史丹佛電機科學家聯手解析半導體產業－超政經好書選#16

前言: 本文的兩位作者美籍港裔的黃漢森和(Philip Wong)和Jim Plummer都是史丹佛大學的電機科學家，在這本《矽三角：美中台與全球半導體安全》的論文集中，首先就由他們兩位通曉半導體技術面的專家從整個半導體產業的範圍、美國國防部對晶片的特殊需求、全球半導體產業鏈的區域分工與優劣勢、未來半導體發展的產業趨勢以及美國如何迎頭趕上做出兼顧技術面與商業片的全面解析，是目前為止中英日文資訊中少數由真正電機專家所執筆的。本文會先叫紹前三大部分，最後的半導體產業發展區勢與美國如何趕上將會在本月政經智庫的第二次會員直播中介紹。

一、半導體產業鳥瞰

  半導體科技所橫跨的領域是廣泛的，包括邏輯、記憶、電源電子學、感測器、制動器(actuator)、類比、高頻、射頻(radio frequency)等等。總之，半導體領域 比今天最關注的先進製程邏輯晶片還要廣。而談到晶片的奈米尺寸已經變成晶片複雜度和計算力的代表，但不同公司所指的奈米，是不能直接類比的：例如英代爾的7和10 奈米，差不多是台積電的7奈米、三星的5奈米。

  因為這是根據一籃子類似的電晶片尺寸測量所進行的比較。記憶體晶片也是用奈米在命名。不過這種儲存科技還能用堆疊成幾層去看。若以產業營收來看 去年邏輯晶片(CPU) 佔了44%，記憶體晶片佔23%。 離散、類比和其他種類晶片佔了33%。一般來說，邏輯和記憶體晶片的效能是奈米越小越好。晶片的電晶體密度越高，計算力愈強，記憶能力越高(但記憶體晶片沒有邏輯晶片差那麼多)。

  而類比和離散式的晶片和奈米就沒有直接的關係，這類晶片的效能是指其晶片科技上的有益特性(beneficial attributes):速度、電力、能源使用效率和密度(不只是速度)。目前最先進的晶片，是用在CPU 和GPU 還有現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA)晶片上，還有一些特定用途的處理器。目前台積電的投資是用在最先進的製程。台積電去年7奈米和5奈米的製程的收入超過一半。

FPGA晶片

目前只有台積電、三星和英代爾有製造10奈米以下的邏輯晶片廠。聯電和格羅方德(Global Foundry)選擇不投資先進製程。中共的中芯，雖然大致上不製造10奈米以下的晶片，但是去年的挖礦機有低於10奈米的晶片(還有華為最新的mate 60當中很可能有7奈米的晶片）。這種先進晶片雖然最好賺 也是推進先進科技的關鍵，但直到2019年，全球的晶片生產不到5%是用在生產 10奈米以下的晶片。

要打造一個完整的電子系統還需要記憶、儲存，還有視其用途，一個系統會需要類比式的設備：感測器 、高頻/射頻 裝備，還有電源裝置。先進晶片對於達到頂級速度和業界整體的收益很關鍵，但只是確保先進晶片供應無虞對使用電子產品的消費者來說是不夠的。

  新興科技和高端消費者應用如超級電腦、電競、雲計算基礎設施、AI應用的神經網路加速器和智慧型手機都需要先進晶片，但很多其他在經濟體系內流通的電子產品，只需要傳統晶片就夠了。傳統製程是指 28-40奈米，用在很多車用晶片、數位相機的影像訊號處理器、還有其他晶片如LCD 、LED驅動器以及電源控制器等。一台車會用到數百甚至幾千塊晶片。

  一個40-65奈米晶片還會鑲嵌在更大的感測器組合中(例如離散、類比、光電裝置中) 來讓汽車運行。一般人很容易誤以為這類晶片是先進晶片的比較舊版本，唯一的差別是成本。會有這種誤解是因為因為這種晶片的名稱”edge-trailing mature node”，是由兩類晶片組成：第一、傳統的數位邏輯晶片。第二是特殊科技晶片。所謂的特殊科技晶片包括感測器、制動器、電源電子裝置、嵌鑲式記憶體、類比、混合訊號、射頻裝置、電源管理積體電路，還有高溫/高可靠性科技、抗輻射科技(用在太空相關)。

   上述這些都是自成一類的特殊科技並不應該被看成比較便宜的產品，例如說美軍用到的微電子產品都是edge-trailing mature node，但這是指屬於特殊目的晶片的科技 而不是說是比較舊版的邏輯晶片。聯電目前就是專精於28-40奈米這類特殊目的晶片。而到底要用幾奈米的晶片是需要在效能和成本間取得平衡。

   而記憶體晶片是半導體的第二大類，佔有全球產能的32%。記憶體晶片雖然沒有像邏輯晶片受到如此多關注，但電子裝置要能動，這類晶片不可少。所以講到供應鏈韌性，也需要關注這種晶片。目前主要的記憶體科技是動態隨機存取記憶(DRAM)，三星有44%的市佔率，美光佔22%(但其工廠大部分在海外)，海力士(Hynix) 佔27%。

Nand 是主要的儲存科技，三星的市佔率是35%，Kioxia (前身是日本東芝) 鎧俠和美國西部電子的合資公司、海力士、美光幾家瓜份剩下的市場。這類晶片的技術進步表現在能用幾層去堆疊。但這類晶片和先進邏輯晶片比起來，是標準化的大宗商品。在一個電子系統中，不同廠商生產的記憶體晶片可以替代使用，因為都是按照各類裝備的產業標準生產。因為各家產品可以互通，這就是為何中共的DRAM/NAND生產商表現，比邏輯晶片製造商好。

二、美國國防部對晶片的特殊需求

  美國國防部的特別運輸、通訊、武器平台的半導體功能都比較特殊，安全標準也高，能否確保相關供應和這類平台的維護是五角大廈關切的重點。例如標槍飛彈(Javalin)就需要250多個晶片才能用。一個在戰場上的士兵，需要最多六個GPS晶片，裝在他的無線電、測距儀(Range Finder)或是其他裝備上。而雖然用到的晶片和商業用途的晶片基本上一樣，但國防部對於晶片要求更高的可靠性 和效能，因為要用在更不確定的環境中，因此國防部的晶片安全顧慮是很廣泛的。

   第一國防部關注晶片供應鏈的韌性，會擔心供應被切斷或是有人拿晶片供應來威脅。第二個是比較特殊的資安顧慮: