誕生於1947年的貝爾實驗室,除此之外MOS電晶體、非揮發記憶體floating gate、半導體雷射,甚至於也拿過諾貝爾獎的CCD元件,皆出自於貝爾實驗室,當然還有更多在半導體領域重要發明。延伸報導台積電全球研發中心啟用 張忠謀透露台灣成全球兵家必爭之地的關鍵 (新增影片)貝爾實驗室從1940年代,一直到1990年代,在半導體領域的研究上一直是獨領風騷。MOS電晶體以及其所衍生的CMOS,是所有積體電路以及分離器件中最被廣泛使用的元件結構,於1959年由Mohamed Atalla以及韓裔的Dawon Khang(姜大元)博士在貝爾實驗室所共同發明。MOS元件的特點在於,在電晶體的控制端—閘極(gate)金屬下方成長一層薄的二氧化矽絕緣層,可利用絕緣層的電容來控制輸出的電荷量,同時不會有電流流進閘極。當電晶體尺寸愈做愈小的同時,MOS所消耗的功率愈少,而操作的速度就愈快,成就摩爾定律,也造就今日世界。現今半導體兩大記憶體分別是DRAM以及Flash(NAND、NOR),DRAM是1966年由IBM所發明,其作用是將電荷儲存在矽半導體所製作的電容內,並由電荷電位的高低決定記憶的位元是0或1。但是半導體內的電容很容易漏電,隨時得補充電荷以維持記憶狀態,一旦關掉電源記憶隨即消失,故被稱為揮發性記憶體(volatile memory)。Flash是非揮發性記憶體(non-volatile memory),即使無電源供應,記憶狀態依舊保持。其中最關鍵的結構floating gate,是施敏教授(S.M. Sze)與姜大元博士於1967年提出。此架構是將儲存電荷的閘極,完全包覆在二氧化矽絕緣層內,不會有漏電流發生,而電荷是利用量子穿隧效應(tunneling)注入進floating gate。據施敏教授口述,他是在實驗室大樓自助餐廳看到鮮奶油蛋糕,在蛋糕內的層與層之間,塗了一層薄的鮮奶油,激發floating gate這個創意。此一重要創舉,第一次投稿時卻被學術期刊的編輯退件,最後是刊登在貝爾實驗室所辦的學術期刊內。談論到施敏教授,必須得提他所著作的《半導體元件物理》(Physics of Semiconductor Devices)一書,該書是是半導體領域的聖經。我在研究所時讀的是1981年的第二版,全書有880頁。有一整年的時間對我而言,幾乎是晨昏定省,從第一章第一節,研讀到最後一章完。到後來整本書的封皮都剝落了,有時讀累了就趴在書上小憩,書本中難免夾雜個人的汗水及口水。施敏教授是向貝爾實驗室申請,全職來寫這本書,這本書內容廣泛且論述清晰,尤其參考資料非常豐富。《半導體元件物理》不僅是本教科書,也是做研究所需的入門書籍。據他本人描述,所收集的論文資料,堆起來有一個人高度。施教授寫書的時候,在他的書桌旁放了一個字紙簍,如果他看不懂的文章就丟到裡面。他說如果連他都看不懂,那很難有人會懂了。據統計在美國有4成科學家,其出生地非來自本土,相信在貝爾實驗室的比例更高。Atalla出生地是埃及,姜大元博士是南韓,施敏教授出生於南京,在台灣完成大學教育。即便連兩位因CCD發明而獲得諾貝爾獎的 Willard Boyle及 George Smith,前者也來自於加拿大。惋惜的是在南韓被視為國寶的姜大元博士,不幸於1992年在結束學術會議,返家途中昏倒過世,否則也極有可能獲得諾貝爾的殊榮。最後,我們祝賀台積電研發中心的落成及運作,也期望一如貝爾實驗室能吸引國際一流人才進駐,引領半導體相關領域的研究,邁入下一個新紀元。 
2023/9/27
AI風潮引爆矽光子應用
