半導體晶圓產業的下一步?

2021年第一個月，台灣的晶圓代工前兩大公司台積電(台股﹔2330)及聯電(台股﹔2303)股價紛紛站上五年以來的高峰，「護國山脈」逐漸整隊成形。同時間，由於2020年武漢肺炎疫情影響整個地球，全球經濟一片空蕩，東西半球輪流封城、鎖國，汽車製造商們無法預期這波蕭條將會持續多久，於是調降車用晶片訂單數量。孰料，2020第四季，武肺疫苗如雨後春筍般問世，英國於聖誕節前身先士卒開始施打，各國隨後跟進，全球經濟漸漸心肺復甦。汽車製造商如美國通用汽車及福特汽車赫然發現倉庫裡的車用晶片數量將會跟不上經濟復甦的腳步，數國紛紛向台灣政府及半導體製造商尋求解套。台灣的晶圓代工業儼然成為消費性電子產品的幕後命脈。

2021年第一季末，剛上任一個多月的英特爾(Intel)執行長Pat Gelsinger宣布其公司將投資200億美金於新廠區的設置，計畫2023年啟用，新廠將用於除了生產自家產品，也接單生產其他公司的產品。消息一出，英特爾股價上升近5%，而台積電於美國股市的股價(US:TSM)下滑約5%，儘管兩天之後股價隨即回升，但這個小插曲帶給我們的啟示是：難道晶圓產業也要演變成誰的錢多誰就贏的軍備競賽嗎？

仔細看看英特爾和台積電與聯電的差異性，英特爾並不是像台積電與聯電是專門從事晶圓代工的公司，其產品包含中央處理器(CPU)、顯示晶片模組、伺服器產品、網路產品等等，晶圓代工事業也是其中一個部分。但台積電與聯電則是專注在晶圓代工上，在製造技術上下了極大的工夫，也因此獲得許多晶片設計廠商的青睞而獲得大量的委託製造訂單。但近年來，這個晶圓代工的大餅被其他的巨獸級公司如三星電子盯上，投入大筆資金設廠、培養人才、到處挖人牆角，如今半導體上古巨獸英特爾也站出來搶晶圓代工的餅，很難預測「護國山脈」是否能一直處於不可撼動的地位。

以目前的趨勢，晶圓代工產業像是活在「摩爾定律」的陰影裡，10奈米還不夠，要再縮小到7奈米，然後要再往5奈米、3奈米、2.1奈米、1.5奈米、1奈米，最終比一個原子的尺寸還小？這除了需要更多的技術人員開發製程，更需要花費極大筆大筆的資金升級生產設備，難道沒有別的選擇逃離摩爾定律的緊箍咒嗎？

從處理器晶片的本質來看，製程尺寸的縮小化有其道理：負責邏輯電路的電晶體的尺寸越小，運算的速度會越快，(想像資料是由一輛輛的貨車負責運輸，貨車需要行駛的路程越短，資料傳輸處理所需的時間就越短)，同時相同體積的晶片裡可以塞進更多的電晶體，運算的量也更大，(運送資料的貨車密度更高)。

但是，有個很大的「但是」，縮小電晶體這並不是唯一的解答，反而看起來像是很暴力的解題法。換個想法：如果可以使用現有技術就做得出來的電晶體，但能讓資料運算起來更有效率，那是不是不需要這麼多這麼小尺寸的電晶體？而這個問題的其中一個解答便是：量子計算(quantum computing)。量子計算的優勢在於利用量子糾纏(entanglement)的本質可以在短時間內處理極大量的資料，科學家預測量子電腦在處理龐大資料的運算速度比目前世界上任何一台超級電腦都更快更快。量子電腦可以用於模擬化學反應、資料庫搜尋、流程最佳化(optimization)等等。

而打造量子電腦最基本的單位：量子位元(“quantum bit”或“qubit”)，有多困難？老實說，非常非常非常非常困難，主因是量子位元非常不穩定，資料處理的過程很容易受到外界環境(例如因材料介面缺陷造成電場分布不均勻或內部雜質而產生的電子雜訊)干擾而出錯，因此要製造出穩定的量子位元需仰賴極高可靠度的製程，任何一點缺陷都會被放大得一清二楚。以能夠大量生產製造的前提之下，量子位元的研究多著重在矽基(silicon-based)材料，理由是矽基材料的hyperfine interaction與spin orbit coupling很小，量子位元的量子狀態可以保持足夠長的時間來做資料運算，再者是因為矽基半導體的製程技術成熟度非常高而且穩定，很容易大量生產。

然而，高可靠度的半導體製程正是台灣半導體製造業的強項。2020年有研究顯示使用極為成熟的40奈米製程的電晶體便可以生成量子點，進而可用於量子位元，可見要以現有的晶圓製造技術為基礎來製造量子位元並不是不可能的事情。

英特爾於2015宣布投資5千萬美金與荷蘭量子電腦公司QuTech合作開發量子電腦晶片，於2019年發表其矽基量子晶片的研究，宣示其在量子處理器的野心。量子位元、量子處理器的發展現在還處於非常初期的階段，台灣有培養了數十年的半導體硬底子功夫，同時擁有絕對優勢的半導體製造技術，或許這麼多的半導體製造大廠也可以考慮產學合作或產業聯盟，把次世代的計算晶片-量子處理器的餅一起做大。

延伸閱讀：「量子電腦勇闖晶圓廠」