2023年6月25日，媒体报导美国德州大学教授John Goodenough过世消息，享寿100岁。第一次注意到Goodenough是在2019年，瑞典皇家科学院宣布该年度诺贝尔化学奖，表彰3位杰出科学家在锂离子电池研究的贡献，而Goodenough与来自英国的Stanley Whittingham以及日本的吉野彰，共同获得此殊荣。首先我注意到的是他的姓氏，他要如何地介绍自己？I am Goodenough？其次是他得奖时已高寿97岁，是历届诺贝尔得主中年岁最长的一位。Goodenough在锂离子电池最基础的贡献，完成于1970～80年代，也历经40余年才终而获奖。事实上在诺贝尔奖的历史中，有人是因为不幸离世而失之交臂。其中最令人扼腕的是在2000年的物理奖，颁给IC的发明人Jack Kirby，而另一位共同发明人Bob Noyce却已于1990年，在美国德州住家，游泳时心脏病发去世，享年62岁。因此，Kirby在诺贝尔委员会的官方文字记载的是「for his part in the invention of integrated circuit」。锂离子电池因为锂是最轻的金属，且又是在周期表上第一族的元素，有着相当高的电化学反应活性。相较于传统的铅酸及镍氢电池，以锂离子及电子作为电池内部导通的电池，有着轻量化及高能量密度的优势，所以广泛地使用于移动设备及电动车，甚至于储能系统。第一个锂离子电池雏型是由Whittingham于1970年所提出，当时是以锂金属作为负极材料，而以金属硫化物作为正极材料。由于锂金属的活性，电池相当容易燃烧爆炸。Goodenough改用金属氧化物作正极材料，添加钴、锰等金属，一方面改善电池安全性，同时也大幅地增加电池能量密度，也就是建立当今最广泛使用正极三元镍钴锰（NCM）材料的原型。日本学者吉野彰的贡献在于，使用石墨碳作为负极材料，取代锂金属，更进一步改善电池安全性，并增加电池充放电的寿命。有了这一连串突破性的发展，Sony于1991年正式推出第一颗商品化的锂离子电池，从此改变世界。Goodenough是位大器晚成的学者。当他大学毕业时，还被徵召到欧洲参与二战。之后他进入美国芝加哥大学攻读固态物理博士，与杨振宁教授是同学，杨教授最近也刚过100岁生日。Goodenough早期在50年代的研究，以过渡金属磁性氧化物材料为主，应用于磁性记忆元件，包括铁钴镍的各式氧化物。Goodenough是在54岁之后才开始研究电池材料，也因为之前有着无机金属氧化物的基础，得以很快地在锂离子电池的正极材料，做出重大贡献。在美国大学教授是可以不退休的，Goodenough在90多岁的高龄，依旧活耀于学校的实验室，并指导学生。他晚期的研究聚焦于全固态电池的开发，也就是用固态材料取代现行的液态电解液。此全固态电池，不仅可以更进一步地增加电池能量密度，电池寿命的延长，同时充电的时间也可以大幅缩短。Goodenough虽然在锂离子电池上，有着卓越的贡献，但是终其一生，却没有得到任何商业上所衍生的利益。在Goodenough之前，诺贝尔奖最高寿的得主是，获得2018年物理奖的美国贝尔实验室 Arthur Ashkin，当年他已经是96岁，因为optical tweezer的发明而获奖。Ashkin在得奖后，对媒体说他抽不出时间接受采访，因为他正忙于太阳能的研究。也许就是因为全心投入所喜爱的研究工作，使得这些研究人员得以延年益寿，不知老之将至。 

在Chris Miller所着《芯片战争》（CHIP WAR: The Fight for the World’s Most Critical Technology）一书中，多次提到Gordon Moore（1929～2023）与加州理工学院（California Institute of Technology）米德教授（Carver Mead）的互动。在1965年，当Moore还在快捷半导体（Fairchild），手绘出从1959～1965年每一矽芯片中晶体管成长数字，总计只有5点数据，并预测未来成长会依照每1.5～2年以1倍的速度增加。Mead教授当时是快捷半导体的顾问，随即将此称之为「摩尔定律」（Moore's Law）。Mead曾回忆，当时他正在研究半导体内电子的量子穿隧效应（tunneling effect），在此事后没多久Moore就问他，穿隧效应要在很小的尺度才会发生，那晶体管可以做到多小的尺寸？Mead花了些功夫答覆此问题。1968年，Mead提出晶体管尺寸微缩理论（scaling），也就是在MOS晶体管的闸极长度微缩同时，每一晶体管所需耗用的功率是与长度成平方的下降，同时晶体管速度却等比例增加—即晶体管效能是随着晶体管闸极长度微缩，而呈现3次方的改善。当Mead在学术会议上，报告MOS微缩理论时，并预测未来1个芯片上可以有上亿个晶体管存在，并没有多少人相信Mead的理论。当时认为在这麽小的尺寸下，光是所产生的热即足以烧毁整个晶体管。事实证明Mead是对的，Moore's Law横跨超过50年时间，最主要的基石在于尺寸的微缩，而Mead的理论提供Moore's Law的理论基础。Mead在1970年代初期，即洞悉未来芯片上可以制作出众多的晶体管，代表将拥有庞大的算力，其也因此建议英特尔（Intel）高层，发展电脑所需的芯片。不过，如何有自动化的IC设计工具，处理日益复杂的电路设计，成为一个关键议题，Mead的研究随即转向IC设计。Mead于1970年在加州理工学院开设VLSI课程，在课堂上并将学生所设计的各式IC，用统一的光罩，手刻出布局图，最后完成硅片的制作。这比国内芯片设计中心对学术界的服务，整整早了20年。Mead与Lynn Conway于1979年合着的Introduction to VLSI System，更是IC设计者手中的圣经。Mead在1970年代初期，即投入Si compiler的研究，这是电路模拟及布局图自动化的滥觞，造就现在EDA工具的产业。Mead更于1979年提出未来半导体产业，会由多数的IC设计公司（fabless），及较少数目的晶圆厂（foundry）所组成。这与同时期张忠谋先生，在德州仪器（TI）内部所提出foundry概念，不谋而合。笔者在美国求学时，即久仰Mead大名。因为笔者的研究题目是化合物半导体的微波高速元件及集成电路，第一个发明出此类元件（1965年出现的GaAs MESFET）的正是Mead。化合物半导体很难成长出优质的氧化层，不像硅片有高品质的二氧化矽，所以化合物半导体只能利用金属作为闸极，直接接触到半导体。此接触（junction）因为材料不同，衍生很多的界面缺陷，因此电子几乎无法在通道内（channel）运行。Mead很技巧地利用此接触所产生的空乏区（depletion），来控制电子数量，也由于电子远离界面，所以能够自由地运行。至今我们在无线通讯所使用的高频元件，其运作方式依旧是使用Mead的原创。Mead在2000年后，又回到基础物理研究，尤其是量子的电动力学及重力理论。Mead似乎可以在不同的学术领域，来去自如，悠游自得。Mead于2022年荣获日本的京都赏，奖金是5,000万日圆。京都赏是由京瓷（Kyocera）已故创始人，稻盛和夫于1984年所创立，奖励全球对于前瞻技术、基础科学及人文艺术等3个领域有杰出贡献人士。华裔科学家邓青云博士，发明有机发光二极管材料，于2019年获得京都赏；国内清华大学信息科学教授姚期智博士，也于2021年获此殊荣。Mead的学术研究，由基础的半导体元件，到IC compiler的原创，以至于VLSI设计，对于半导体相关的领域做出重大贡献，在学术界还无人能出其右。他的洞察力及远见，更激发整个半导体产业的发展，终究造福大众。

