DPZ - 電的旅程

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜琳琅滿目的應用 ( 1 )＞
矽與二氧化矽的完美組合，再加上平面製程技術及CMOS元件設計，促成了晶片技術的高速發展。早期半導體工業發展了用在電腦中的邏輯型晶片，然後又推出了記憶體晶片。在1971年，英特爾把邏輯及記憶的功能在同一個晶片上結合起來，創造了微處理器這個重要產品。邏輯及記憶體都是數位型晶片，輸入及輸出的訊號都是0或1，充分利用了電晶體高速「開關」功能。
除了數位型晶片，矽晶片的種類與功能琳琅滿目，還包括類比型（analog）、混合訊號型（mixed signal）、高功率（power IC）、感光顯像（imager chip），甚至於微機電系統（MEMS）。
人和自然界接觸（聽覺、視覺、觸覺等）用的訊號都是類比型的。在電晶體發明後，一個主要市場就是用電晶體取代真空三極管在收音機、電視機及儀器中訊號放大的類比型功能。快捷半導體和National等公司很早就發展了類比型晶片產品，包括各種訊號放大器、調頻器、可調頻過濾器等。在類比型晶片技術上，集積的元件數量不需要像數位型那麼多，但對每一個元件性能的要求更嚴格。所以數位和類比技術在晶片工藝上相輔互助。數位型市場較大，但類比型晶片產品市場仍舊可觀，不過產品的種類較分散。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜琳琅滿目的應用 ( 2 )＞ ……續上
在英特爾發展了微處理器後，電腦的功能開始鑲嵌到很多智慧型產品中去。為了應用電腦獨特的訊息處理功能，各種輸入的類比訊號必須先「數位化」（digitize），就是用二進制的0和1來代表訊號中的所有訊息。所以無論輸入的訊息是達文西的畫或貝多芬的音樂，在數位世界中都不過是0與1的組合而已。電腦將輸入的數位訊號，照軟體指示的方法與程序處理好後，再把0與1的新組合轉換成類比訊號式的答案輸出。將訊號在類比與數位之間互相轉換的電路，統稱「數據轉換器」（data converter），是電腦和外面世界的橋樑。
英特爾微處理器的出現，使高性能的數據轉換器成了迫切的需要。於是各公司開始把類比及數位技術結合起來，開發了「混合訊號」技術，很多數據轉換器晶片產品應運而生，競相把數據轉換的功能達到快速而準確。有了數據轉換器在其兩端，微處理器的價值如虎添翼，加速了各種數位型智慧產品的誕生。現代的微處理器已將數據轉換功能集積在同一塊晶片上，數位和類比兩個世界已天衣無縫的合而為一。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜琳琅滿目的應用 ( 3 )＞ ……續上
隨著摩爾定律的進展，電晶體愈做愈小，運轉速度也愈來愈快，漸漸的，類比型電路及數據轉換器的速度都到達了無線電波通訊頻率，微處理器的運算速度也達到了同樣的水平。因此，整架複雜的數位型無線收發器已可廉價的集積在單一晶片上。這個新發展引發了近年各種無線通訊市場的大規模發展與普及，包括便宜又輕巧的多功能手機、WiFi及藍牙等產品。
類比型晶片在1970年代還因市場的需要，發展出了獨具一格的高功率電晶體。電晶體在有些應用中，需要承受高電壓及高電流；譬如說，早期電視機中CRT的電子掃描控制電路裡，電晶體需承受一千多伏特的電壓，而在高功率的喇叭擴音器應用中，電晶體必須能控制幾十個安培的電流，在這些產品的發展過程中，高功率電晶體及晶片形成了一套獨特的元件技術。現代的高功率矽電晶體及晶片，大規模應用在電網分布、電氣化火車和電動車上，新發明的高功率電晶體技術，更把數位技術帶進了電氣工業，直接促成了先進的「變頻馬達」，在節能減碳運動中起了重要作用。半導體電子元件不斷的發展，最後衝擊了已有百年歷史的電氣與電機工業。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜琳琅滿目的應用 ( 4 )＞ ……續上
