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詹益仁
  • 乾坤科技技术长
曾任中央大学电机系教授及系主任,后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。
算力即国力,也是王道
数周前NVIDIACEO黄仁勳在GTC 2024大会上发表新一代的GPU (B100/B200)。这B系列的GPU打破相当多纪录,首先这GPU是由2颗独立的芯片并排结合而成,采用台积电先进的4纳米N4P制程,而接合的方式是利用台积电CoWoS(chip on wafer on substrate)先进封装技术。每一个芯片内涵1,080亿个晶体管,这是首次单一芯片晶体管的数目超过1,000亿颗,2颗加总共有2,160亿颗。1980年代我们在念半导体的时代,1个芯片所含晶体管的整合度,由SSI(small scale integration),到MSI、LSI以及最后的VLSI(very large scale integration)。VLSI所定义的单一芯片所含晶体管的数目,也不过是100万颗。现代的科技将这个数字推进10万倍。我们都知道GPU的算力跟晶体管的数目是直接相关,要增加晶体管的数目,一则是利用微影技术缩小晶体管的尺寸,另一则则是增大芯片的面积。就增大面积而言,在NVIDIA B系列前三代的GPU(H / A / V系列),芯片的面积就已经超过800平方厘米,将近3厘米的平方。事实上这芯片面积,包括B系列在内,已经是12寸晶圆的极限,若继续扩大芯片的面积,良率及在1片晶圆所能产生的芯片数目,都会受到很大的影响。在无法继续增加芯片面积的限制下,将2颗芯片利用先进的封装技术,紧密并排在一起,如同1颗大的芯片,将会是未来的常态。苹果(Apple)M1 Ultra处理器,就是由2颗M1芯片并排组合而成。吊诡的是,这回B系列GPU使用的是台积电进阶版N4P制程,与前一代H系的N4相比,根据台积电所公开的数据约是效能提升6%。然而,以单颗B系列的芯片为例,其晶体管的数目相较于H系列,增加约30% (1,080亿颗 vs 800亿颗)、功耗约略减少30%(500瓦 vs 700瓦),换言之,效能提升将近50%。除非NVIDIA在B系列的GPU设计架构上,做了重大突破,否则很难想像这50%的效能改善是从何而来?个人认为很大的改善在于,这2个芯片中的数据传输的损耗大幅下降。2个芯片中所传输的数据量是10TB/s,也就是每秒传输10的13次方的数据量,而M1 Ultra的数据量却是2TB/s。紧密结合芯片中的数据传输所产生的功耗,是远小于数据由芯片传输到印刷电路板上,再到另一个芯片上。两者之间的功耗差距,除了距离长短之外,芯片与电路板间的阻抗不匹配,都会造成传输上的损耗。换言之,在不断需要提升算力的同时,利用先进封装将几颗运算芯片,紧密地结合在一起,未来将会是一个关键。如同利用矽光子及CPO(co-package optics)技术,将数据中心的交换器,大幅地减少其功耗及增加传输数据,是相同的道理。算力除了跟芯片效能有很大的关系外,也跟计算机的架构有关。我们以人工智能运算及量子运算为例,最古典的运算如附图(A)所示。运算犹如一排车阵中,靠时序的控制(sequential control),一部车启动后接着另一部,到最后一道指令,才完成整个车阵的纾解。然而在AI的运算中如附图(B)所示,使用大量平行运算,1个GPU内部包含了数以千计的运算核心,因此算力远大于古典的运算,但基本上仍存在时序的控制。