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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。
先進微影技術發展(二):奈米壓印與定向自組裝
除了純粹光學的方法外,還有其他方法也可以用來定義半導體的精細圖案。奈米壓印微影(Nano Imprint Lithography;NIL)也發軔於90年代中期,至今還未進入量產,但是其解析度經驗證已可達10 nm以下。NIL的操作是先以電子束微影(electron beam lithography)在「光罩」(其實更像是模版)上寫下欲轉錄圖形的陰刻,然後壓印在已塗佈低粘度(low viscosity)的「光阻」(這物質其實與光敏無關,只是用來抵擋蝕刻)的矽晶上,讓光阻流入圖形陰刻中的溝槽後,以紫外光照射用以固化(curing),形成光阻覆蓋圖形。後續的工作就如同一般的製程一樣,開始蝕刻光阻未覆蓋的區域。NIL有能力用來製造出3D圖形。如此操作可以省卻複雜的光源及龐大的透鏡/反射鏡所組成的光學系統,而且在關鍵層(critical layer)可以只用1次操作完成,所以預期的產量較高。一個微影系統的能力通常以圖形化(patterning)、疊加(overlay)以及量產能力(throughput)來評估。其中圖形化是指生成所需圖形的能力,主要是解析度;而疊加是指上下2層圖形的對齊精準度。目前的進展是對於3D NAND產品NIL的圖案化及疊加能力已達滿意程度,等待量產能力達標後,即可投入產線。對於DRAM,圖形化能力已達14 nm (1a)節點,疊加能力猶待展示;記憶體是NIL比較可能的先期應用。NIL技術主要由日本所開發,佳能(Canon)在90年代未能接受美國授權EUV技術後即轉向NIL方向發展。晶圓廠方面,東芝(Toshiba)於2000年初即投入研發。目前威騰電子(Western Digital)想收購東芝的原因除了擴大生產、研發的規模經濟外,東芝擁有NIL技術、可用於投入MRAM的生產也是吸引力之一。另外,中國也開始投入NIL的研究,這是中國半導體技術自主化中的一環。定向自組裝(DSA;Directed Self-Assembly)是與前述2種技術完全不同概念的運作,DSA也發軔於90年代中期,其時複雜系統(complex system)領域中的熱門研究題目之一是元胞自動機(cellular automata),它是指一個單元可以用簡單規則建立一套複雜系統的模型,DSA就是藉助此概念所發展出的方法。如此跨領域創新,在半導體學院可教不來。 光學微影(photolithography)與NIL都是從上而下(top-down)來定義圖形,亦即圖形先從巨觀尺度定義完成後再去處理圖形中的內容物質;而DSA則是由原分子階層由下而上(bottom-up)組成所需圖形。  DSA使用嵌段共聚物(Block CoPolymers;BCP)當成主要材料,常用的材料為聚苯乙烯嵌段聚(甲基丙烯酸甲酯)[poly(styrene-block-methyl methacrylate);PS-b-PMMA]。DSA是2條互斥(repulsive)的高分子鏈以共價鍵銜接在一起,對於其他的化學物質有不同的親和性(affinity),這是用來操縱形成不同圖案的主要機制。DSA亦可形成3D圖形。DSA的實際運作首先要形成引導圖形(guiding pattern)—引導BCP自組裝成需要圖形的外在框架,有2種主要方法:圖形外延(graphoepitaxy)以及化學外延(Chemoepitaxy)。