近期外电及本地媒体大幅报导Tesla宣告将减少电动车中碳化矽（SiC）元件的使用量，并造成了几家SiC供应商顿时股票大跌，包括Wolfspeed、意法（STM）、安森美（Onsemi）及英飞凌（Infineon）等。接下来随即即有专家开始讨论，Tesla是如何达到减少75%的SiC用量？半导体功率元件跟摩尔定律最大的不同在于，IC每进入一个新的制程节点，面积就会缩小一半，功率元件远远做不到。于是就有不同的组合被提出来，包括由原先的平面式（planar）SiC MOS晶体管，改为先进的沟槽式（trench）晶体管；或者因为电动车的电池系统要由400V改为800V，SiC MOS耐压也要由650V挺进到1200V，由于电流可以减少一半，SiC MOS芯片面积得以等比例减少。但是，再怎麽算也到不了减少75%。最后只得加上马达所需功率的减少，才勉强可以凑足。可是Tesla同时又宣布，未来马达设计不使用稀土元素，这使得马达效率的提升更形困难。Tesla此举的目的是要降低成本，以建构与其他竞争者的障碍。但不论就使用沟槽式或1200V SiC MOS，的确芯片面积是可以减少，制程却变复杂，实际成本下降反而有限，再加上这些都是所有竞争对手知道的趋势，因此这会是个假议题吗？在提出个人解答之前，笔者想先谈一下制造产业的学习曲线。陈良榕先生在友刊的文章中提到，张忠谋在德仪（TI）及台积电，就是利用学习曲线创造出与竞争对手的差距，这在以制造为导向的产业是非常的重要。试想一个资本摊提完成的半导体厂，不仅成本最低，良率最好，同时单位的产出也最多，而新进竞争者，还在学习曲线的初期，是看不到台积电的车尾灯。Tesla现在也是利用所经历学习曲线的优势，来创造竞争优势，而逆变器（inverter）所使用的SiC MOS就是个可以发挥的项目，因为价格不斐。个人的浅见认为，Tesla是使用Si IGBT（insulated-gate bipolar transistor；绝缘栅双极性晶体管）取代SiC MOS，并使用SiC二极管（Schottky diode），作为IGBT所需的飞轮二极管（freewheeling diode；FWD）。晶体管分为两类，一为双极性（bipolar），另一为单极性（unipolar），也就是MOS。双极性晶体管中电流与电压之间的关系是指数函数（exponential），而MOS晶体管电流与电压是1～2次方关系。所以双极性晶体管在输出电流驱动的能力是大于MOS，但是双极性晶体管是靠输入电流来工作，MOS则依靠绝缘栅极的电压来动作，故双极性晶体管比较耗电。IGBT的诞生即结合此二者优势，在输入端使用绝缘栅极（insulated-gate），而输出保留高输出电流的特性（bipolar）。逆变器主要的应用在于将电池的直流电转换为三相交流电，用以驱动马达。晶体管在此是作为电路的开关，MOS因为是对称的元件结构，可以处理逆向流过的电流。但是IGBT的元件结构不对称，需要额外并联1个FWD。以SiC二极管作为FWD，可以大幅提升其效率，同时IGBT的高输出电流能力，也可以提高逆变器的转换效率。Tesla在Model 3使用SiC MOS之前，也是使用Si IGBT以及Si FWD，现在只需将Si FWD改为SiC。IGBT的缺点在于操作频率较低，无法高温操作，且耐压不如SiC MOS，但这些在现行电动车系统，皆非严重问题。由于二极管电流与电压的关系也是呈指数函数变化，再加上现行Tesla每一相开关是使用2颗SiC MOS并联，笔者估计在相同输出电流条件之下，使用SiC二极管的芯片面积，应该可以是 SiC MOS面积的25%。而二极管是制程最简单的半导体元件，也最便宜，所以在SiC的费用上可以下降到原先的10～15%。只是还须加上个Si IGBT，因此总成本可为原先的30-40%。Tesla拥有别家车厂没有的学习曲线，要拉大与竞争者的差距，如果笔者是Elon Musk，选择Si IGBT加上SiC二极管的排列组合，降低SiC整体用量。