量子运算就完全不同了,如附图(C)所示,在并排的车阵中利用量子的纠缠(entanglement),就宛如一张网络将所有的车子四面八方的圈住在一起,没有时序的控制,一声令下就全员移动,因此算力又远大于AI,相较之下所耗损的功率却少了很多。然而要产生量子纠缠,必须要在极严苛的环境下产生,如超低温及超低杂讯,有太多不可控因素,所以时不时会有错误发生。个人浅见是,量子电脑很难成为一个商品化的产品,更谈不上可靠度及品质管理系统。最有可能是大型的研究机构或大公司的研发部门,拥有台量子电脑,而且每售出1部量子电脑,原厂就得要有一组工程及技术人员进驻该单位。不可否认算力即国力,GPU/AI的算力在未来一段时间内,仍然会是主流。在算力不断地被要求提升之下,芯片的功耗及信号的传输量,会是瓶颈之所在。先进的封装技术如CoWoS,将会是各国所关注的焦点。
2024/5/2
宁可信其有的迷信
台积电熊本厂(亦可称为日积电,Japan Advanced Semiconductor Manufacturing;JASM)日前不久举行开幕仪式,一时冠盖云集,台日双方重要的政经人士均出席开幕盛会,见证此历史性的一刻。媒体对此重要的事件有诸多的报导,在此不再赘述,但是不知读者是否注意到日积电的英文标示,是用英文小写的,尤其是j上面画龙点睛的一红点,也正象徵日本国徽。如果读者注意到日本对外重要的活动,其中的J都一律用英文的大写,我尤其喜欢大谷翔平代表日本国家棒球队时,队衣上那非常流线英文大写的J,形貌近似于日本的国土。也许读者会说台积电的英文也是用小写的,这就是关键所在。台积电tsmc为何舍弃英文的大写,而改用小写?台积电蒋爸(指蒋尚义)曾跟我说,这是经过高人的指点,因为大写的T出不了头,小写的t可以出头。虽说是迷信,但是台积电决策者能从善如流,宁可信其有,也是美事一桩。所以日积电大写的J出不了头,小写的j可以做到。在此不禁想到AT&T也将商标由原先大写的T,增加了小写的版本,难道是受到台积电成功的影响?在科技产业中如果说起迷信事件,绿色的乖乖算是其中最为人所谈论的,你很难想像在先进半导体的机房中,摆了为数不少的绿色乖乖。绿色代表机台在正常的运转,为了保持机台的稳地度及妥善率,绿色乖乖是绝对少不了的。这一开始也许只是个别的行为,但是在心理作用的怂恿下,逐渐扩展为全民运动。就连超微(AMD)的苏妈(指苏姿丰)来台会见在台员工,也要跟绿色乖乖合照张相。这个习惯也曾被英国BBC所报导,当时还有人戏称,我们真正的护国神山秘密,被别人给揭穿了。前不久我们公司在国内工厂的机台一直有状况,我就请要去国内维修的工程师随身带几包绿色乖乖,大概效果不错,国内的工厂随后通知我们,要寄一大箱的绿色乖乖给他们。这类避邪趋吉的做法,如果善用的话,倒也可以振奋人心激励士气。美国在独立战争中,有段时间陷入与英军的苦战。但当战事延伸到纽泽西州时,华盛顿(George Washington)将军率军在恶劣的天候下勇渡特拉华河,突袭英军逆转战事,被视为是美国独立扭转乾坤的一役。但是在行前却人心惶惶,华盛顿将军于是召集相关的军官及士兵,从口袋掏出一枚硬币,说掷币的结果如果是人头面朝上,代表得到上天的祝福,会打胜仗。果然掷币结果是人头面朝上,且一连几次都如此,军心因而大振,最后取得关键胜利。事后华盛顿将军拿出那枚硬币,结果硬币的两面都是人头。在军中不仅有很多迷信甚至是禁忌,个人服役时是海军的雷达部队。海军最忌讳的是餐桌上吃鱼不能翻身,因为这意谓着会翻船。有回我不小心将鱼给翻了身,身旁的军官看我一脸惊吓样,连忙说我们是陆上部队,不信这一套。至今我还感谢这位帮我解围的军官。 
2024/3/28
半导体的经济学思维
