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科技产业的隔代创新

隔代创新给了半导体业者一个整装待发的机会,在经济效益上,也能延续了上一代技术开发所投入的资源。法新社

创新是科技业生存的不二法门,然而从创新的想法到实际技术及产品的开发,却需要投入及耗费掉相当的资源,因此持续的创新就不见得符合经济上的效益。再加上为了满足应用上的需求,每隔一段时间就须开发出下一代的产品。为了在创新与效益上寻找出一个平衡点,因此科技业就演进出了隔代创新的商业模式。而新一代的创新技术,通常也会有相当的余裕,可以继续使用在下一代的产品上。

另一件有趣的是,每一代新的技术在效能上的提升,通常是以2倍当作一个节点,比如说2倍的速度,2倍的密度等。在现实世界中2倍是相对容易实现的,若一次要提升10倍难度是很高,而且2倍的提升也足以说服使用者采用下一代的产品。

先以半导体制程的创新来说,在元件的微缩上都是以0.7的比例缩小,当作下一代节点的目标,因为在一维尺度上缩0.7,以面积而论就是缩成一半,也就是密度翻倍,而成为原先的2倍。这十多年来的进展,半导体从28纳米开始,技术上导入了high-K以及金属闸极,这是一个相当大资源的投入。所以到了20纳米的节点,就在此架构下,持续做元件的微缩,而没有重大创新技术的投入。

半导体制程到了下一个15纳米的节点,鱼鳍式晶体管(FinFET)被提出,取代了传统平面型晶体管,半导体元件进入了立体的时代,这又是一个划时代的改变。在下一个节点10纳米,因循15纳米的平台。再隔一代7纳米时,微影技术开始导入极紫外光(EUV),取代使用了20多年的深紫外光(deep-UV)的光源。5纳米依旧延续7纳米的平台,但是到了3纳米时代,元件结构又将作重大的改变,晶体管的通道被闸极给全包覆(gate all around),并开始做晶体管的堆叠。所以隔代的创新,给了半导体业者一个整装待发的机会,在经济效益上,也能延续了上一代技术开发所投入的资源。

无独有偶,在光通讯领域也有相同隔代创新的商业模式。光通讯中最重要的效能就是数据传输的速度了,越高的速度就能处理及传送更大量的数据。在100G传输速度的要求下,业者开始使用多通道的架构,这可以是4根光纤,利用多工及解多工器(mux, demux),让同一波长的雷射光在4根光纤内进行,每个通道传25G。100G也可以使用1根光纤,而内含4种不同波长的雷射光,每一波长雷射光传25G的信号。200G的系统基本上是沿用,只是把雷射开关速度增加1倍。

再隔一代400G的系统就有显着的不同,因为每个通道要传100G的信号。过往雷射信号的波包(wave packet)就是开与关,亦即0或1,1个位元,现在需要增加波包的位元数到2个位元,亦即00、01、10、11。同时为了解决封装上的复杂度,开始使用矽光子 (Si photonics)技术。800G的系统目前尚未问世,但基本上会以增加通道数目来实现。

但是到了尚在讨论中的1.6 Tera系统,coherent的同调架构就开始上场了。在半导体雷射开关速度达到极限的情况下,科学家们就开始在调变(modulation)下功夫。这与在无线通讯系统所使用的技术相同,除了振幅上的调变外,得再加上相位的调变。比如说16QAM的调变,就是在每一个波包上能呈现出4个位元,若再加上水平及垂直的偏极化,因此在不改变雷射开关的速度下,传输的数据量增加了8倍。

无线移动通讯系统也有隔代创新的相同模式,毕竟每一代的系统开发及建置是非常耗费资源的,这包括了频谱的竞拍、手机的更换及基站的建置。所以在第二代2G移动通讯中,业者引进了数码式的TDMA以及CDMA的多工技术,有别於第一代的类比式,增加了载波频率的使用效率,以服务更多的客户需求。到了3G时代,基本延续了上一代CDMA架构,只是开始数据端的传输大於语音的传输。4G的移动通讯是个大的演进,采用了全封包(packet)的通讯及交换协定,传输的量也由每秒Kbit推进到Mbit。在天在线也采用多重MIMO智能天线,更进步增进频率的使用效率。所以业界流传了一个说法,就是偶数时代:2G/4G比奇数时代:1G/3G表现的好。

照理说5G应该是个让大家能喘口气的机会,可沿用在4G上所建立的基础,然而事实却非如此,到底发生了什麽事?其一是国内以华为及国内移动为首的业者,在4G发展之初就开始布建5G,准备弯道超车。当西方世界意识到时,国内已经建立起5G相当完整的布局,这也就引发了一连串科技及商务战争,而争相投入5G的战局。另外频谱也就是电磁波,不会无中生有,更无法靠人类的努力创造出来,而现有可利用的频谱,多半都被军事、航太、海事等通讯所占用。5G时代甚至使用到了毫米波,这很可能是无线移动通讯系统,在频谱上的最後一片净土了,也再次地凸显了5G的重要性。

有句广告词说「科技始终来自於人性」,科技界在每一代创新上中,也需要休养生息好整暇以待,同时也期望在先前所投入的资源,要能获利极大化。所以隔代创新的做法,是不是很人性呢?

感谢阳明交通大学光电系陈智弘教授,在关於光通讯技术上的讨论。

曾任中央大学电机系教授及系主任,後担任工研院电子光电所副所长及所长,2013年起投身产业界,曾担任汉民科技策略长、汉磊科技总经理及汉磊投资控股公司CEO。