科学家们追求真理是亘久不变的道理，因此主宰整个宇宙的上帝，便成为他们心目中真理的极致。然而，追求真理的路途是坎坷及艰辛的，这又让科学家们深深觉得上帝的不可捉摸，而深受挫折。爱因斯坦（Albert Einstein）大概是最有名以上帝之名，发表评论的科学家。他以「上帝不会掷骰子」，表达对于量子力学哥本哈根学派所主张机率性假说的不认同。「我打赌上帝不会是个左撇子」，出此言的是知名物理学家Wolfgang Pauli，他以提出量子力学中「不兼容原理」（exclusive principle），而获颁诺贝尔奖。这时间点发生在华人物理学家吴健雄女士，准备以Beta衰变实验，验证也是华人物理学家杨振宁、李政道在1956年所提出的宇称（parity）不守恒定律。宇称的意义在于，物质的世界中，经过所谓镜面反射，其所遵循的物理定律是一样的，也就是物理定律存在着空间上的对称性。杨李2位先生的理论说明在弱作用中，也就是粒子的衰变过程中，可以不遵守此守恒定律。吴健雄女士以钴60的衰变实验，证实只有左旋的粒子，参与此衰变反应，也证明此不守恒定律的确存在，也就是Pauli赌输了。可惜的是，当时有好几个实验小组同时间进行此实验，否则吴女士就有机会与杨李共同获得1957年诺贝尔奖。说到上帝，最令人乐道的莫过于俗称「上帝的粒子」的希格斯（Higgs）粒子。在1960年代，任教于英国爱丁堡大学的Peter Higgs，在研究基本粒子的标准模型时，提出一个机制可以赋予基本粒子的质量；后人就以希格斯场（Higgs Field）称之，而这个场的量子化所衍生的就是希格斯粒子。从80年代开始，实验物理学家纷纷提出建造更高能量的粒子加速器，找寻希格斯粒子。然而事与愿违，寻找希格斯粒子的路途是一波三折，包括加速器的建造。因此实验物理学家Leo Lederman，也是1988年诺贝尔物理奖的得主，写了本科普书，而书名是Goddamn Particle「被上帝诅咒的粒子」，用以说明寻找希格斯粒子的挫折及挑战。然而出版商觉得此名不妥，书名也随后更改为「上帝的粒子」。事实上物质无所不在，而构成粒子质量的希格斯场及粒子，也就无所不在，所以被称为上帝的粒子也不为过。到底，上帝的粒子是如何被诅咒的?首先在美国雷根政府（Presidency of Ronald Reagan）时代，通过超导磁铁超级对撞机（Superconductor Super-collider；SSC），利用质子对撞产生的巨大能量，寻找希格斯粒子踪迹。这个计划始于1987年，在美国德州70米的地下，开挖圆周长87公里的通道，预期经费是110亿美元。很不幸到了柯林顿政府（Presidency of Bill Clinton）时期，国会否决继续开发此案所需的经费，而将资金挪到建造国际太空站。至今在德州的草原下，仍留下长度超过22公里的地下隧道。欧洲核子研究组织（CERN）在1989年就已经运作大型电子及正子（Large Electron and Positron；LEP）对撞机，正子就是电子的反粒子。这是个横跨法国及瑞士边界，地底下175米，圆周长27公里的庞然大物。LEP在初期并不是为发现希格斯粒子所设计，在其所规划的实验中，均获得不错的结果。实验物理学家则尝试增加对撞电子及正子的能量，企图一举找到上帝的粒子。就在LEP几乎达到该粒子的理论能量值时，发现几个惊鸿一瞥的零星个案，但却不具有完整的说服力，一步之遥令科学家们扼腕不已。CERN痛定思痛，在2000年时决心拆除LEP，在原址改建为大型强子对撞机（Large Hardon Collider；LHC），这次是针对寻找希格斯粒子而设计，改采质子对撞。这一改就是10年光阴，以及80亿美元的经费。最后终于在2012年7月，经过2组独立的团队，分析相关的数据，分别得到足以采信证据，宣布找到希格斯粒子。历经超过50年努力，无数人力及资金的投入，这大概是有史以来最为浩大的科学实验。诺贝尔委员会也随即将2013年的诺贝尔物理奖，颁给理论提出者Higgs及Francois Englert等2位教授。当时希格斯教授已经84岁了。爱因斯坦曾说「上帝难以捉摸，但并不心怀恶意」（Subtle is the Lord, but malicious He is not），这说明人类在追求真理的道路上，还有很长的路要走。爱因斯坦晚年任职于普林斯顿高等研究院，周末时间仍到研究室工作，同仁见到他劝说不必如此地辛劳，爱因斯坦的回答是「上帝礼拜天也没有休息」。