2023年9月的SEMICON Taiwan會議中,矽光子(Si photonics)技術引起熱烈討論。在9月5日「矽光子國際論壇」中,筆者也受邀與台積電、日月光、工研院、美國Cisco及日本愛德萬測試(Advantest)的專家同台,主持人是日月光執行長吳田玉,共同討論矽光子技術在人工智慧(AI)世代中,所能扮演的角色。以下是個人在這個議題中,所表達的看法。眾所周知,矽光子技術已經發展超過20年,主要是利用CMOS成熟製程,將處理光訊號所需的光導管、調變器、光柵、耦合器,甚至光偵測器等主被動元件整合在矽基板上。目前唯一無法整合進矽基板者,是半導體雷射,因為涉及到不同的材料系統,只能以封裝的方法處理。矽光子基板負責將光的訊號轉換為電訊號,此為接收端,發射端就是將電訊號經由雷射轉換為光訊號。由於使用成熟半導體製程,在微小化、集成度、量產的良率,甚至成本都具有優勢。再加上使用光訊號,對比於電訊號,又有著高頻寬、低延遲(low latency)以及低功耗的優勢。自從光纖通訊在1980年代被引進之後,一直擔任訊號傳輸的角色。初期在人類使用數據量還不大的時候,光通訊運用在長距離的傳輸,如海底光纜、大都會地區的網路。隨著數據量的提升,光通訊開始進入區域網路。近來生成式人工智慧(generative AI)的興起,最大的數據產生及傳輸量是發生在AI伺服器之間,因為任何一個大型的模型,都包含數百億個參數,而每次訓練所要花費的算力是驚人的,這些都依賴晶片彼此間的平行運算以及數據交換。拜半導體先進製程之賜,目前處理或計算1個指令,只需要1~2 nsec的時間;但是數據傳輸速度的增幅,卻永遠跟不上算力的增加。光是在光纖內運行1公尺距離會產生5 nsec的延遲,因此AI伺服器的算力有相當的時間在等待數據而停滯。若改用電訊號來傳輸,等待的時間就更久了。解決之道當然就是將轉換光訊號的裝置,愈靠近CPU/GPU/ASIC晶片愈好,以改善訊號延遲,這中間最好避免掉電路板。因此,co-package optics(CPO)包含矽光子基板,便應運而生。CPO目前主力是放在交換器(switch)內,將矽光子基板與處理電訊號IC晶片,以堆疊(stacking)的封裝方式結合,再連接上光纖,比鄰於各式IC處理器,這就是最靠近及最低延遲的選擇方案了。在2000年代中期,IBM在其年度的技術展望(Technology Outlook),特別提出光連結(Optical interconnect)為未來技術的重點。IBM非常自豪於技術上的預測,也表示自己從來沒有預測失敗過,有的只是發生時間的早晚。彼時並不知道會有AI運算的蓬勃發展,也不清楚半導體的技術會進展到3奈米以下。但是很明確的是,人類在數據傳輸的使用量會持續地增加,而矽光子技術將在光連結上扮演重要的角色。當時光連結的提出,也不清楚是會發生在晶片與晶片間(chip to chip)訊號的連結,還是載板之間(board to board)訊號的連結,或者是伺服器架間(rack to rack)的訊號連結。如今伺服器架間的訊號連結,甚至於架上的層與層之間(unit to unit),已經廣泛地採用光連結技術。而晶片之間訊號的連結,已經被台積電的先進封裝技術3DIC/CoWoS/chiplet/fabric,使用電訊號交換給解決了。接下來的重頭戲會是載板之間的訊號連結,目前的主力還是使用電訊號的連接,至於光的連結就拭目以待。CPO結合矽光子技術,提供AI風潮中提升數據傳輸速度的最佳解決方式,這對於產業生態鏈卻是一個巨大的改變。傳統使用插拔(pluggable)光模組的生態系,並不會坐以待斃。在今年(2023)的全球光通訊大會(OFC)上,linear-drive pluggable optics(LPO)即受到廣泛的注意,被視為傳統勢力的一大反撲。Linear-drive的概念是拿掉插拔光模組內re-timer/DSP功能,而增加在ASIC內訊號處理的負擔,如此便減低模塊內的訊號延遲及功耗。因此之故,可以再往前推進1~2個世代的產品,而整個產業生態鏈不會有太大的變化。如同半導體製程所使用的浸潤式DUV微影設備,在不改變DUV曝光機的生態下,又往前推進幾個世代,直到EUV曝光機接手。矽光子CPO的世代終究是會來臨,若LPO順利推展,可能會使發生的時間延後。事實上,linear-drive的概念亦可以使用在CPO上,如此不論在訊號延遲及功耗上,又會有更佳的表現。本文感謝與鄭鴻儒博士的討論。
2023/9/15
科學家,核子武器與政治