前者是先以微影方式定義引導圖形(guiding pattern)的3D拓樸形狀,譬條狀平行溝槽,然後在溝槽壁上或溝槽底部塗佈上特定化學品,沉積BCP於其上。2條高分子鏈中的1條對於以塗佈的化學品具有高親和性,黏附於其上,剩下的就靠高分子之間的自組裝,形成需要的圖形;化學外延則是在基板上直接塗佈較高密度的化學品,剩下的也全靠高分子之間的自組裝機制。DSA既然也需要微影技術來定義圖形,為什麼還需要DSA?原因是DSA自組裝形成圖形的密度較微影技術為高,目前DSA的解析度已達12.5 nm,而且還在繼續向下發展。DSA搭配EUV、做為增強EUV解析度的手段是目前考慮的使用方向之一。相對於NIL,DSA還需要更長的時間才會成熟量產。DSA在量產的2個預期的主要應用為線/間距(line-space)和接觸(contact)圖形,前者是記憶體金屬層的最關鍵技術,因此記憶體公司對DSA的投入較深。目前的微影技術其實離最終極的原分子尺度並不太遠,但這並不意味著對於原分子尺度的運作操控將止步於此。像NIL與DSA都跳脫傳統光學微影系統的思維,利用新的物理、化學機制與材料,更多基礎科學的投入才能容許半導體產業走更長遠的路。延伸報導先進微影技術發展(一):既有設備路徑的延伸
2023/3/24
先進微影技術發展(一):既有設備路徑的延伸
微影技術是半導體產業用以定義精細圖案的主流手段,目前最先進的技術是極紫外光(EUV),最近的量產設備為ASML 的TWINSCAN NXE:3600D。使用的光源是由二氧化碳雷射打到錫(tin;Sn)電漿(plasma)後,產生13.5 nm的極紫外光。數值孔徑(Numerical Aperture;NA)為0.33,這個數值反比於解析度(resolution,或為Critical Dimension;CD);微影技術中NA愈大愈好。其解析度為13 nm,生產能力(throughput)每小時可以處理160片晶圓。這機型支援7奈米、5奈米製程的量產。有一個常有的誤解,是5奈米製程其實並不代表其解析度恰好為5 nm,這數字是技術節點(technology node)的名稱。過去此數字的確是代表此一製程的臨界尺度,譬如邏輯製程的閘極長度(gate length)或者DRAM的半金屬間距(half metal pitch)。但是現在電晶體3D化、製程變得複雜,節點的命名代表的是依照摩爾定律演化曲線投射的電晶體數目、電晶體開關速度、功耗的等效名稱。微影技術的後續發展呢?據ASML最近的財報表示,改進的方向是往增大NA的方向,從目前的0.33增大為0.55,後者稱為高數值孔徑(high NA),可以進一步提高解析度。另一個方向是增加生產能力至220片,降低晶圓廠生產成本。理論上一個光源的解析度為其波長的2分之1,譬如EUV現在的光源波長為13.5 nm,理論上其單次曝光的殼達到的最佳解析度約略小於7 nm(重複曝光可以進一步改善解析度)。用較短波長的光源藉以達到更高解析度是以前理所當然的路徑,微影機的光源一路從g-line(436 nm)、h-line(405 nm)、i-line(365 nm)等可見光進展到KrF(248 nm)、ArF(193 nm)的深紫外光(DUV),主要的進展都是靠縮短光源波長來改進解析度的。但是從DUV遷移到EUV牽涉到結構上重大的變革,有2個重要因素。在光源方面,沒有自然的原分子可以被激發後釋放出EUV,所以必須以二氧化碳雷射去多次激發錫電漿。