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林育中
  • DIGITIMES顧問
現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。
量子點以及其應用
2023年諾貝爾化學獎,頒授予Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus以及Alexei I. Ekimov,表彰他們在1980年代發現和合成量子點(for the discovery and synthesis of quantum dots)。  大概念來說,量子點是人工製造的「原子」(artificial atom)。  20世紀迄今,人類文明發展大幅度的依賴於電磁學,包括它所涵蓋的電荷、磁、自旋、電磁波等諸種現象。對於用於承載、操控這些現象的物質,我們對其瞭解的基礎知識是量子力學以及電磁學。人類對於這些性質的應用,大都是順從自然的安排。譬如矽的帶隙能量(energy gap)為1.12 eV,積體電路的柵極電壓就設為比這數值稍高,用以開關電晶體。又譬如DUV雷射光源的氟化氬(ArF;Argon Fluoride)分子的能階間隙是6.42 eV,所以ArF DUV曝光機對應的波長就是193奈米。換句話說,人類雖然開始掌握關於物質的部分知識,但是對於這些知識的應用,人類過去大致上是聽從自然的安排,至少在那些物質的特性參數是如此的。 如果我們想「設計」物質的基礎特性呢?譬如它的光、電荷、自旋等性質時呢?我們用以建構的基礎單元—也就是類似樂高的積木塊—仍舊是自然的原子及其形成的分子,只不過這次要使用基礎單元數目要多得多,1個量子點可能要使用100~10,000個原分子來建構,這樣製造出來的量子點大小直徑在數奈米至100奈米之間。我們的付出的代價是較複雜的製作程序,以及較為龐大的單元尺寸;收益是可控、可設計的量子點的光、電、自旋等特性。這些特性可以藉由量子點的大小、組成材料、形狀等來調整其內部能階,而能階正是物質的量子特性之一,是以名之。 可以設計出人工原子,自然也可以設計出人工分子、乃至於超晶格(superlattice)等更大尺度的結構。 量子點的製作材料過去以II-IV族、III-V族為主,譬如硫化鉛(PbS)、硒化鉛(SePb)、硫化鎘(CdS)、硒化鎘(CdSe)、碲化鎘(CdTe)、砷化銦(InAs)、磷化銦(InP)等。  但是II-IV族量子點多含重金屬,譬如鎘與鉛,對環境相當不友善,所以顯示器中的量子點目前正轉向III-V族的量子點,譬如磷化銦(InP)、硫化銅銦(CuInS)等。而III-V族量子點如當成生物中的體內(in vivo)當感測器或成像使用,可能有毒性或致癌,因此目前正尋找其他材質如矽、碳等,或者加以表面修飾(surface modification)以製作安全的量子點。  量子點的應用非常廣泛,包括顯示器、單電子電晶體(SET;Single Electron Transistor)、太陽能電池(solar cell)、LED、雷射、單光子光源(single-photon sources)、二次諧波生成(second-harmonics generation)、量子點量子位元(quantum dot qubits)、生醫研究裡的感測器及成像(imaging)等。  量子點顯示器已經商業量產,製造方法與LCD差不多,只不過LCD中用來當背光(backlit)白光LED改為藍光的量子點。製作流程先是在基板上以有機金屬化學氣相沈積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;MOCVD)製作藍光量子點,於這層之上製造並排的綠光量子點及紅光量子點當彩色濾光片,另外留一處空缺透藍光,形成RGB三原色畫素。  量子點顯示器有深黑色(deep blacks)、最佳視角(optimal viewing angle)、原始色彩(pristine colors),較省電、高色彩飽和度(saturation)、較寬色域(wider color gamut),壽命亦較長。目前市場上的競爭對手是OLED,但是未來解析度再走向8k以後,暫時沒有能涵蓋如此廣泛色域的對手。  量子點的2個前瞻性應用,分別是生物醫療研究與量子計算。  量子點於生物中可以用於成像、標記(label)、運送(delivery)、感測等功能。量子點具有明亮且穩定的螢光,而且可以調整其顏色,還可以附加功能基以鎖定特殊標靶。由於其尺寸僅數奈米,不僅微米級的動物細胞可以輕易解析,連尺度與其相當的蛋白質也可以用量子點來標記研究。  