利用周末時間觀賞剛上映的電影〈奧本海默〉。在當學生的時候,就聽聞過「奧本海默事件」以及在美國的「麥卡錫主義」(McCarthyism),但這次是以奧本海默(J. Robert Oppenheimer)本人為中心,以電影手法完整地交代事件始末,包括二戰期間製作原子彈的「曼哈頓計畫」(Manhattan Project)。在二戰前,整個學術的重心都在歐洲。Oppenheimer在完成哈佛大學學業後,就負笈歐洲,最後在量子力學大師Max Born的指導下完成博士學位。通常博士候選人,都會被口試委員嚴格且鉅細靡遺地拷問,其目的是要讓新科的博士們知道:你的學術生涯才開始,不要太得意。但據聞Oppenheimer的口試很快就結束,其中一位委員說,還好我溜得快,Oppenheimer已經開始質疑口試委員了,由此可見其桀傲不遜的個性。曼哈頓計畫是由愛因斯坦(Albert Einstein)具名,寫信給美國羅斯福總統(Franklin D. Roosevelt),憂心納粹德國已經領先發展毀滅性核分裂武器所衍生而出,並由Oppenheimer擔任製作原子彈的計畫主持人。然而在第一顆原子彈還未試爆完成前,納粹德國就投降了,但日本還在頑強抵抗中。當時科學界開始遊說,希望停止曼哈頓計畫,但接任羅斯福的杜魯門總統(Harry Truman),為了減少美軍在太平洋戰爭的損失,先後丟擲2顆原子彈在日本的廣島與長崎。片中有一段敘述Neil Bohr訪問洛色拉莫士(Los Alamos),帶來納粹德國在發展核子武器的最新訊息,而納粹計畫主持人正是另一位量子力學大師Werner Heisenberg。Heisenberg在核分裂的理論計算上犯了個錯誤,導致納粹原子彈的發展受挫,而他本人在二戰後表示其有意拖延納粹在這方面的進展,但這至今仍是個科學懸案。美國最後能領先納粹德國製作出原子彈,除了Oppenheimer主持的曼哈頓計畫外,另一位關鍵人物是義大利裔的費米(Enrico Fermi)博士。費米博士恐怕是物理學史上,最後一位在理論與實驗都有傑出表現的科學家,就如同棒球場上的二刀流。費米博士在芝加哥大學足球場看台的地下室,建立核子分裂的反應堆。在最後關鍵時刻,他親自核對計算及調整實驗的反應堆,完成了人類第一次能夠控制且持續核子分裂的鏈鎖反應。實驗成功之後,對外所使用的暗語是義大利航海家登上新大陸。芝加哥大學在足球場原址也立了個紀念碑。Oppenheimer最終在戰後因被認定為共產黨的同路人,而被剝奪在原子核領域接觸新知識與發展的權利。影片中的泰勒博士(Edward Teller),被譽為氫彈之父,在曼哈頓計畫與Oppenheimer有不同的意見,執意要發展核融合的氫彈,導致他在戰後Oppenheimer的聽證會上,做出不利於Oppenheimer證詞,而後不見容於學術界。泰勒博士本人在四十多年前,曾受邀訪問台灣,全程由浦大邦博士陪同,訪問全台多所大學。當時我才大三,但有機會與泰勒博士近距離的接觸,並得到簽名及合照,他非常津津樂道與楊振寧教授的師生關係。在當時戰後的芝加哥大學,楊教授原本希望跟費米博士研習實驗物理,因為要建設中國需要實作為基礎,但無奈其動手做實驗的火候不夠,最後泰勒博士說服楊振寧教授跟他做理論的計算。當時,我們曾問泰勒博士在研究過程中,是否會因遭受挫折而產生低潮,他的回答居然是,我從沒經歷過低潮時刻。無獨有偶地,舊蘇聯時期的物理學家Andrei Sakharov,因為從事氫彈的開發,被譽為是蘇聯的氫彈之父。之後他本人開始致力於限制核武器的擴散,成為人權鬥士,卻不見容於蘇聯當局,而長期被軟禁在一小公寓內。他於1975年獲頒諾貝爾和平獎時,蘇聯甚至拒絕他出境領獎。不論是Oppenheimer、Heisenberg以及Sakharov,這幾位參與毀滅性核子武器的科學家,當初都基於愛國情操而參與,最終卻是由政治凌駕一切。Oppenheimer在甘迺迪(John Kennedy)總統時代被平反,而Sakharov在戈巴契夫(Mikhail Gorbachev)當政時也被平反了。但是遲來的正義會是正義嗎?李遠哲院長有次在訪問以色列,晚宴席中他請問鄰座政壇人士,如何解決以色列與巴勒斯坦間的問題?對方回答,你們科學家就只想要解決問題,我們政治人物是要與問題共處的。試想如果問題都解決了,就不存在政治人物了。愛因斯坦在美國使用原子彈結束二戰後接受訪問說,沒想到他們政治人物真的使用原子彈,我寧可去當個修錶匠,內心充滿著無奈。