另外,EUV被幾乎所有的東西所吸收,包括空氣以及石英(以前用來做光罩的材料)、透鏡等,所以所有的EUV光學系統都得改成在真空中以鏡子反射式的呈像,這是一個顛覆式的重大變革。EUV的研究肇始於1990年代初,當時DUV的半導體量產機台還未導入量產呢!之所以要花20幾年的時間來研發,因為是對一個更精密系統的重新創造。而且目前的EUV是一步到位的研發。EUV的定義是波長落於10~210 nm之間的光,目前EUV的波長13.5 nm已在EUV定義的邊緣,波長再短就是x-ray了。到那時候又是另一套全新系統的開發。X-ray 也會被空氣吸收,而可能的光源之一是1990年代就提議過的同步輻射,那可又是一場全新的遊戲。所以沿著光學微影方向發展的下一步呢?比較大的可能是超高數值孔徑(hyper NA),NA=0.75,這可以讓解析度比目前至少再提高個2倍。配合其他常用的製程手段,譬如多重曝光、過度蝕刻等,看能否接近矽原子的天然解析度極限。這個路徑雖然是演化式的,但是研發經費仍然是天文數字。後面有沒有足夠的高階應用來分攤這前頭的龐大研發經費,這是個經濟問題。 
2023/3/23
電動車電池(二):研發競爭與地緣政治
美國能源部公布自2008年至2022年以來,電動車電池的價格下降89%。降價的2個主要原因是因為量產以及電池技術的進步。量產的驅動力來自於電動汽車量的增加,而規模經濟的效果自不待言。技術的進步值得一提,其中研究主軸自然是材料,但範圍包含廣泛的電化學、電極材料、電解液、催化劑、機構、監控等。在這統計的14年中,不僅奈米科技一日千里,容許工程人員對微小物質的操控,而且這段時間也是材料科學成長出新的研發臂膀期間,理論的新手段如第一原理計算(first principles calculation)、機器學習乃至量子運算等,紛紛被應用到電池材料的研發。這些手段在進入實驗之前,可先預測目標材料種類及特徵參數,實驗結果往往也與預測相近,這些開發手段的改變大幅縮短開發時程、降低開發的經費。掌握這些新研發方法,乃電池研發競爭的主軸之一。車用電池發展與注重企業ESG的年代也重疊,因此企業經營必須將整個生態環境計入經營考量,企業再無外部成本可言。鋰離子電池中使用較多的鋰、鎳、鈷等金屬,如果按照目前的使用效率及市場成長估算,目前已知的礦藏量可能在10年後告罄,所以分級使用以及資源回收勢在必行。譬如電動車電池在充電率降至90%之後,經廠商修整再移至再生能源當儲能設備使用,最終進入資源回收的循環。電動車電池一直存在著地緣政治的議題,主要原因是電池是電動汽車的核心,而中國掌握全世界60%電池組製造,高度集中的比例在今日地緣政治的環境下,令人擔憂電動車電池也會被用來做為戰略槓桿工具。筆者有幾個理由,認為這是過慮了。第一個原因是原材料。世界的鋰礦藏大部份在南美洲三國:玻利維亞、阿根廷、以及智利,其次是澳洲。中國有70%的原材料依賴進口,但是中國對於礦藏本身可能擁有部分所有權。如果鋰離子電池一旦升級為戰略物資,各國普遍有政府可以徵用的法令,啟動槓桿戰略的可能,中國自己先反受其害。第二個理由是中國雖然電池組產量佔全世界60%,但是電動車產量亦佔50%以上,而且上升勢頭甚猛,譬如2022的出口輛數就較2021的多1倍。在自己使用供需略近平衡的狀況下—而且電池成本目前佔電動車成本近40%,本身價值不菲—將電動車電池當成戰略槓桿武器使用是不切實際的。一旦供應鏈重組,中國自己受傷害的機率很大。第三是新電池的發展仍然在持續發展之中,鋰離子電池未來是否仍然是主流產品仍在未定之天,這也是各界關注電池產業發展的焦點。