一個有趣的應用領域是用來研究腦細胞及功能,這個研究領域又終將回饋到人工智慧(AI)、類神經晶片(neuromorphic chips)、腦機介面等競爭激烈的尖端科技新領域。  只是如前所述,量子點於體內毒性的問題需要先澄清並克服。  量子點量子位元是被寄予厚望的量子計算技術,因為它不只是半導體相容的技術—它本身就是半導體技術。如果原型開發成功,它可以立即利用目前成熟的半導體生產體系快速投入量產。  目前的量子點量子位元是自旋量子元(spin qubit),即量子點中約束1個電子,而且這個電子的自旋的狀態可以被操控、測量,當成量子位元使用。  量子點量子位元的技術發展面臨的主要挑戰,是量子點量子位元之間不易形成量子糾纏,目前可以相互糾纏的量子點量子位元數一隻手數得完。不容易被環境干擾的量子位元,也意味著不容易與周遭的量子位元形成量子糾纏。這是典型的工程問題—權衡兩難以最佳化。 量子點此次獲得諾貝爾化學獎實至而名歸。它發現人工原子,使得人類擁有更進一步操控微觀世界的能力,它對文明及經濟的貢獻已經開展在照明及顯示器上,而它又可以成為促成其他領域新發現的工具,這些都是典型得獎作品的印記。  
2023/10/23
同步輻射能當曝光機光源嗎? (二)
同步輻射所產生的光,是由電場加速帶電粒子因而產生輻射產生的光,不像雷射是利用原子天然能階之間的躍遷(transition)產生的相干光(coherent light),光源波長是可以控制、設計的。同步輻射產生光的波長,從遠紅外(far infrared)至hard X-ray,大約是10幾微米到0.01奈米,這波段已足以處理矽基半導體製程的所有波長需求。高於DUV波長的光就不必討論了—已有既存成熟的設備,不必再重新發明輪子。可以討論的是現在EUV波長波段,以及將矽基半導體推向物理極限的幾奈米波長的光。用同步輻射做為光源有個明顯好處,即為光的亮度充分。只要加速器中心能穩定控制的電流夠大—就是電子夠多,輻射光的亮度便充分—這個可以立刻解決現在EUV產量不夠好的窘境。另一個好處是光源成本的下降。一個同步輻射圓形加速器至少可以有十幾、廿個出光口。一個同步輻射加速器要多少經費呢?1980年代台灣開始建造同步輻射時,預算是幾千萬美元;雖然後來還有追加預算,平均一個光源才數百萬美元的成本。對於現在價格動輒上億美元的曝光機台,這個成本不算是錢。但是同步輻射光源也面臨現在EUV因光的能量較高,容易被物質吸收的問題。如果波長更短,問題愈嚴重。同步輻射在解決高能量光源會被物質吸收的問題上,可用的光徑安排方式有幾個。第一個,自然是與EUV相同的反射式鏡面。但是因為波長不同,材料和鍍膜必須要再調適;第二個,還是用透鏡,但是透鏡材質變成矽或鍺,這樣也能聚焦X-ray;第三個,是波帶片(zone plate),片上有多個不同半徑同心圓上的狹縫,X-ray通過波帶片產生繞射(diffraction),因而聚焦。以上都是同步輻射既有的光學元件。但是同步輻射是儀器(instrument),而曝光機是量產設備(equipment),二者要求的精度、可靠性、成本等有巨大差距。同步輻射要做為曝光光源有2個大挑戰。同步輻射基本上是個圓形加速器,出光口散布在圓周週邊,這個格局與現在的晶圓廠的布局(layout)天差地別。如果使用同步輻射,會大幅更動晶圓廠的運作方式,甚至是一些介面規格。這也是當初半導體產業選擇使用現在EUV的理由之一。EUV雖大,但是長的方方正正的,而且每部機台獨立運作。第二個挑戰是維修時的停機時間(downtime)。設備維修,停機理所當然。但是同步輻射加速器的維修會導致每個出光口同時停機,晶圓廠就處於關閉狀況。在半導體產業眼中,這是只有在災難時才會出現的狀況。半導體產業的邏輯一般是將既存的技術和設備榨出最後一滴價值,最大幅度的降低設備折舊(depreciation)與技術攤提(amortization)。所以現在曝光機的發展主流是盡其所能的提高EUV的亮度以及解析度,並且佐以其他非曝光手段如奈米壓印(nanoimprint)與定向自組裝(DSA;Directed Self-Assembly)等方法,以期能夠支撐到矽基精細元件的物理極限。如果最終還是需要同步輻射來推進解析度,是否花巨大的研發經費來開發,只供一、兩個技術節點使用?這對於半導體產業將是個很艱難的抉擇。
2023/10/16
同步輻射能當曝光機光源嗎? (一)