矽晶片還有一個重要的應用，就是感光成像。矽可以高效吸收陽光中的可見光。1969年，貝爾實驗室的鮑義爾（Willard Boyle）及史密斯（George Smith）在研究p型矽與二氧化矽的接面性質時，發現加了正電壓後，可在電極下面的矽與二氧化矽接面的「能槽」中儲存自由電子，然後用連續性變壓方法，可把這些電子一組一組有順序的移動及測示。這個元件名為「電荷藕合器」（charged coupled device），簡稱CCD。
鮑義爾與史密斯原來研究的目的，是想用CCD做成一種新的記憶體，但是後來發現，CCD無論在儲存資料的密度及耗電量上都無法跟DRAM競爭。CCD的特色更適宜應用在顯像上。
如果把一張圖片投射在一枚二維的CCD晶片上，因矽吸收光而產生的電子，會被儲存在該位置（像素）電極之下的矽與二氧化矽接面的「能槽」中，每一電極下電子的多寡，與吸收光的強度成正比，所以在感光週期內，在CCD的各個像素下，光的明暗圖形轉換成了一個電子數量分佈的圖形，這個二維的電子分佈圖像，可以極快的轉變成一維的串性電流訊號輸出，再用顯示器或印表機，又可重顯原來的圖像。CCD擁有卓越的顯像功能：靈敏度高、噪音低、速度快，又不需掃描。CCD的基本生產技術與其他晶片相同，可以一起生產，優點甚多。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜琳琅滿目的應用 ( 5 )＞ ……續上
隨著摩爾定律的發展及元件性能進步，CCD的像素數目及感光靈敏度不斷提高，今日一千萬像素以上的CCD晶片已相當普遍，取代了傳統的照相底片。用新的高靈敏度CCD數位相機，在灰暗的室內不用閃光燈，也能拍攝出清晰的照片。
2009年，鮑義爾及史密斯因為CCD的發明，獲得諾貝爾物理獎。
在產業方面，日本的Sony公司自1970年代開始，一直大力開發CCD產品，發展出一系列高性能電視攝影機，進一步強化了Sony在消費電子業的地位。近年來除CCD外，業界又發展出CMOS顯像技術，生產成本及耗能更低，已大規模應用在手機裡的照相機中。
晶片的製造技術高度精確，在1990年代研究員利用光刻、乾蝕及薄膜材料等技術，在晶片上製造了會「動」的各類微型機械部件及系統，甚至示範了可高速轉動的超微型馬達，開啟了晶片功能的一個新領域。這種技術稱為微機電系統（micro-electro-mechanical system），簡稱MEMS。MEMS已成功應用在微型的加速測示器、羅盤、影像投射、麥克風及記憶體等產品上。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜琳琅滿目的應用 ( 6 )＞ ……續上
隨著技術的整合，很多完整的系統功能已可集積在同一枚晶片上，控制整個系統功能的軟體，也可儲存在晶片上的記憶體裡，這種軟硬體終端應用結合在一起的晶片，統稱「系統單晶片」（system on a chip），簡稱SoC。早期英特爾的4004晶片可稱是SoC的始祖，是「晶片上的微電腦」，後來德儀發展了「晶片上的計算機」和「晶片上的電子錶」，1990年代，洛克威爾又有了「晶片上的數據機」。近年的系統單晶片又更複雜了：把CCD顯像技術和電腦功能結合在一起，產生了「晶片上的攝影機」；把無線電通訊與電腦結合，產生了「晶片上的手機」；將MEMS加速測示器、GPS接收器與電腦結合，產生了「晶片上的導航儀」。
最新的趨勢是把這些功能再高度集積，將多種完整的功能整合在一個晶片中。這些系統單晶片的科技含量很高，又極端複雜，設計花費昂貴，但是一旦順利量產，設計的成本可以分攤到幾百萬、甚至數千萬晶片的銷量上，所以每一枚晶片的成本還是大眾可以輕易負擔的。況且系統單晶片本身製造成本不特別高，應用時可靠度強，組裝簡易，大幅減少了產品在其他方面的造價，同時也把產業鏈下游終端電子產品設計「模組化」了，對電子工業的結構影響極大。…… (完)

「第十七章：晶片工業的變遷」
＜亞洲來的競爭者 ( 1 )＞
沒有人想到，矽和二氧化矽結合會帶來如此多不可思議的晶片功用。1970年代中期，正當美國電子工業突飛猛進的時候，一些新的因素出現了。首先是日本公司開始大規模進入半導體工業。日本的大財團資本雄厚，又有國家政策做後盾，優秀的技術人員也很多，在很短的時間內，很多設備一流的半導體工廠出現了。日本人做事認真，富有紀律，這種性格很適合大規模生產複雜的半導體產品，同時日本又吸收了新的「全面品質管理制度」TQM，似虎添翼。…… (待續)

「第十七章：晶片工業的變遷」
＜亞洲來的競爭者 ( 2 )＞……續上
日本公司早期的市場目標是大型的DRAM記憶體。這個產品市場廣大，同時設計比較單一，產品換代時間較長。因為晶片上集積的電晶體數目浩大，如要達到高的良率，生產技術及品質管理必須達到很高的水平。日本在競爭上有潛在優勢，經幾年努力後，日本DRAM產品在1980年代初期追上了美國。…… (待續)

「第十七章：晶片工業的變遷」
＜亞洲來的競爭者 ( 3 )＞……續上
日本的DRAM比英特爾及其他美國公司生產的更便宜，品質更優越。記憶體是當時英特爾的主要產品，現在遇上了外來的強大對手，在業務上受到極大的擠壓，公司利潤開始下降。幸好此時，在經過幾年艱苦發展之後，英特爾微處理器業務開始高速成長，個人電腦市場大規模起步。1986年，英特爾做了最後決策，宣布退出DRAM市場，集中發展微處理器業務。
在當時，這個消息在美國電子工業界很有震撼性，一時風雨欲來，好像日本電子工業就快擊潰美國了。但結果不是這樣，電子工業的高速發展不是一個「零和」現象，可以有很多贏家，各家公司在困難中求變，尋找自己的優勢。英特爾把精力集中在各款微處理器及微控制器業務上，促成並介入了個人電腦及各種智慧型產品的飛速發展，商機無限。…… (待續)

「第十七章：晶片工業的變遷」
＜亞洲來的競爭者 ( 4 )＞……續上
微處理器晶片的硬體和軟體設計複雜，又牽涉到很多專利，和客戶間的合作關係多元化，技術換代快。日本公司在這些方面的競爭居於劣勢，所以生意上英特爾很快重新站穩了腳步。由於英特爾在微處理器產品上占有絕對優勢，定價能力高，所以利潤很可觀，遠較DRAM為佳。不久英特爾又開始了高速成長，保持全球最大半導體公司的桂冠，而日本在經濟泡沫破滅後，投資減少，結果在DRAM領域被韓國的三星公司後來居上。…… (完)

「第十七章：晶片工業的變遷」
＜晶片設計電腦化 ( 1 )＞
在1970到1980年代，晶片發展的過程中還有幾件劃時代的技術改革。這些改革不是元件上的新發展，而是針對晶片設計及製造的定位和分工，對後來全球電子工業的發展，起了決定性作用。
1970年代中期，晶片規模大幅增長，已發展到每枚晶片可容納上萬個電晶體及其他元件。很多不同功用的晶片也開始結合在一起，譬如電子錶內本來要用5到6枚晶片，到了1977年，只需一枚晶片就可以了。在生產大型晶片的技術上，很多製造問題已得到解決，瓶頸慢慢轉移到了晶片的電路設計上。晶片設計工程師大多受雇於大型半導體公司，如英特爾和德州儀器，這些工程師不但要懂得電路設計，更需懂得晶片製作的工藝及元件的性能，這類專門人才不多，一流的設計人才如費金之流，更是鳳毛麟角。這些工程師極大的時間花在設計自己公司最重要的標準產品上，只有極少時間可幫別的客戶進行特別的專門設計。專業設計人才的缺乏，嚴重限制了晶片工業能發揮出其應有的巨大潛力。…… (待續)

「第十七章：晶片工業的變遷」
＜晶片設計電腦化 ( 2 )＞ ……續上
米德（Carver Mead）是加州理工學院的電機教授，本來專門研究金屬和半導體的界面物理。他在1970年代中期，充分感覺到用電腦技術輔助晶片設計的研究領域寬廣、價值極高，於是他決定轉行做積體電路設計法則的研究。米德是一個聰敏絕頂的人，永遠嘗試從不同於普通人的角度來思考問題。他早就看到大型晶片的設計會是一個瓶頸，現在又看到元件技術日趨成熟，很多性能都已可用電腦軟體來模擬。在設計電晶體電路時，晶片上各種元件的性能只要用虛擬的軟體模型替入就可以了。利用電腦輔助設計軟體，設計者可虛擬整個晶片的功能。如果性能不足，則可以在電腦上繼續改良電路設計，一直到符合規格為止。待設計完成後，再去製造成晶片，希望第一次製成的晶片就可成功，不需再修改。這是個嶄新的概念，可大幅減少研發新晶片產品的成本及時間。…… (待續)