近期趨勢是重回鈉離子電池。雖然鈉離子電池因為鈉的原子序較大,其比能量目前處於100~150 Wh/kg,仍然略遜於鋰離子電池的120~180 Wh/kg,但是其原材料價格便宜甚多:碳酸鈉(sodium carbonate)每噸就300美元上下,而碳酸鋰(lithium carbonate)2月價格略低於50萬美元。二者價格有上百倍的差距。鈉離子電池還有其它的功能性優點:可以在較低的溫度工作,也沒有過放電(overdischarge)的問題(鋰電池電力完全用完時負極可能受損);鈉離子電池的導電率也較高,所以比功率、充電速度也較高。另外,鈉離子電池在短路時升溫較鋰離子電池慢,相對較安全。鋰離子電池的負極(anode)通常是石墨(graphite),正極(cathode)常用鈷酸鋰(lithium cobalt oxide);鈉離子電池要複雜得多。負極因鈉離子較大,沒辦法嵌入石墨中,必須用硬碳(hard carbon),而硬碳價格很高,一噸在十數萬美金之譜,這降低了鈉原材料的成本優勢;而正極材料亦較鈷酸鋰要複雜得多。即便有這些工程的挑戰,預計今年(2023年)鈉離子電池會進入量產,而鋰離子電池下半年可能會產能過剩。電動車產業從鋰離子電池邁向鈉/鋰離子混合電池的過程正在發生之中。在更長遠的未來,氫燃料電池(hydrogen fuel battery)—如果可以解決工程問題的話—是更理想的電池產品:原料氫和氧都沒有儲藏量的問題,而使用後的產物是水,也無環境污染和回收的問題。因為有這些可能的技術急轉彎的新產品,以鋰離子電池當成戰略槓桿物資的機率並不高。毋怪乎有些大的傳統汽車廠能氣定神間的在一旁靜觀,沒有加入鋰離子電池的競爭。目前只是初發韌期,所以電動車電池目前還沒有統一規格,一切有待觀察。延伸報導電動車電池(一):材料演變與應用型態 
2023/2/10
電動車電池(一):材料演變與應用型態
電池是將電能或其他能量先轉化成化學能用以儲存能量,使用時再將所儲存化學能轉化成電能的電化學(electrochemistry)機構。電池的主要結構有3個部分:負極(anode)、正極(cathode)以及電解液(electrolyte)。電解液的功能是分隔負極與正極,並讓帶有電荷的電子和離子於負極與正極之間穿梭流動。電池自問世至今已超過160年,其樣態歷經過4種主要的材料:鉛酸(lead acid)、鎳氫(Nickel Metal Hydride;NiMH)、斑馬(ZEBRA,Zero Emission Battery Research Activity;NaNiCl2,主要成分是鈉、鎳、氯)以及鋰離子(lithium ion)電池。鉛酸電池現在還在服役,就是常見的汽車用以點火啟動電池。但是我們要談的電動車電池(Electric Vehicle Battery;EVB)是牽引(traction)用的,基本上是輸出力、驅動馬達、拉動電動車,與點火用電池的結構和設計略有不同。鋰離子電池的大量應用則自然是從手機的行動應用開始,主要考量當然是其輕盈可攜,之後這個好處就自然的被引入電動車電池的應用。從這電池系列的演化軌跡,我們發現了一個有趣的趨勢。如果把各種電池主要的金屬材料的原子序標出的話,依序是82、28、11、3。這代表整個產業對電池金屬材料的演化是一心一意朝向輕盈的方向邁進。事實上,鋰已經是最輕的金屬,比它輕的元素只有氫和氦,全是氣體,也不是金屬,無法當成電極來導電。一個完整的電動車電池由幾千個電池單元(cell)組成。