這是近日網傳的議題,只是中國官方已經出面正式否認。這座高能同步輻射光子源(High Energy Photon Source;HEPS)是位於北京懷柔的中科院高能所正在興建中的第四代同步輻射裝置(Synchrotron Radiation Facility)。中科院高能所於1984年開始在北京玉泉路興建第一代裝置,以後迭有升級。這已經是近40年前的舊事了。同步輻射是高能物理實驗儀器的另類應用。原先的應用是利用電場加速電子,利用磁鐵彎曲電子行徑,並依圓形軌道運行。加速後的帶電粒子對撞生基本粒子,主要是魅夸克(charm quark)。由於帶電粒子被加速時會放出電磁波—也就是光,同步輻射裝置也可以利用這些光探測材料及生物結構,這是目前的幾個應用範疇。但是現在談及要被應用於半導體製程中曝光機(lithography equipment)的光源了。考慮用同步輻射來當曝光機光源絕對不是新鮮事,X-ray光阻早在80年代就是研究的題目。90年代業界在考慮未來半導體曝光機的光源時,EUV和同步輻射都是曾被考慮的方方向。當初美國國防部高等研究計畫署(DARPA)選擇EUV,但是也有其他公司選擇同步輻射,譬如IBM。在重新檢視同步輻射是否適合當曝光機光源時,讓我們簡單回顧一下EUV的幾個特性。EUV一般是指波長於121~10奈米的光,波長再短就是X-ray了。在EUV波長區域,並沒有天然的材料與機制可以產生雷射光,現行的13.5奈米 EUV是以二氧化碳雷射照射掉落的錫液滴(tin drop)所激發的次級光源。由於EUV光的產生程序複雜,光的頻率集中的程度遠不如使用雷射光源的DUV,亮度(luminosity)也遠遠不如。亮度不足,曝光時間就需要較長,影響曝光機產出(throughput)。由於EUV光的能量較DUV高,容易與物質—特別是傳統的透鏡(lens)材料—發生反應而被吸收,光的傳遞依賴於多個有多層鍍膜(multi-layer coating)的反射鏡(reflection mirror)組成光徑(optical path)並聚焦。對於半導體產業而言,這是一個全新的光學系統,這也說明為什麼EUV要發展20餘年,最終才得以商業化的原因。即使用反射鏡來建立光徑,垂直鏡面入射的光線仍然會被部分吸收。因此,光線最好以與鏡面垂直線傾斜6、7度的角度入射。由於這個傾斜入射角,整個光學系統的數值孔徑(NA;numerical aperture)就比較難極大化,目前的EUV其NA=0.33,與DUV的NA可以高達1.2、1.3存在巨大的差距。而數值孔徑與解析度(resolution)成正比。這是個關鍵的光學特性。由於目前EUV波長已經一口氣推進到接近X-ray波長的上限,再要縮短波長恐怕要用新的物理機制產生新的光源—那可能是另一段20年艱苦的研發旅程,所以目前產業界的努力都集中2個面向,增加NA和增加產出。增加產出是個多面向的工作,包括增加光源的亮度、改變光阻的化學組成等;增加NA可以在不必縮短波長的狀況下增加解析度,目前的計畫是從NA=0.33增加為0.55。以目前13.5奈米波長的EUV大概能做到哪個技術節點?這點是整個半導體產業共同的關心。當初在討論DUV之後的曝光機光源時,當時已有摩爾定律已日暮的感覺,雖然之後又奮力推進這麼多年。理論上,一個光源的解析度大概在光源的半波長。譬如第二代DUV ArF(argon fluoride)的波長是193奈米,理論解析度就只有96.5奈米。但是透過多重曝光(multiple exposure)、過刻(over etch)、相位移(phase shift)以及浸潤(immersion)在水中改變光的折射率(refraction index)等工程手段,193 奈米 DUV目前可以處理到7奈米的節點,問題是波長13.5奈米的EUV可以推進到哪一個技術節點?要注意的是現在邏輯製程的節點與早年以電晶體實際的通道長度(channel length)為命名已有所有不同,7、5奈米的通道長度在10奈米以上。目前節點是以1個晶體的總體表現,如速度、功率、熱耗散、面積等因素來命名。這問題可以從問題的另一端來思考。如果精細結構裝置仍然以矽晶為基礎、以電磁學為控制手段,那麼矽基元件(silicon-based devise)的最小尺寸是可以粗估的。矽的共價鍵長度為0.111奈米。要組織一個元件的功能部分(silicon-based devise)—譬如通道—至少要有幾十個原子的內部,要不然物質表面的性質可能就會影響物質內部應有的性質,因而影響元件預計的工作特性。幾十個的矽原子就是幾奈米的長度了,離現有的EUV的理論解析度尺度並不遠,這也是當初產業界一口氣將波長推進至13.5奈米的考慮。如果對原分子的控制可以更精細、物質的表面性質可以被精確掌控,因而使用較少的矽原子也可以構成有效元件,這時在半導體製程演化至物理的自然極限前,光源的波長還留有一個小窗口,這個窗口的候選人之一就是同步輻射的光。
2023/10/11
我的德國同事們 (二)