最近读了几本关于经济学的书籍,对于经济学家利用逻辑分析、数学模型或田野调查等方法来解释或预测人类或社会的经济行为,如成长、衰退、贫富等,留下深刻的印象。不免起心动念东施效颦,想要对自己所理解的半导体产业及人才做一番解析。众所周知,半导体产业链可略分为上中下游,在此上游定义为晶圆制造,中游为IC设计,下游则为系统应用。愈往上游走,知识所需的层面就愈基础且深入,也愈硬件导向;往下游走所需的知识就愈广泛,愈偏应用及软件。半导体人才的培养彷佛也有上中下游的概念。以前在学生时代,听过老师们提起如何培养一位最适切的半导体人才,就是在大学时念物理,硕士时读材料,最后再攻读电机博士。由理科到工科,也由基础到应用。先来谈人才的养成。有不少半导体领域的专家,都是在大学时念物理,之后在博士时转念电机,而卓然有成。前国立阳明交大校长张懋中院士便是此思维下的翘楚,经由物理及材料的训练,最后拿到电机博士,并成为半导体界国际知名学者。顺流而下似乎是水到渠成,但是逆流而上呢?大学时念电机,而博士研究转攻物理,甚至是理论物理,没有太多成功的案例。约莫二十年前,台大物理系的招生广告中,曾高调地宣传,当时在台积电任职副总以上人士,毕业最多的学校是来自于台大物理系。最近材料专家彭宗平教授,也在媒体表达了,在园区半导体业很多的主管是材料系毕业的。这些都说明了,顺流而下是趋势,也是个好的选择。产业界又如何呢?先经过了晶圆厂或IDM厂的历练,转而从事IC设计,而成就一番事业者大有其人。之前在IC设计领域红极一时的晨星半导体,其创业团队就是来自于世大集成电路,从事晶圆代工。但是在IC设计表现优异的公司,转而往上游晶圆制造发展,锻羽而归者却时有所闻。十几年前矽统科技自建晶圆厂,就是个失败的例子;最近又有专攻功率IC设计的公司,在盖自己的晶圆厂。毕竟IC设计所需的半导体制程技术种类繁多,不是一座晶圆厂就能够涵盖的;此外两者的文化差异颇大,晶圆厂需要严谨的态度及做事方法,要经营的好需要有高的产能利用率,在在都与IC设计的思维不相符。但是中游的IC设计与下游的系统应用间的隔阂,却不是这麽显着,两者之间存在着既合作又竞争的态势。IC设计公司已不再是单纯地提供芯片,而是要提供一个解决方案。苹果(Apple)就是鲜明的例子,不论是电脑所使用的CPU,或是智能手机内的AP处理器IC,都是自己所设计。近来云端服务业者,也开始自行设计AI的芯片。只要是量够大掌握出海口,且能找到合适的团队,系统应用业者是可以往中游的IC设计去发展。但是也有失败的例子,如不久前OPPO便结束旗下的IC设计公司。华为这几年受到美国的制裁影响不小,创始人任正非曾公开表示,未来就是要用钱来砸数学家或物理学家,回过头来把自家属于上游的根基做好做稳。我在美国留学期间,参加过一场光电领域的研讨会,会议最后的问答时间,来自加州理工学院(Cal Tech)的光电大师Amnon Yariv教授,就在黑板上写了马克斯威尔(Maxwell)的4个方程序,然后说所有的解答都在里面。事实上,在电机半导体领域最常使用的欧姆定律,就只占这4个方程序的一小篇幅。Open AI 创始人Sam Altman最近宣称,要花费巨资自建多座先进的晶圆厂,生产AI芯片。换言之就是由下游,直接挑战上游。经济学有趣的地方在于,永远都会有另外一只手(on the other hand)。有原则就会有例外,这是在处理经济问题,经常会发生的。Altman是否会成功,且拭目以待。 
2024/3/4
大学薪资结构也是另一个国安议题