2023/8/1
中國管制鎵出口對供應鏈的影響
日前中國政府無預警地宣布,鎵與鍺金屬將採行出口管制。頓時媒體大篇幅報導,尤其著墨於這是中國政府對美、日及歐洲,在半導體上的諸多對中國限制的一項反擊。鎵與鍺都是半導體領域中重要的材料,尤其是中國產量佔全球8成以上的鎵,更具有關鍵的地位。整個供應鏈開始嗅到緊張的氛圍,擔心供貨受到影響。化合物半導體中,砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)及氮化鎵(GaN)都需要使用鎵的金屬,相關的產品則包括5G手機RF功率放大器、寬能隙功率元件、LED及半導體雷射等電子及光電元件,影響所及不可謂之不鉅。鎵對供應鏈的影響可分為2類,其一為基板,另一則是磊晶層。基板的厚度通常在500微米,而磊晶層厚度則在幾十微米,甚至10微米以下。磷化鎵基板使用量較少,而氮化鎵沒有基板,所以在基板的供應上,就以砷化鎵為大宗。日本的住友(Sumitomo)、美國的AXT以及德國的Freiberger,為主要的供應商;3家業者主宰砷化鎵基板全球市場已超過30年,是個穩定且成熟的市場,每年的產值大約3億美元。近10年來中國的紅色供應鏈,已開始進入砷化鎵基板的市場,台灣的晶圓代工及LED廠已有使用,品質及價格都有競爭力。倘若中國開始管制鎵的出口,短期內上述的3家公司會受到些影響,但對整體供應鏈影響不大。中國供應商要擴充砷化鎵基板的產能,並非難事。鎵金屬在磊晶的供應鏈上,中國能發揮的影響力就更弱了。因為幾乎所有相關的磊晶層,都是經由有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)來完成,而參與反應的主要化學品為三甲基鎵(Trimethylgallium;TMG),TMG的供應商都來自歐美及日本。若中國管制鎵的出口,首當其衝的會是中國上千台的MOCVD,以及整個化合物半導體產業。談完了鎵,我們來看看氮化鎵的供應鏈。Yole最近的報導指出,中國英諾賽科的氮化鎵元件產值,在2023年第1季首次超越PI、EPC、Navitas等美國為主的元件設計公司,而且英諾賽科是自有的8吋晶圓廠,產品涵蓋高壓及中低壓元件,並以IDM的方式與使用6吋晶圓代工的上述美國公司競爭,高下自然不言而喻。過往晶圓代工廠,為了讓老舊的6吋廠有新的商機,因此引進氮化鎵元件。然而十幾年過去了,6吋廠在良率及成本上,一直無法有效改善,導致現今氮化鎵最大的瓶頸,就是價格過高,市場開拓有限。英諾賽科的商業模式,在初期雖然有相當大的資本投入,但未來的營運是會漸入佳境,我們且拭目以待。氮化鎵是一個卓越非凡的半導體材料,不僅是因為其具有寬能隙特性,還有1項特質是其他種類的半導體所沒有的。一般的半導體,每產生1顆電子,就會伴隨1顆帶正電的離子產生,當我們希望元件內有更多的電子或者電流,正離子就更多,電子會遭遇到更多的散射(scattering),電子遷移率便降低了,最後導致電流增加的有限。氮化鎵元件內的電子,是由晶體的極性(polarization)以及磊晶層之間的應力所造成,因此沒有正離子,所以既使存在很高的電子濃度,電子還能夠維持相當的遷移率。這對於元件的導通電阻及切換速度,都有著顯著的改善,這正是電源轉換系統最重要的兩個特性。個人之前的文章,曾以此兩種特性,對比於矽基板元件。在650V元件,氮化鎵擁有矽元件的10倍優勢;到了100V元件,此優勢降為3倍;30V元件優勢仍然有30%。所以氮化鎵元件應該被廣泛使用於電源轉換系統,然而現今最大的障礙就是成本,氮化鎵的成本要能夠降為一半,就非常有競爭力了。這有賴在供應鏈上使用8吋的晶圓廠,以及增加MOCVD每台的磊晶產能。中國政府對於鎵的出口管制,是經過深思熟慮的決定。一方面可以雄壯威武地回應西方國家及日本的制裁,但另一方面卻不會對產業鏈造成過多負面的影響。畢竟中國對於化合物半導體產業,是有完整的戰略布局。 
2023/7/11