我在台德合資公司的工作職責之一是策略談判,譬如技術授權、合作開發、產能保留等合作。每隔一陣子就得和德國的夥伴談判,協商新的合約。德國公司規模大,連談判都有專業隊伍。主要談判成員由一個資深的美國人帶頭,主要負責美洲業務。另外有個英國人,負責歐洲業務;一個日本人,負責亞洲業務。奇怪的是,整支隊伍沒有任何德國人。經側面瞭解,德國人認為自己不擅於談判協商,所以策略談判隊伍清一色地由外國籍員工擔任,這真是自知之明。我過去的個人的談判經驗是德國人思路條理分明,但是想定的事便不容易改變軌道,對於談判中主要牽涉的利益交換形式也比較缺少彈性。有一次談判其中主要的商業條件談判已經完成,只待合約文字敲定。德國公司只派了一個德籍的內部律師來敲定文字。談了一天,走不了兩、三個條款,馬上面臨跨越不過的天塹,只好要求德方另派代表。一直以來與德國公司的談判,我們都處於弱勢方,沒想到對方居然欣然同意這個請求,換了一個奧地利籍的外部律師,這可是要額外付費的。這表示德國人也明顯知道他們不擅之處,這是「自知者明,自勝者強」了。也談一下德國同事們對我們的看法。第一任執行副總在任職期滿後,公司高管為他踐行。問他對台灣的觀感,他的回答是:「似乎台灣工程師喜歡承擔一些風險,但是奇妙的是他們總是能完成。」臨別無惡言,但是聆聽到的絃外之音是台灣工程師—至少他經驗過的—比較不一定照「規矩」。我也知道他對於在蓋廠之初我們從空無一物的潔淨室到裝機、接管線、冲管、試機、建立一條單一機台式產線(single tool line),直到產出第一顆工作晶粒(working die)總共只花了92天,看得目瞪口呆的,這當時是世界紀錄。總要回到時事,今昔對照。台灣的企業在全球供應鏈重組的過程中,無可避免的要觸及供應在地化的議題。如果在歐洲要選擇一個晶圓製造廠的廠址,我的首選是德國德勒斯登(Dresden)。這是上述合作德國公司的主要製造基地,另外還有幾個其他半導體公司於此設廠。從業人員、基礎設施、供應商群聚等條件早已成熟完備。新聞媒體報導稱當地作業員無法接受兩班制輪班,從來不是問題。德勒斯登半導體建廠、運作已有多年,自然有當地能接受的運作模式,剩下的只是適應和成本效率問題,這非艱難的管理問題。但是工會的確是個需要慎重對待的問題,尤其台灣企業過去比較少處理這類問題。歐洲的法律普遍注重勞工權益,政府獎勵條例也常圍繞著聘僱人數來訂定。工會本身的作為也經常能影響公司的重大決策。那家德國公司的工會在董事會中就有幾個席位,據說是以員工的退休基金取得公司的股權選出來的。一般而言,退休基金要求投資風險較低的標的,而投資自己公司的股票是將所有雞蛋放在同一個籃子中:公司狀況不佳時,工作和退休金會同時受影響。但此為工會在影響力與風險之間的抉擇,而且也真的派上用場了。德國公司的執行長最後被走人,報導的原因之一是與工會不睦:執行長不滿意德國的高營業所得稅,揚言要將總部外遷,這下可惹惱工會。執行長能遷,大部分的員工可遷不了,只好讓執行長自己遷了。千萬妥善應對工會,要不就終將成為最大負擔(liability)。
2023/9/26
我的德國同事們 (一)
我曾經服務於一家台德合資公司,經歷締盟、合作、對簿公堂又握手言和的各個階段。對於德國同事們,我有遠較於刻板印象(stereotype)深刻的體驗。平地起工廠,待到可以遷入時,幾乎所有自己有辦公室的德國同事們書架上都滿布資料夾。資料夾有幾種顏色,連空的文件夾上的標簽都預先貼好,彷彿一上任就有一個預設的工作框架,一切井然有序。在那個尚無雲端硬碟的年代,對於文件和資料分類和儲存的如此執著,令我驚異著迷,立馬學了起來。後來,果然派上用途了:在訴訟的過程中,我找到一份他們沒有儲存的關鍵檔案—這份文件雙方用傳真往來,而傳真用的是感熱紙,用三孔夾釘孔不太順當,德國同事因而沒存留;我卻是一以貫之,硬是比他們多存了這一份!這是師夷長技以制夷。說是德國團隊,實際上派遣人員(assignees)是以德國人為主的多國籍人員團隊,最多的時候合資公司有十幾個國籍。這樣的合資公司以英文為官方語言,乃理所當然的事,這自然包括公司的規章、資料、文件、檔案以及會議語言,貫徹的程度可能超過現在很多正在全球布局的公司之努力。這家德國公司內部當然也使用英語。在它成立的170餘年中,曾經設立超過1,000家子公司,並在全球超過190個國家營運,以英文為公司官方語言的政策早已行之有年。但是令我印象最深刻的是連2個德國人之間的電子郵件也全使用英文。有一次,派遣團隊的在地最高指揮官執行副總,在一件事情的協商中要爭取我的同理心,拿了他的電腦顯示他們公司營運長給他的指令:You must support xxx!一連串的電子郵件全都是英文的書信往來。這種嚴格貫徹到公司最頂層的全球化政策,銘刻到骨子裏了。除了駐地執行副總之外,幾乎每個派遣人員都聘請中文教師於公餘閒暇時間學習,這似乎是公司鼓勵的政策。