不久前与一位任教于顶大IC设计的大学同学联系,希望同学能推荐其所指导的博士毕业生,因为他一直是有志于IC设计的年轻学子,最希望能争取加入其麾下、炙手可热的指导教授。只是得到的回覆却是,在过去的4年中,他只有毕业1位博士生。现在学子在拿到硕士学位后,便急忙投入产业,连大学现在也很难争取到半导体相关领域年轻的助理教授。同学还无奈地表示,社会大众有意识到年轻助理教授的难觅,增加不少额外的奖励及福利,最不幸的是像他一样的资深教授,缺乏被关爱的眼神。有位也是任教于顶大的杰出电机系教授,最近被国外的大学以新台币600万元年薪挖走。但是这600万的年薪说高也不高,约略等于国内硕士毕业后工作10年以上,表现不错并在获利的IC设计公司任职的年薪。当一位大学教授,发觉自己所培养出来的研究生,毕业后的薪资没多久便超越自己,会是情何以堪。我们现有的大学教师薪资结构,是不分系所都是一致的,所依据的是公务人员服务法。试想如果今天政府规定所有的大学毕业生,不论其所学专长为何,就业后的薪资是一样的,完全不考虑市场机制,而未来的升迁是以年资为主要的考量,请问这不是很荒谬吗?事实上,现行大学教师的薪资结构,大致如此,为何不能做些改变?我在美国留学时所就读的大学,每年都会公布教职员的薪资。记忆中当时教授年薪最高者,是位医学院的外科教授,其薪资几乎是文学院老师的4~5倍,学校美式足球总教练的薪资是高于大学的校长,这一切都是市场机制所决定。唯有市场导向的薪资结构,才有机会创造出有竞争力的环境。事实上在三十年前,大学教授的薪资是高于业界水准,再加上有寒暑假及退休金制度,可以吸引不少博士毕业生,争相从事教职及研究工作。但是经历这麽多年,学校的薪资仅微幅调涨,与业界的差距是逐年拉大。老成凋零与青黄不接,是我们目前以科技为主体的大学师资及系所的写照。我们不断地在强调人才的培育,也投入了不少资源,但是身负培养人才的大学教师们,他们的福利是否有被照顾到?甚至于该如何争取到优秀的人才,愿意来大学任教,这一切已经是个不折不扣的国安议题。政府已经推行大学弹性薪资有一段时间,让学校对于表现优异的教师,给予特聘教授或讲座教授的头衔,并得到一定调薪的比例。但是我们要提出的不是20~30%的调整,而是倍数级且符合市场行情的薪资差别。今天一个系主任,倘若系上老师因为外界给予2倍的薪资而提离职,系主任要能拥有资源提供出对等的薪资结构来挽留,而非眼睁睁地予以祝福。既然大学教师的薪资结构是个国安议题,便不能再以与法无据而加以搪塞,齐头式平等不是真平等。前些时候我们与国内一所大学进行项产学合作案,执行计划的教授把属于自己的人事经费列得比较高,但是我们觉得很合理,因为的确有这个价值,但是却被校方打回,因为超过规定上限。上一回的地方县市长选举,少数几位候选人的硕士论文,因为涉嫌抄袭而被迫退选。社会上就出现一种似是而非的说法,主张硕士学位要写硕士论文,是个过时的产物而应予废除。还好是大学的自主,顶住政客们凌驾专业的谬论,我真不敢想像一个没有论文的硕士学位,其竞争力在哪里?既然论文都可以考虑废掉,为什麽薪资结构不能做重大的调整?我的大学同学依旧每天兢兢业业在做研究指导学生,学生们毕业后高高兴兴地展开其璀璨的前程,但这一切可以维持多久?现在是时候来关注大学薪资结构的国安议题了。
2024/2/20
拿破仑的钮扣与马蹄钉
不久前在电影院观看《拿破仑》(Napoleon)一片,距离上回看拿破仑《滑铁卢战役》(Waterloo)一片,已经是五十多年前的事,那时我还在念小学。《拿破仑》演到1812年,拿破仑率领六十多万以法国为首的大军,攻打俄国。在严寒的冬天一路打到莫斯科,但是因为俄国采取焦土策略,大军得不到适当的补给而落败。最后仅残余数万军队。此次挫败也造成拿破仑第一次遭放逐。事后历史检讨此次作战失利的原因,当然包括严寒、补给,甚至于认为部队已严重感染伤寒。但是好事的化学家,却提出不同的看法,认为拿破仑在俄国战败,原因出在部队的军大衣钮扣。因为大衣钮扣是用锡所制作的,锡在常温下可闪闪发光,但在严寒下却会开始裂解,部队因无法保暖作战而落败。结论是拥有军事天赋的拿破仑,欠缺化学知识。