先是由3、4百個電池單元串聯和並聯的方式組成1個電池模組(module),十幾個模組再組成1個電池組(pack)。以Tesla Model 3為例,其電池組就由7、8,000個單元組成。每個模組中有冷卻機制(cooling mechanism),並且用電池管理系統(Battery Management System;BMS)監控電池的健康狀況(State Of Health;SOH):包括溫度和電壓等,以維持電池在安全的參數區間內工作,並監控充電狀況(State Of Charge;SOC)。一旦電池的溫、壓異常,電池上的保險絲會熔斷,以維護系統安全。通常電壓異常和保險絲熔斷是電池需要更換的2個主要原因。評估電動車電池對應用的妥適性時,有6個重要的指標:比能量(specific energy)、比功率(specific power)、生命週期(life span)、性能(performance)、安全性(safety)與成本(cost)。這裡的比能量指的是每公斤電池能儲存多少的能量;比功率是電池在每單位時間內能輸出多少能量。前者牽涉到電動車能走多遠,而後者則關於電動車能跑多快。生命週期指電池能充放電的次數,佐以電動車平均使用頻率,也可以粗估電池使用年限。安全性的考慮主要是在高熱、升溫的環境下,或者電池遭撞擊、刺穿的狀況下,鋰離子電池容易燃燒、爆炸。性能的考量較多樣,包括充電速度、低溫使用等特性。成本毋庸說明,目前鋰離子電池在量產日增的條件下,價格快速下降。但是未來勢必面對臨鋰礦逐漸枯竭的狀況,成本進一步繼續下降面臨挑戰。比能量是電動車能上路的基本考量,這決定一定重量的電池能讓電動車行走多遠?這是每一部能上路的電動車都要掛心的事,反過來這又決定1部電動車需要攜帶多少重量的電池?如果電池重量本身佔整部電動車重量的比例過高,能搭載的重量就很受限,畢竟電池的能量很大一部分是用來攜帶電池本身的重量。目前鋰離子電池的比能量約在120~180 Wh/kg之間,這是所有型態電池目前所能達到最好的數值。這6個因素在不同應用時需要針對應用均衡的考慮。目前對電動車電池應用工程實務的做法是稍微妥協比能量和比功率(因為稍有餘裕),以換取較快的充電速度、較長的生命週期以及較高的安全性。將鋰離子電池應用於電動車上的表現如何呢?目前進展狀況是,以Tesla Model 3為例,一部1.5噸的電動車攜帶400kg的電池大約可行駛400公里以上,30分鐘內可以充滿80%以上的電能,但是電池重量大約佔電動車總重量的3分之1!而上述的車行距離、電池重量、充電速度等資料,只能說是堪稱勉強滿足需求。鋰已經是原子序最小的金屬,輕無可輕。因此如何改進電池中的其他材料,譬如電極材料、電解液、催化劑等成分,以及電池的結構和控制等因素,以提高電池儲存電力、電化學能轉換效率,是目前電池研發重點。
2023/2/9
半導體產業在汽車業的機遇與挑戰(二)
半導體產業要因應汽車產業趨勢和現象所必要的變革,可從過去半導體產業的歷史中取經。車用半導體有一小部分需要用到高階製程,譬如L4、L5的自駕晶片,其中具備的機器學習功能,所用的製程自然與GPU類似,需要最先進的製程;其餘大部分的晶片則以較成熟製程對付即可。但這不表示這些晶片非屬高科技產品-高科技產業需要持續的投入資金研發,不斷創造新的經濟價值。譬如功率元件(power device)雖然毋需精細製程,但是其元件的材料和結構仍然還在持續研發當中,以求提升耐壓、高頻、可靠性等性能。