除了全球化的措施外,駐外人員的在地化似乎也是公司的政策之一。進駐廠房之後不久就過年了,然後初五依例祭祀開工。這位執行副總神態自若的加入拜天公的高管行列中。基督徒不持香,卻也禮敬如常。據我所知,這是他首次被外派到華人地區,舉止卻從容自若彷彿預演過似的。後來才知道,這家在全球營運的老牌德國公司,內部聘有幾位文化人類學專長人士。除了平常參與各地市場行銷、政府關係等與在地文化密切相關的事務外,另外就是為外派人員準備好融入駐地的教材,這已是德國公司行之有年的做法。事實上日本甲午之戰後接收台灣時,已先後在1895、1896年派遣伊能嘉矩、鳥居龍藏2位文化人類學家來台灣打頭陣,了解風俗民情,做為治理的基礎,這比我們時至今日才開始想聘地緣政治專家早了足足一世紀有奇。德國公司先後派了3個女性技術副總來台,先是技術移轉、後來共同研發。第二個女性主管的經歷頗有啟發性。她比另外兩位年輕許多,技術根底紮實。除了有時候愛使小性子外,沒什麼好嘮叨的。大概是她在此地任職的績效優異,任期滿後轉任德國公司座落於法國的另一個合資晶圓廠總裁,居然讓這廠轉虧為盈—在法國欸!值得一提的是她接受的是德國雙軌技職系統(duale ausbildung)教育,一面在工廠任職、一面在學校接受課堂教育拿的博士學位。這就是這幾年產業界熱議的技職教育體系。要設計、執行如此的技職教育體系並不難,不容易的是產業怎麼對待技職體系教育出來的學生。社會及產業必須能公平對待各種教育體系出來的學生,技職體系才有可能生效。這是為什麼德國技職教育屢屢為人稱道,而台灣技職教育瀕於消失的原因。這家德國公司向我展示雙軌技職系統如何奏效的精髓。 
2023/9/25
越南的半導體旅程
在全球供應鏈重新布局之際,越南成為電子製造加值鏈的一個新環節,並為越南發展半導體意向增添幾分想像。半導體的發展,可以依靠的不是終端消費市場,而是電子系統的大量製造。半導體的幾個較發達的地區,從美、日、台、韓、中等無不經歷此一過程。如此才有辦法解釋為何台、韓規模不大的國內終端消費市場,最終撐起如此巨大的半導體產業。越南人口近億(約9,950萬人),倍於台、韓,全球電子製造加值鏈的移轉也是重要新節點。目前越南半導體產業已開始發展IC線路設計,如FAP(Financial and Promoting Technology;一家大型的資訊服務公司)與國營的越南電信(Viettel)下的設計事業群/子公司。半導體製造方面已先進入後段領域,英特爾(Intel)已在河內投資封裝測試廠,而且宣布將擴大投資。三星電子(Samsung Electronics)的封裝測試廠設立於北部太原省(Thai Nguyen Province),2023年第3季已開始量產FC-BGA(Flip Chip-Ball Grid Array)。Amkor於北部北寧省(Bac Ninh Province)設立的封測廠將於第4季開始量產。這幾個大廠的設立顯現出「北記憶體、南邏輯」的格局。至於半導體製造的核心晶圓廠,越南政府在優先次序上是置於IC設計之後的,據說是由於先進晶圓廠投資金額較龐大、生態環境要求比較嚴格、需要較長期技術累積的理由。但是上述的理由只適用於邏輯先進製程的12吋廠,對於毋需依託於先進製程的領域如半導體功率元件、矽光子等,這些原因並不太會形成巨大的進入障礙,這些領域是可以現在優先考慮的。以寬帶隙(wide band gap)半導體為例,目前次產業的形成還在初期,先進者並無太明顯的先發優勢,加上產業的競爭方向比較傾向於材料的研究,較少競逐新製程開發,研發經費並不需要在經營體量形成規模經濟後才能累積足夠盈餘、自主研究,因此目前進入此領域也比較有機會在競爭過程中逐漸趕上領先族群。以越南這樣一個半導體製造領域的新進者,在目前的既有的條件下應該先做幾件事。第一,是立法投資獎勵條例。目前越南並無類似的法令,也許有補助金,但是以行政命令補助,與依法規補助,對於投資者的風險評估是天差地別。特別是在目前的世界競爭格局之下,要建立、或者是要重新建立半導體製造能力的國家幾乎都動用國家資本、以法令規範行之。補助辦法就是一個費時的研究專案,不同的補助辦法會導致不同得結果,而且有些是出乎預期的。兼之立法也需要時間,即使越南半導體製造能力發展優先次序排列較後,獎勵補助條例依然是馬上要開展的事。第二,是提升目前既存的科技園區,或者建立專用半導體園區,直到能支持晶園廠能運作的規格。科技園區是越南行之有年且有成效的措施,譬如Amkor的封測廠就設立於安豐工業園區(Yen Phong II-C Industry Park)之中。但是晶園廠有獨特的需求,譬如極穩定的電力供應、特殊氣體等。政府預先完成的基礎設施對於投資評估是另一項吸引力。第三,是人才培育。人才培育需要先行於產業發展,而且前置時間長。大部分的人才培育需要公權力的運作,這也是馬上要做的事。要切入半導體製造環節並且在其中存活下來當然不是容易的事,上面列的也只是必須先行的幾項。但是也有要注意的地方:在政府的支持下仍然要保持合理的市場競爭,以刺激整體產業的活力,此乃半導體產業協會(Semiconductor Industry association;SIA)對印度政府的忠告,我相信對越南也受用。