无独有偶地,15世纪的英国国王理查三世,御驾亲征在玫瑰战役中(Wars of Roses),因为坐骑的一个马蹄铁掉落,重摔在地而失掉战役及一个王国。这个掉落的马蹄铁,却是因为少钉了一个马蹄钉。这也是拜登(Joe Biden)总统在刚上任时,一手拿着半导体的晶圆告诉媒体,半导体就是美国的马蹄钉(horseshoe nail),失去一个马蹄钉,就失去一个王国的典故。如同一颗钮扣,决定一场战役。半导体不仅是美国的马蹄钉,对于世界几个主要的大国亦是如此,当大国们体认到马蹄钉的重要时,代表其已经开始失去了。众所周知,半导体是发源于美国。二次大战后,美国为了围堵共产势力,认为扶持起日本,振兴日本经济,对美国是有利的,当然台湾也获得美援及美军协防。Sony创始人盛田昭夫,在1948年就到了贝尔实验室,看到才刚发明的晶体管。日本很快地取得美国授权,开始发展半导体产业,之后的70年代,日本制可随身携带的半导体收音机风行于全球。到了70年代初期,当时美国总统尼克森(Richard Nixon)曾说过,一个有历史的民族,是不会满足于只当晶体管收音机的制造者。果不其然,日本的半导体产品开始席卷美国的市场,尤其是DRAM,美国厂家纷纷退出。我记得在美国留学期间,参加国际电子元件研讨会(IEDM),当时的主流技术几乎都是由日本公司所发表。美国感受到威胁,祭出针对日本的关税、反垄断等商务措施,同时开始扶植韩国。日本半导体产业的衰败,除了日圆升值、泡沫经济、未能掌握到数码时代的来临等因素,但也跟韩国崛起有密切关系。除此之外,美国为了拉拢国内大陆加入西方的民主阵营,以对抗俄罗斯,于90年代中开始,想办法促成国内以开发国内家加入世贸组织,国内因而受惠于自由贸易,经济崛起,也获得不少来自西方的尖端技术。然而,国内还是决定要走不一样的路,与美国抗衡,也导致近来的科技制裁,尤其在半导体领域。台湾的半导体产业则完全不在美国的战略架构下,所独立发展出来的,但是跟美国也脱离不了关系,因为我们的人才养成及技术来源,很多都来自于美国。经过了几十年的努力,台湾是个拥有半导体马蹄钉的国家,现在我们忙着到全球各地帮马匹们钉马蹄钉,因为这些国家认知马蹄钉就是国家安全。但是一旦这群马匹都有了牢固的马蹄铁,我们的国家安全是否因此失去保障?事实上,半导体产业是最不需要去客户端就近设厂,服务国外的客户,因为半导体本身就没有关税,而且又轻薄短小,一个纸箱就可价值数百万美元。在《拿破仑》及更早的《滑铁卢战役》电影中,都描述在滑铁卢战役,起初法军是占上风的。但在中午过后,拿破仑因为身体不适,一度将指挥权交给副手,因而出了乱子,其所倚重的骑兵大量地损失,再加上敌军增援部队的来到而落败。所以一个公司甚至一个国家,指挥权的转移是非常的关键。我们的马蹄钉不多,国家安全要有保障。
2024/1/18
崛起中的国内第三类半导体产业
不久前我请教台湾一位长期投入碳化矽(SiC)元件开发的教授,我问他,你使用过不同厂商的基板,哪一家的表现最好?因为碳化矽基板占其制作好晶圆成本的一半以上,而且又是技术难度最高的部分。他莞尔地对我说,要说实话吗?他的结论是国内的表现最好,而且价格最具有竞争力,台湾生产的及美国的次之,美国厂商因为是IDM,最好的基板大都留给自家用。几个月前有2则新闻吸引我的注意,一则是德国英飞凌(Infineon)与国内的山东天岳、北京的天科合达,签订碳化矽基板长期采购合约,现阶段供应6寸晶圆,而未来将是8寸。2家公司是目前国内碳化矽基板的主要供应商。另一则新闻是欧洲的意法半导体(STM)与厦门的三安光电,计划在重庆建1座8寸碳化硅片厂,剑指国内蓬勃发展中的电动车产业。三安也规划自建1座8寸碳化矽基板的生产基地。英飞凌与意法,占碳化矽元件及模块全球市场50%以上比例,而意法更是率先在2018年供应Tesla Model 3碳化矽元件,此举正式引爆碳化矽风潮。