現在高壓功率元件使用的是寬頻隙(Wide Band Gap;WBG)半導體如碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN),但是超寬帶隙(Ultra Wide Band Gap;UWBG)半導體如鑽石(diamond)、氧化鎵(Ga2O3)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁(AlN)等新材料,與使用這些材料設計的高壓功率元件研發已然上路,所以車用半導體零件的高科技特性仍然穩固,這一點對如何因應產業環境變化的策略制定是很重要的基礎因素。這2類汽車半導體對於汽車廠的需求與現象,也應該各自有策略性的回應。對於需要先進製程的晶片,代工模式仍然有明顯的優勢:集世界各式邏輯晶片需求之力,取得研發的規模經濟;相較之下,汽車廠的內部垂直整合半導體製造模式難以施行,因為存在利益衝突。即使客戶大如華為、Tesla,從來也只想自行設計,而非自行製造高階晶片。所以對於先進製程晶片,半導體產業所欠缺的只是區域供應鏈—Tesla計劃在台積電美國廠用先進製程生產高階自駕晶片,其中當然有源於疫情期間武漢汽車零件供應斷鏈事件,以及半導體產能不足問題取得教訓的考量。是故,這類車用半導體所需要的改變只是生產設施接近客戶,並且有分散來源及產能調配能力。這是目前半導體業乃至於電子業正在發生的事。其他類的半導體汽車零件就比較麻煩,如功率元件、MCU、感測器、通訊元件等。這類半導體零件,有個行之已久的半導體策略,因應區域供應鏈以及汽車產業內垂直整合的趨勢與現象:製訂產品統一規格、建立公用的測試驗證平台。一旦產品有統一規格,產品的設計者與應用者無須另行繁複的溝通;而有公用的測試驗證平台,產品也無須針對個別汽車廠,另外進行逐個內部冗長的驗證程序。半導體中最大的次產業DRAM就是受惠於此發展策略。所有公司生產的DRAM的所有規格是一樣的,並且可以互換使用,所以DRAM也被戲稱為「大宗商品」。DRAM公司之間用以差別化彼此產品者,只有產品的推出時間、價格與可靠性等幾個因素。因為有這統一規格的因素,市場形成完全競爭,產品價格大幅下降,在使用者端—在過去是電腦廠商,而後又加入手機廠商—傾向於大量使用以提高系統效能,此又進一步促成擴大DRAM市場,DRAM遂成半導體的最大次市場,相關製造業者也有能力累積足夠資金,成為2000年以前整個半導體產業製程技術的推手,持續半導體為高科技產業的屬性。此外,其主要的應用,如產業電腦和手機也得以快速發展,這是一個半導體產業與系統產業雙贏的策略。將此策略施用於汽車半導體零件,很可能也會有類似的效應。事實上半導體的行業組織國際半導體產業協會(SEMI)正在先推動功率半導體的統一規格—因為電動車的量產會先行發生,期待此一措施可同時促進半導體產業及汽車產業的發展。筆者看到半導體之於汽車產業的圖像,乃以下景況:半導體產業將分散製造廠址,滿足區域供應的需求,這已經是現在進行式;但是仍會保持集中研發,以加大研發的規模經濟,維持半導體產業的高科技屬性,這是現在完成式也是未來式。在產品面上,汽車廠會保有自駕晶片的設計。這是汽車廠的核心競爭能力,無可讓予。其他的零件則會逐漸建立統一規格、公用測試驗證平台,這會提供汽車廠多元的、便宜的零件供應來源,而半導體產業也同時受益於市場擴大、交易成本降低以及規模經濟的形成。至於汽車產業內垂直整合半導體製造的企圖,這是過去已驗證過的艱難道路,他們有我的祝福。
2023/1/6
半導體產業在汽車業的機遇與挑戰(一)