「第十七章：晶片工業的變遷」
＜晶片設計電腦化 ( 3 )＞ ……續上
用電腦輔助設計晶片，設計者不需懂得晶片製作的詳細知識，更不需要知道電晶體背後的物理原理。對他們來說，各種電晶體及其他元件不過是一個電腦上虛擬的模型。米德和他的伙伴康威（Lynn Conway）在1980年出版了一本經典教科書《超大型積體電路概論》（Introduction to VLSI Systems），把數位晶片設計的方法及程序都系統化了。利用這些知識，普通不懂半導體的工程師只需幾個月的訓練，就可用電腦及相應的軟體，設計出各種有獨特功能的數位型晶片，於是晶片設計的門檻降低，晶片設計效率大幅提升。很多公司內部都設立了自己的晶片設計部門，不需求助於少數幾家半導體公司了。各公司為自己產品需求而專門設計的晶片，層出不窮，很大程度上豐富了晶片的產品種類，把晶片技術的影響力更深入的滲透到日常生活中。今日大家已習慣用電腦設計晶片，回想當年費金等人用人力設計4004等產品，有些不可思議了。…… (待續)

「第十七章：晶片工業的變遷」
＜晶片設計電腦化 ( 4 )＞ ……續上
雖然用電腦設計晶片可大幅減少成本及時間，但要發展一枚嶄新的專門晶片，需要的投資及時間還是相當可觀。應對這個需要，市場上推出了一個新的產品，稱作「閘陣列」（gate array）晶片，這種晶片上有多種已完工的元件及元件的基本邏輯組合，但沒有將各種元件先連接起來。使用者可用電腦設計出所需晶片的獨特邏輯功能，再自動衍生晶片上各種元件連結的金屬膜設計光罩，最後把元件依樣連結起來。閘陣列晶片非常適用在新系統產品的發展階段或數量較少的產品上。近年來普通的閘陣列晶片演變成了「現場可編程式閘陣列晶片」（Field Programmable Gate Array，簡稱FPGA），可直接用軟體來變換晶片產品上的邏輯組合，大大開拓了應用功能，促使FPGA自身發展成一個重要的晶片市場。
在發展以電腦輔助設計晶片的過程中，出現了很多新興的軟體公司，推出了各種多功能的設計軟體，形成了具有相當規模的新市場。繼而有人利用這些工具，開設了專門設計晶片產品的公司(無生產線晶片公司)，或提供專為他人設計晶片的服務行業，一種新的晶片供應鏈漸漸形成了。…… (完)

「第十七章：晶片工業的變遷」
＜台灣與晶圓代工( 1 )＞
隨著晶片設計瓶頸的突破，半導體製造工業的結構也開始發生變化。有些半導體廠除了生產自己設計的晶片外，季節性的波動常會產生過剩的生產容量，於是他們開始適度的開放晶片生產線，為其他公司的設計代工製造，以增加收入。晶片設計及製造，開始有分工的跡象。……(待續)

「第十七章：晶片工業的變遷」
＜台灣與晶圓代工( 2 )＞……續上
在1973年，台灣的傳統工業受到了嚴重的局限，蔣經國尋求發展新的產業。一批有識之士選擇了在台灣發展半導體工業，在當時這是一個大膽的嘗試。孫運璿時為經濟部長，拍板決定政府投資1,400萬美元，引入半導體技術，利用半官方的工業技術研究院（工研院）把引入的技術消化發展，做為技術及人才訓練的跳板，最後目標是把技術轉移到民營的企業去。
執行團隊以當時剛從RCA半導體部門退休的潘文淵為主，他對各種晶片製造技術前景作了充分的分析，獨具慧眼的引入了CMOS技術，當時CMOS在美國也剛起步不久，所以當台灣完全掌握了CMOS技術時，已進入了晶片生產技術的主流。但是，要從無到有建立起一個完整的新興工業，亟需培養人才，發展市場，更要面對來自美國及日本的劇烈競爭，這是一個極大的挑戰和長期的系統工程。
1980年代初，台灣成立了幾家半導體公司，充分利用工研院的技術及人才，成功設計並生產了自己的產品，但可惜這些產品在國際上缺乏獨特的競爭力，而早期引進的CMOS技術，這時也已比世界上最先進的技術落後了整整兩代，台灣的半導體工業到底何去何從？……(待續)