去年（2022年）底科技界最火红的话题，莫过于OpenAI所推出的ChatGPT，这是个可以透过文字或对话，与人类直接互动的人工智能产物。由于我们是无法有效地分辨出所互动的对像是人或机器，达到所谓图灵验证（Turing test）的终极要求。GPT（generative pre-trained transformer）是所谓的生成型人工智能（AI），只要有主题句或初始对话，这已被训练好的生成型人工智能，即可写出一篇文字流畅且具思想的文章，或者与我们侃侃而谈。人工智能的发展及演进已经历好几个时代，早已跳脱利用海量信息，将人类过往的知识及经验，蛛丝马迹般地寻找出最适切的解决方案，取而代之的是机器自己的学习，并创造出人类没有尝试过的解决方案。生成型人工智能就是近来备受关注的，其所使用的是自我回归（auto-regressive）演算法。程序设计师需要将所欲解决问题的基本规则输入，包括相关的参数，并设定好最终的目标值。接着电脑就开始不间断地自我学习（预测）以及检验，找出各参数在这个当下时间节点的输出预测值，并与上一个时间节点的输入参数做比较（检验），如果两者间有其相关性，则对于下一个时间节点的预测就更有把握及准确。一旦达到所设定的目标值，这个人工智能的自我训练就大功告成。DeepMind在几年前所推出的AlphaZero，在经过4小时的自我学习训练，随即打败所有下西洋棋的电脑程序。自我回归演算法，在各参数不断地预测及检验的循环下，需仰赖庞大的计算能力。所幸先进的半导体技术，已提供所需的运算平台。以使用4纳米技术所制作的最先进高速运算芯片为例，其芯片已内含超过1,000亿个晶体管。不久前超微（AMD）在CES 2023会场上，所发表新一代的运算架构，9颗小芯片（chiplet）的堆叠，使晶体管数目更超过1,400亿颗。其实说穿了，生成型人工智能与量子运算是殊途同归，两者解决问题所采取的步骤都是类神经网络的架构，在不断地预测与优化间，找到最适切的解答。不同的是，量子运算乃自然界微观世界所提供的量子叠加（superposition）与纠缠（entanglement）；人工智能是人为演算法及半导体算力。自然界产物比较难以捉摸，人为的世界比较可以预测。量子运算的硬件架构经过多年的发展，依然很难决定要往哪一个方向前进，这其中制作量子位元（qubit）相关的技术就包括超导体、离子阱（ion trap）、光子或者电子自旋（spin）。在资源无法集中的情况下，势必会影响到量子运算达到实际应用的时程表。甚至有专家开始提出，结合超级电脑人工智能运算的能力，以及量子运算的独特性，相辅相成共同完成艰钜问题的解决能力。换言之，当量子运算还不清楚该如何跨出下一步时，生成型人工智能在演算法不断地精进，及更庞大运算能力的硬件支持下，已逐渐挑战到未来量子电脑所擅长的领域。科技的发展很难用以始为终的逻辑来判断，需要密切关注发展中的每一个环节，并时时做修正。以TFT-LCD显示器为例，OLED的确有非常好的条件取代TFT-LCD，但是整体发展下来，OLED也仅能在中小尺寸的显示器有所着墨。反而TFT-LCD采用OLED作为背光源，更壮大TFT-LCD在产业的声势。个人浅见认为，量子运算有可能走入OLED的命运，甚至更惨。2022年诺贝尔物理奖颁给在量子信息领域有杰出贡献的3位学者，一时间有不少的报导认为量子运算已备受肯定，未来商品化的价值指日可待。事实上诺贝尔委员会所表彰的是这三位学者，以实验证明贝尔不等式（Bell inequalities）的不存在，也间接地指出爱因斯坦狭义相对论的不完备。这全然是根源于基础物理的实证，与未来的应用没有关联。诺贝尔委员会曾颁过2次物理奖给量子霍尔效应（quantum Hall effect）相关研究，原先也被认为未来会有应用及商品化的价值，但后来都没发生。台湾投入不少资源在量子运算的发展上，但如果以未来应用的可行性来审视，人工智能的发展更应该要有积极的规划。