在地緣政治的影響以及疫情造成的斷鏈之後,往昔的全球貿易正在重整供應鏈,可能的方向之一是區域供應鏈。對於台灣經濟倚賴甚重的半導體而言,區域供應鏈也可能帶來結構性的變動,也需要一些對策來因應這些變革,本文想探討的主題。與半導體較緊密相關的產業分別是資訊產業、汽車產業以及通訊產業。此3個產業也是現在與未來半導體產業的主要應用市場。車子賣出後 才是長期服務的開始台灣對汽車產業特別寄以厚望。一方面是汽車半導體零件市場目前的成長率較其他產業要高,預計到2030年,半導體有望佔汽車製造成本50%;另一方面,由於台灣的半導體優勢以及汽車產業中過去的「引擎障礙」消失,台灣有可能一圓當年在工業化過程所錯失的夢。汽車產業遠較消費性電子產品複雜。製造、銷售完才是長期服務的開始。汽車的平均使用年限在美國平均近12年,如果計入統計的長尾,維修零件的備料要求可能長達20年。法律、基礎建設、召回等市場環境及風險影響營運的重大因素,也非汽車廠能單獨掌握的,這些都需要長期的部署。毋怪豐田在面對這麼許多的電動車、自駕車的後起之秀時,仍然氣定神閒—這些部署都需要區域性而且是長期的努力。台灣有半導體產業的基礎,固然有利於切入電動車乃至自駕車產業,但是要從中獲利並非必然結果。區域化供應鏈會讓從零件生產製造一路到維修的產品,需要有強而有力的當地因素,特別汽車產業具有前述的因素,台灣要以自有的品牌建立全產業鏈的區域化服務,近乎平地起高樓。如果只做半導體零件呢?畢竟這部分市場有機會佔汽車製造成本的50%,在更長遠的未來,更有可能攀升至70%。即使現在無法做品牌、整車的全流程服務,單只是半導體零件本身就是一個極其龐大的市場,可能大過電腦和手機的總和。但是在目前的狀況是,部分車用半導體零件需要客製化,而其產品驗證是一個極漫長的過程,保證供應期又遠超過一般晶圓廠平常願意承擔的期限。車用半導體垂直分工 已是現在式從汽車廠的觀點,如果產品主要的經濟價值絕大部分由其他產業創造,則汽車廠有淪為裝配廠的危機。另外,汽車廠在此次疫情也吃足傳統汽車零件以及半導體零件供應短缺的苦頭,所以汽車廠也開始考慮垂直整合進半導體設計、製造,特別是從電動車起就會開始使用的功率元件,譬如博世(Bosch)和比亞迪,目前都已擁有自己的晶圓廠設計、製造功率元件。這是個新的現象。這個考慮早在手機年代就開始浮現,像華為建立海思,掌握手機最主要加值的部分。Tesla以及通用汽車(GM)旗下的通用自動化巡航(Cruise)也開始自己設計L4、L5 高階的自駕(Advanced Driver Assistant Systems;ADAS)晶片,動機也是類似的,只是其企圖到目前只止於晶片線路設計。設計公司、晶圓廠附屬於汽車廠內部在晶片設計,在產品驗證上擁有內部溝通的優勢,可以大幅縮短時程。另外,近乎穩固的供給與需求對應關係也在發展早期容易生存。缺點是設計公司、晶圓廠不太容易有外部客戶,可能存在的利益衝突難以避免。回顧半導體發展的歷史,很多的系統公司都曾經歷系統設計製造和半導體零件設計製造垂直整合的階段,最早移轉半導體技術給台灣的RCA(Radio Corporation of America)就是一個典型的例子。但是這些垂直整合的晶圓廠最後多以消散告終。主要原因之一就是前述的利益衝突使得其經營的規模經濟無法成長,回過頭來這也限制營業利潤與可使用的研發資金,在需要持續投入資金做研發的高科技產業無異自絕前路。汽車產業電動化及自駕化,為半導體產業開創快速成長的新市場,但是區域供應鏈及汽車廠與晶圓設計、製造垂直整合的趨勢與現象也對半導體產業構成挑戰,策略性的因應這兩個挑戰將無可迴避。
2023/1/5
中國半導體產業發展,為何不如預期?