2023/9/13
印度半導體獎勵政策與發展策略 (二):以營利為導向的策略
半導體的產業發展其實是一個產業持續累積資金的過程,而只有盈利的企業才能夠累積資金、擴大規模,最後足以用於自主研發,追上位於產業前沿的競爭對手。政府補助只能當成產業啟動器(jump starter),卻不能持續用於續命。美國半導體協會(SIA;Semiconductor Industry Association)之前訪問過印度,給印度政府的建議之一是保持市場競爭性。唯有如此,才能培養出能長期在世界市場競逐的公司和產業。一個產業的發展可能以十數年計。如果將容易進入營利的狀況的因素納入發展策略中考量,產業先發展領域的選擇也許會與目前印度電子與半導體協會(India Electronics and Semiconductor Association;IESA)的建議不同。譬如擴大自有產品IC線路設計公司的佔比。印度有豐沛的IC線路設計人力,至去年(2022年)為止,從業人員已達5.5萬人,佔世界IC線路設計從業人口約20%,人力資源充沛。IC線路設計工作也與基礎設施較無關係,而且印度IC設計次產業已運作多年,大部分的障礙顯然已經成功被排除。另外,相對於半導體製造,IC線路設計計所需的投資顯然較小。惟印度龐大的專業隊伍目前從事的業務大部分是IC設計服務,只有較少數的公司提供自己的產品。擴大自有產品IC線路設計公司在整個產業中佔比,乃相對而比較容易成功的一種做法,而且所需的發展時間較短。利用正在逐漸移入印度的電子系統製造業的半導體需求所創造出的市場,可以提供自有產品IC線路設計公司的發展機會,這可以替代前述的政府銷售補助或策略性採購的鋪貼。某種程度也提高半導體自給率。在發展IC線路設計產業的同時,對比在特定地點政府先行集中建設必要的半導體製造基礎設施,並且培養半導體製造及製程、材料研發人才,這些都是比較耗費時間的工程。這樣的發展順序雖然對於半導體製造能力的取得過程看起來比較迂迴,但是商業成功的機會較高,而且稍後的半導體廠也在設立後不必同時面臨基礎設施缺乏、人力資源短缺以及半導體製程量產同時的三重壓力。半導體產業加值鏈長、面向廣,後進者不可能同時間開啟多條戰線。好的發展策略自然是依託自己已經具備的優勢點、面,順勢擴大在整產業中的競爭優勢環節。最後要強調一下,半導體產業的最基礎本質是營利事業,不是軍工業。標定取得某種特定技術卻無法形成良性商業循環、自我支援持續發展到最有競爭力的領先群,如此發展策略容易導致失敗,也不乏前例。制定產業發展策略以及相關的獎勵政策時,須將欲扶植的次產業可能獲利因素,放在更為優先的政策考量順序上。(作者現為DIGITIMES顧問)
2023/9/5
印度半導體獎勵政策與發展策略(一):獎勵政策與發展意向
印度內閣在2022年9月21日發布〈Modified Programme for Development of Semiconductor and Display Manufacturing Ecosystem in India〉,用以支援其成為電子系統設計及製造(Electronics System Design and Manufacturing;ESDM)的世界樞紐(global hub)願景。企業投資印度的常有顧慮之一,乃基礎建設不足問題,則由於2020年4月1日公布的〈Modified Electronics Manufacturing Clusters Scheme〉(EMC 2.0)及其中的Common Facilities Center(CFC)來支持。先說基礎建設不足的問題,單只是政策及補助是不容易見成效的,因為基礎設施有很多部分不單只是投資可以解決的。譬如半導體所需要的高壓線及水源,廢水、廢棄物處理,乃至於環保法規,都需要公權力的行使。這個部分由政府主動地作為先行啟動計畫、集中於一處提供較完整的產業基礎設施、形成聚落等,是比較有效率的作法,可以省卻投資者決策過程中的疑慮,並且加速投資決策後漫長的準備、申請程序。此類作法早有成功的先例,譬如台灣的科學園區,或者是中國的一些高科新區,都是政府先完成基礎設施再招商,讓企業的考慮單純多了。至於發展半導體產業的部分,這個獎勵條例可能有點誤導之嫌。