4年一次的第22届世界盃足球赛（下称世足赛），于2022年底在卡塔尔风光落幕，阿根廷在足球巨星Lionel Messi的带领下，夺得阿根廷队史第三座世足赛冠军，仅次于巴西的5座，以及德国及意大利的4座。此次世足赛除了入围的32支队伍的精彩演出外，另一个吸睛的焦点是那颗科技感十足的足球。媒体也大幅地报导在比赛前那颗足球要先充饱电，才能上场。举凡比赛时，该足球在场内运动的3维轨迹，如座标、速度、角速度及加速度等都会被完整记录，而且是实时将数据传送到数据库及信号处理器上。在葡萄牙对战乌拉圭的那场球，葡萄牙大将Cristiano Ronaldo将队友传球，用头锤应声入网。大家都以为是Ronaldo建功，但事后分析数据显示球只些许碰触到Ronaldo的头发，该进球最后是判给其队友。如果读者还有印象，在1986年阿根廷夺冠的世足赛，八强赛中阿根廷对上英格兰，Diego Maradona用头锤进了关键一球，以2:1气走英格兰。事隔多年后，Maradona承认当时是用左手拨进那颗球，并被称之为上帝之手（The hand of God）。如果那时就有如此先进的足球，很容易就能够真相大白了。这颗足球是如何做到有如此的神奇功能？原来足球内含了一个惯性量测单元（inertial measurement unit；IMU），以及超宽频无线传输系统（ultra wide band；UWB），加起来重量不到15克。IMU是由三轴陀螺仪及三轴加速器所组成，使用矽基板的微机电技术（MEMS）所制作。矽基板除了是集成电路制作上最关键的材料外，矽原子间是以共价键作为键结，本身也具有非常优异的机械特性。试想一个12寸的晶圆，直径的长度是30厘米，而厚度却不到0.1厘米，在此长度与厚度比值超过300的基板上，头尾的平整度却能够维持在1个原子差距内，可见其机械强度的优越性。因此在1980年代，学术机构开始利用矽基板及半导体的微影制程，制作出各式微机械元件，如微小型的齿轮、轴承，滑杆等。再加上使用的是矽基板，很自然地可以将相关的信息以电信号传送出来，所以统称为微机电。由于是将力学信息转换为电信号，因此也被称为传感器（sensor）或传感器（transducer）。IMU的制作是利用半导体的制程，在矽基板表面先制作出一个感应膜（membrane），其下方是被掏空的，而感应膜是以精巧的悬臂与矽基板相连接。传感膜的设计，可以用来侦测不同方向的直线加速或旋转的力量，藉由感应膜的位移、偏移或转动，随之改变传感器的电阻值或电容值，间接地也得知受力的方向及强度。由于是微小化的传感器，所以才能放置在足球内。UWB与其他无线通讯系统最大的差异，在于其使用的是脉冲式无线电波，就如同雷达般，除了可传输数据外，更能够精准地量测物件的位置，再加上低功耗特性，近来开始使用在传感网络（sensing network）、物联网（IoT）应用。如果在足球场的周围架上十几个UWB的相位天线，一来可以接收由足球所传来关于球运动轨迹的信息，另一方面也可以实时精准定位足球；甚至球队在训练时，让每一位球员都戴上UWB发射器，教练就可以完全掌握住每位球员的跑位，以及足球运动方位的信息。除了IMU及UWB外，此次世足赛也采用表面有微凹结构的足球，如同高尔夫球的表面一样。由于球在运动时，球的后方会产生一个气压较低的区域，形成扰流（turbulence），增加足球阻力，也增加运动的不稳定性。这些表面的微凹结构，能够有效减少此后方低气压的区域，增加球速及稳定性，同时也增加守门员的挑战，不过这些都是球迷所乐见的。足球是世界上运动人口及球迷最多的运动，也是资源投入最多及市场规模最大的运动项目。现代的科技无所不在，运动市场是科技业很好的合作平台，不仅拥有庞大商机，同时也造福广大球迷。 

美国一家颇具规模，使用成熟制程的IC设计公司，不久前将原本在国内生产的芯片，转移到台湾及韩国的晶圆代工厂；但是转移到台厂，并非是在台湾的工厂生产，而是转移到台厂位于新加坡的晶圆厂。

任教于美国伊利诺伊大学香槟(Champion)校区电机系的Nick Holonyak Jr.教授，于2022年9月过世，享寿93岁。Holonyak在半导体光电领域，有着超过半个世纪的杰出贡献。在LED以及雷射二极管的原创上，更两度与诺贝尔物理奖插身而过。

国家安全近来在科技强权国家，是一个不可被侵犯的领域，在态势上也逐渐走上同仇敌忾的群体行为。

长期以来，日本企业对待其员工以终身聘雇为职志，在此前提下也要求员工对公司永远的忠诚。