中國發展現代半導體技術迄今已超過30幾個年頭,國家資本對於產業的支持比日、韓、台早期發展時的政府支持,有過之而無不及,而資金支持及政策優惠在產業經發展已達4分之1世紀後,仍然是現在進行式,甚至力度還在增大之中。然而發展結果與預期並不相符,至少與產業性質稍似的中國面板產業的發展結果大相逕庭。主要原因自然是半導體產業的本質較複雜,但是我想討論的,是因發展體制可能造成對於半導體產業成效的影響。中國半導體產業發展體制所影響的第一個因素,是因發展初期半導體廠資金需求相對龐大,國有資金無可避免的必須扮演主要角色。但是國有資金在其投入後並未功成身退。雖然後來半導體企業開始自公開市場募取資金,國有資金仍然保有主導權。純粹利益取向的社會資金在半導體產業中無法促使企業天擇淘汰,形成完全競爭。這項因素現在已經被清楚地意識到,中國官方新立的半導體研發項目在目前的規定中,對於國家資金的佔比是有最高限制的,這也許能消弭部分過去所見的不利影響。但是國家資本因為地緣政治此時的介入,只能持續的投入。目前中國的一般社會資金仍視半導體為極高風險的產業,適宜進行半導體新項目投資的,似乎只有相關連的大企業,譬如汽車、手機、家電等相關企業,具有充足資金、並追求半導體零件與系統的垂直整合利益。然而,如此的投資模式在上世紀各國經歷過長期考驗,因為與晶圓廠客戶存在利益衝突的可能,不利於晶圓廠規模經濟的成長,企業本業的管理模式也未必適用於晶圓廠管理,這是可能有副作用的權宜之計。第二個因素是企業負責人的任命,這項因素與前項因素息息相關。由於國家資本佔主導地位,負責人自然也由國家資本方指派。在過去的例子中,具有行政、管理、財務等專長的居多數。但是在高科技產業中,特別是半導體產業,負責人具有科技背景、產業經驗絕對是企業成功的關鍵因素之一,至少此現象在統計上有極其顯著的意義。此道理也很淺顯,企業負責人要具有產業技術趨勢的遠景,才能做有競爭力的長期規劃以及重要判斷。這一點日前似乎也被關注到了。從最近重整後長江存儲董事長陳南翔的任命即可以看出端倪。陳南翔具有半導體工程背景、長期產業經驗。雖然此新任命案不能說一定是新趨勢,但是至少這是一個新思維的開始嘗試。再來是人力資源的配置。目前中國的半導體產業就業人口與計畫需求還存在巨大缺口,還缺20萬人以上的差距(2022年統計估為25萬人)。但是在教育體系的供給面上,這並非是一個重大問題,中國近期微電子專業的本科生(即台灣所指的大學生)和大專生1年約有20萬人左右畢業(2020年時人數約為21萬人),這個缺口並非無法填補,要解決的是就職意願的問題。在中國目前的經濟環境下,許多薪資原先超過半導體的產業,如金融、銀行、網路、房產等,在目前的經濟發展狀況有可能逐漸被半導體超越。但是這些就業人員的專業養成過程和專業配置,即使在中國內部也是具有爭議性的議題。遲至去年(2021年),微電子才正式成為中國高校(大學)的基礎分類系別。中國的半導體從業人口,絕大部分是微電子專業、少部分是物理系,這與其他國家的遠較廣泛的專業配置—包括電機、化工、機械、材料、物理、化學、資工等—截然不同。在目前半導體產業的增值手段已從單純的製程微縮,變成較多元的製程微縮、先進封裝、創新材料,甚至再加一點點的生命科學的多元趨勢,如果人力資源過於集中於微電子專業,顯然不利於中國半導體產業更長遠的發展。另外,中國半導體產業2022年有80%的就業人口是本科/大專學歷,碩博生比相對較低,這與高科技產業的特性—以持續的研發創造新經濟價值—是有所扞格的。最後是產業規模經濟的視角。高科技產業需要持續投入研發以維持獲利競爭力,而持續的研發活動其經費自然是從營業利益中產生。要產生足夠的獨立自主研發經費,公司的營業額需要在其所在的次領域中至少佔相當比例,這個比例粗略的來說大概是世界市場的15%。從嚴格的意義上,中國目前還沒有先進的晶圓製造廠已進入了穩定的良性迴圈之中,世界市佔比最接近此比例的是中芯國際和長江存儲。這個產業宏觀考慮最近似乎也進入中國產業調整思維之中,已有幾個缺乏規模經濟的個別公司有合併的想法。至2022年10月為止的統計,中國半導體自足率僅達16.7%。中國在半導體市場基礎科研上具有相當的優勢,檢視過去體制、重新調整發展方向可能是中國半導體產業新發展階段的有效手段之一。
2022/12/22
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2022/12/8
量子電腦與淨零
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2022/11/10
半導體產業人力資源危機與管理(下)
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2022/9/8