「第十七章：晶片工業的變遷」
＜台灣與晶圓代工( 3 )＞……續上
張忠謀在1931年出生於浙江寧波一個中產階級家庭。八年抗戰中一家人在戰亂中漂泊。他在1949年到了美國，考上了哈佛大學，在那裡他受到了一年寶貴的全面教育，後來轉去麻省理工學院，主修機械工程，取得了學士和碩士學位。但考博士生時竟然失利，於是張忠謀決定先出來做幾年事再說。
1957年他在希凡尼亞公司找到一分薪水不錯的工作，從事電晶體的生產及發展，工餘苦讀蕭克萊的《半導體的電子與電洞》一書，自修了半導體技術。在工作上他很有建樹，顯露了領袖的潛質。可惜希凡尼亞公司缺乏遠見，管理不善，一年後張忠謀決定另謀更有前途的工作。在1958年他加入了德州儀器的半導體部門，終於得到了施展才華的機會，成績斐然，嶄露頭角，被最高管理階層內定為重點培養對象。後來德儀再資助他去史丹福大學進修，以優異的成績取得了電機博士學位。
回到德儀後，張忠謀更受到重視，幾年間扶搖直上，升到了德儀資深副總裁，負責所有半導體業務。當時德儀是全世界最大的半導體公司，張忠謀做到這個職位極不容易，自有過人之處。在這個職位上，他表現優異。幾年後他在公司內平行轉職，改去管理德儀的終端消費電子產品。……(待續)

「第十七章：晶片工業的變遷」
＜台灣與晶圓代工( 4 )＞……續上
德儀一直想打進消費電子市場，在1954年先推出了Regency-TR1口袋型收音機，1968年又推出首次應用晶片技術的掌上型計算機，但這些產品在市場上遇到日本公司的劇烈競爭，德儀自身可持續性的競爭優勢不明顯。公司的傳統文化和作風與終端消費電子市場的需求不合，所以這個部門一直是公司的罩門。除非公司本身做出基本的改變，無論任何人在這情況下都難有作為，以張忠謀之能也不例外。幾年後，他雖有成就，但仍遭撤換，調去總部在一個位尊權輕的虛位上供了起來。在德儀經歷了二十五年歲月，他知道應該是離開的時候了。……(待續)

「第十七章：晶片工業的變遷」
＜台灣與晶圓代工( 5 )＞……續上
張忠謀先去一家公司做了一年執行長，但該公司既定的發展方向非他所喜。就在這時，朋友跟他接觸，希望他能去台灣主持工業技術研究院，幫忙提升各種技術轉移到工業界的效益。這份工作的目標引起了他的興趣，決意一試。
張忠謀到了台灣後，很快就瞭解了工研院的技術水平及本地電子工業的情況，一切並不樂觀。1987年初，時為政務委員的李國鼎約張忠謀詳談，鼓勵他出來創立新的晶片公司，給他四天時間提出具體計畫。張忠謀對全球半導體工業有極深刻的瞭解，對台灣的競爭優弱點也很清楚，可謂知己知彼。
他知道台灣在晶片設計、專利、市場訊息與銷售等各方面，都居絕對劣勢；生產技術雖已落後，但至少有一個扎實的根基。工研院及本地各所優秀的大學，每年在這方面訓練不少人才，況且台灣早年留學美國學電子工程的研究生很多，在美國各大電子公司中任技術要職者比比皆是。所以台灣在世界半導體技術溝通及人脈上，有很大的無形優勢。所有這些因素如能有效調動，再配合足夠的投資及先進的管理，台灣在晶片製造方面有可勝之機。……(待續)

「第十七章：晶片工業的變遷」
＜台灣與晶圓代工( 6 )＞……續上
於是張忠謀向李國鼎提出，設立一家以生產技術為主的晶片公司，把業務完全集中在「晶圓代工」上，就是專生產客戶設計的晶片，而自己沒有產品。這樣就把半導體生產從產品工業，變成了服務性的行業，在概念上是極重要的突破。這個計畫最大的弱點是市場客源問題，在1987年還沒有很多所謂「無生產線的晶片公司」。這個計畫雖有風險，但沒有更好的選擇，結果李國鼎同意一試，造就了「台灣積體電路製造公司」（簡稱台積電）的誕生。
台積電競爭的優勢是，專門性的對晶片設計顧客提供最佳生產製造服務，因為自己沒有產品，對所有顧客都沒有直接利益衝突。台積電不需要設計市場上瞬息萬變的晶片產品，只要把精力集中在提供最先進的製造技術與服務上，以靜制動。在張忠謀的帶領下，台積電艱難創業，開拓出一片廣闊的天地，為所有客戶提供全球最先進的晶片生產技術及最可信任的服務。
現在有人提出，世界上其實只需三家晶片廠和他們的產品就夠了：英特爾的微處理器、韓國三星的DRAM記憶體，以及台積電的晶圓代工，來生產所有其他公司的設計。這個分析雖然把問題簡單化了，但也有邏輯性。台積電在國際上的重要性可見一斑。歷史證明張忠謀的策略是正確的，而在時間上也很幸運，完美的配合了無生產線晶片公司的高速成長，促成了富有活力的新晶片工業產業鏈，同時也帶動了台灣龐大的半導體產業發展。……(待續)