半導體與顯示器雖然享有部分類似製程,卻是兩個截然不同的產業,產業的業務模式競爭樣態差別甚大。不然也很難解釋為何中國在發展半導體和顯示器兩種產業,呈現截然不同的結果。將兩種產業的獎勵政策以分別的條例來規範是比較安全的做法。印度有興趣的半導體製造領域包括幾類:第一類是邏輯,雖說是所有技術節點政策都支援,現在看來40奈米僅是可以接受,目標應該放在28奈米;第二類包括化合物半導體、矽光子、感測器(包括MEMS)和離散元件(以下統稱特殊產品類);第三類是封測。對線路設計另有獎勵辦法,包括對獎勵設計產業基礎設施(infrastructure)的〈Design Linked Incentive Scheme〉條例,補助設計相關支出的50%;以及支持設計實施(deployment)的〈Deployment Linked Incentive〉,補助淨銷售金額的4~6%。印度電子與半導體協會(India Electronics and Semiconductor Association;IESA)對政府的建議是依次發展封測廠、特殊產品廠,最後才及於先進製程廠,由易至難,看起來井然有序。先進製程方面,IESA建議聚在28奈米上,這是摩爾定律發展過程中每一個電晶體製造成本最低的製程。先發展封測的原因是投入較少、僱用較多人數,次而特殊產品的原因是因為這些工藝過去的發展期較短,比較有機會迎頭趕上。但是,如此簡化的觀點顯然忽略規劃產業發展應考慮入的細節。誠然,特殊產品的工藝有很多是8吋廠的製程,在傳統半導體的製造工藝上看來並不太困難。但是這此特殊產品的晚出現,也有它的道理。譬如化合物半導體的SiC,出現在軍用電子產品已有多年,但是SiC晶圓生產困難,良率較低,以至於現在用SiC做的功率元件,其晶圓成本還佔元件製造成本的一個相當百分比。類似這樣的例子不勝枚舉。也就是說,單只是從半導體製程的先進與否來探討產業發展策略,並非是一個全面的衡量標準。製程簡單而晚出現的產品自然是有其他的障礙妨礙它的問世,所以要進入這些領域要有其他投入的準備,譬如半導體材料的研究與開發。即使被視為第一步的封測,也要有類似的心理準備。
2023/9/4
假如室溫超導體是真的?
Nature News在2023年8月16發表的新聞以〈LK-99 isn’t a superconductor — how science sleuths solved the mystery〉為題,引用許多驗證實驗的文獻,對於前一陣子在國際學術界、產業界引起的室溫超導體騷動,算是暫時劃下休止符。超導體在其臨界溫度(critical temperature)下要同時具有2個物理特性:1. 零電阻,所以電子在流經超導體時不會發熱。2. Meissner effect,當有外加磁場時,磁場無法延伸入超導體內。我們經常看到的科普片中一個超導體懸浮於磁鐵之上,即為此一效應的視覺展示。超導體現象的發生以前,是需要極嚴苛的周遭條件,譬如極低溫或極高壓。也有理論來描述這現象:BCS理論(Bardeen-Cooper-Schrieffer theory)來描述,這是1972年物理諾爾獎得獎作品。需要極端低溫的環境下,才發生超導現象嚴重的限制超導體的應用—因此從1911年發現超導體現象迄今,物理學家致力於發現臨界溫度較高的超導體的材料。這百年最標幟性的突破是Georg Bednorz與K. Alex Muller於1986年發現的陶磁超導材料(1987年諾貝爾獎得獎作品)及隨後朱經武的釔鋇銅金屬氧化物(Yttrium Barium Copper Oxide)。之後雖然有新材料持續提升臨界溫度,但是關於其物理機制存有分岐,沒有令人一致信服的理論。這其實很大程度的減緩臨界溫度的提升—沒有理論基礎的實驗嘗試,有時看來像是煉金術。Nature News的文章用那些檢驗實驗的結果,簡單解釋為何LK-99非超導體:南韓團隊所看到的部分懸浮(partial lifting)現像是鐵磁(ferromagnetism)機制;材料本身其實是絕緣體。看到的電阻在特定溫度下驟降,乃因樣品中摻有硫化銅的雜質,在那特定溫度時硫化銅產生相變,造成電阻驟降。沒有雜質的樣品,是看不到電阻驟降的現象,這就暫時結論學界目前的擾動:LK-99不是室溫超導體。但是如果真有室溫超導體,最該立即投入研發的應該是半導體產業。半導體發展迄今,各方向發展的瓶頸幾乎都集中於散熱問題。半導體發熱的來源,簡單歸結有2個。首先,是電晶體於0與1狀態切換所需的能量,每次運作大概花1 fJ(femto Joule,10的負15次方)。看起來數量級很小,但是考慮到現在1片晶片上電晶體的閘極數(gate count),動輒以tera(10的12次方)為單位;而電晶體的運作速度可以達到ns(10的負9次方)等級,也就是每秒最高可以有10兆次運作,發熱量便相當可觀。但是,更大的發熱源是焦耳熱(Joule heat),也就是當電子通過金屬時因為電子碰撞晶格產生的熱耗散。這個熱耗散存在於晶片與晶片之間的金屬連線,譬如資料在CPU、DRAM、NAND Flash之間的穿梭來回—這其實是一個電子系統中最大的熱耗散來源,也存在於單一晶片之中。現代的IC晶片中有許多的信號線和電源線。現在的新工藝之一:晶背電源分配網路(BS-PDN;Back-Side Power Distribution Network),將供應電晶體運作電源的線路從原先的金屬線上層,移到晶圓背面,使之比較接近坐落於晶圓底面的電晶體。單只是這樣的縮短電源線的長度,就能大幅降低晶片的功耗和熱耗散。假如室溫超導體存在,最該立即投入研發的應該是半導體產業。單只是以室溫超導體材料替代目前單一晶片中的金屬連線,以及在先進封裝中用以連絡晶片之間的連線,如此造成的導體價值增進就遠超過目前所知超導體的其他的應用價值。當半導體產業製程微縮的路走得日益艱難,先進封裝以及新材料必須分擔半導體創造新價值成長的責任,而室溫超導體顯然是新材料領域中,可一舉解決目前半導體各方案中最大的共同瓶頸—熱耗散問題。雖然此次的挫敗顯示室溫超導體的路途還長,但是室溫超導體的利益巨大,作為已走到世界最前沿的幾個半導體龍頭企業,前瞻研究中室溫超導體可以開始考慮涵蓋此一議題了。 
2023/8/29
產品標準規格對現代半導體產業景觀的形塑 (四):統一標準建立的挑戰
車用半導體零件標準制訂,存在一定的挑戰。第一個自然是供應鏈區域化的趨勢。車聯網是未來汽車發展的基礎框架,目前中國已在多地建立車聯網的先導區。中國系統以外的市場是否會採用相同或類似的標準呢?存疑。這可能分裂未來的產業統一標準,乃至於市場。第二個挑戰是雖然電動車銷售量已超過1,000萬輛,但是產品的概念仍存在高度流動性。也就是說,電動車/自駕車的產品概念仍在快速演化之中,這也不是全然的向壁虛構。電動車/自駕車目前的演化方式像過去的手機,最大程度的將既存的可攜電子系統全部吸納進系統中,多少也會依存於既定電子系統的標準。譬如網路的技術無論如何,也是要基於現行5G技術標準,只是特化於汽車的應用,這樣車聯網的技術就有粗略的一個技術標準框架了。但是電動車/自駕車更精細的功能猶存有相當的空間,車用半導體零件標準制訂必須對這些創價空間留存彈性。挑戰還來自半導體本身技術的快速進展。半導體技術不再只依循製程微縮的單一增值路徑,增值的方法另外還有使用新材料、先進封裝等方法。以已經使用先進封裝多年的CIS (CMOS Image Sensor)為例,這是在汽車中已經開始提高用量的感測器。目前的CIS至少包含畫素陣列(pixel array)及影像訊號處理器(ISP)2個晶片,以先進封裝的方式相結合。由於先進封裝技術的進展,堆疊3個、4個晶片—譬如再加上DRAM以及做邊緣計算(edge computing)的邏輯晶片—乃至於更多的晶片,都可能在可見的未來發生。封裝後的產品,不只是效能參數改進的問題,更是功能變化、擴充的問題。雖然過去其他產品標準的訂定也會配合半導體製程的演進而漸進式修改,譬如SDRAM、DDR、DDR2、DDR3 等的演化,但是總體的架構變化是漸近式的,而且每次標準的使用也穩定好一陣子,系統和半導體零件業者都可以使用新標準獲得相當回報。然而,車用半導體的變化有可能比較快速而激烈,這對於半導體零件標準制定形成挑戰。做為系統廠商的汽車廠商要垂直整合半導體到哪一個價值環節比較有經濟效益?如果不考慮地緣政治的因素,我認為到ADAS 或L3、L4自駕晶片的設計也許是個好的界線,這是總結手機公司發展經驗可以得到的結論。整合到此部分,系統公司已足以掌握系統核心價值的創造,譬如Tesla的半導體垂直整合目前便止於L4的晶片設計。如果汽車公司再深入半導體製造部分,就容易面臨要同時具備多種核心能力-包括汽車設計、製造與半導體製造-的挑戰。而半導體的環節也必然會面對規模經濟不足的窘境,畢竟競爭對手是不會採用對手設計、製造的半導體零件的。以此來考慮車用半導體零件統一規格標準,在汽車的ADAS/自駕晶片定義介面標準會是一個比較合適的起點。從此以下的半導體零件,制定較為有彈性的架構及可靠性規格。講架構是因為半導體技術部分還存有流動性,架構性的標準比較容易去接納新的技術以及相應的新增產品功能;可靠性更多的是針對汽車安全的相關規格。衆所周知,汽車對於安全性的要求近乎完美,而可靠性只是對於安全性的基礎要求之一。當硬體的標準訂定之後,車廠比較能減少責任的風險,它也會讓法律的修訂、保險產品的設計因有硬體的依據加快進行,而這些非技術的因素是自駕車正式問世的最大難題。
2023/8/24