目前全球碳化矽基板的需求量每年约50万片,以6寸为主流,七成以上由美国的2家厂商所供应。国内市占率大概10%,但是随着产能逐渐开出,以及国内在电动车的强劲需求,预估国内碳化矽基板的全球市占率,很快会超越5成。现在碳化矽产业目光的焦点在于8寸晶圆开发,传统6寸以下的成长单晶柱(ingot)的方法,是使用蒸气的昇华法,将6寸的seed wafer置于上端,利用高温炉内材料的蒸气附着于上端晶圆的表面,而得以成长晶柱。此方法最大缺点,乃晶柱成长速度慢且晶柱长不厚,若运用此法在成长8寸的基板,将更形捉襟见肘。上述国内的2家供应商已开始使用新的液态成长法,来成长碳化矽8寸晶柱。此法较接近一般硅片的晶柱成长,在上端可以使用较小尺寸的seed wafer来成长8寸的晶柱,由于不需要到气态,成长的温度也可以较低,同时速率较快,晶柱也可以厚些。但是液态成长法需处理液态材料与固态晶柱的界面,在温度梯度的控制要非常精准,这恐怕不是一般商用炉子能做到的。因此推论国内供应商已经具有自建精确温度控制炉子的能力,事实上一家产能够规模的碳化矽基板厂商,是需要上千台的高温长晶炉,因此自建高温炉是必要的选项,这方面国内的供应商是做到了。我们再来谈另一个第三类半导体氮化镓(GaN)。不久前的一则新闻,美国一家氮化镓元件主要供应商EPC,向美国联邦法院及国际贸易委员会(ITC),控告国内的英诺赛科侵害其在氮化镓元件的专利。事实上英诺赛科从2023年第1季开始,其在氮化镓元件的营收已经跃居全球首位,其在珠海及苏州各有1座8寸氮化镓专属的晶圆厂,以及超过20部有机金属化学气相沉淀设备(MOCVD)成长氮化镓的磊芯片。目前月产能为1.5万片,占了全球总产能一半以上,预计在2025年英诺赛科产能要扩充到每月7万片,以此推估需要70部MOCVD机台。英诺赛科有别于其他主要氮化镓供应商,其商业模式是IDM,在成本上相对是有优势。相同的元件规格,比其他供应商的价格低30~50%。氮化镓元件在2年前,因为65W的手机快充电源插头热门一时,如今市场比较低迷。但是近来在人工智能(AI)服务器所需的直流电源转换,对于中低压氮化镓的需求正在崛起,这部分需要操作在较高的切换频率,及更大的输出电流,正符合到氮化镓的物理特性。如果氮化镓的价格有机会降到略高于矽基功率元件,毫无疑问氮化镓的需求是会起飞的。在第三类半导体研发上国内也是不遗余力地投入。以大学为例,几所着名的大学,如北京清华、浙江大学、西安交大、成都电子科大,甚至南京航天,都成立关于第三类半导体的研究群,训练出众多的硕博士生投入相关的产业。每年IEEE功率半导体最主要的会议ISPSD,国内的高校在第三类半导体的议题上,贡献一半以上的论文。国内第三类半导体厂商的确接受政府为数不少补助,才得以建立今天的产业规模。从已公布的财报而论,山东天岳及天科合达本业都是亏损的,英诺赛科离损益两平是更遥远。在此情境下,各家仍卯足全力来扩产,似乎是不理性的行为。但是综观国内过往在太阳能、LED甚至锂离子电池,在市场还在萌芽之际,便积极地投入产能,只要这个产业的成长性是可被预期的,假以时日,国内拥有这产业的半壁江山,就具有充分话语权。台湾该如何自处呢?在此态势下。多年前个人就说明了,第三类半导体产业需要供应链的垂直整合,而在台湾却缺乏政策上有效的支持,现在再来谈,为时有点晚。我们只有期望在全球两大阵营的僵持下,我们想办法能左右逢源,但这可以维持多久呢? 
2023/11/24
神奇的韦伯红外线太空望远镜
2023年9月下旬,媒体报导韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope;JWST)探测到木星的第二号卫星(木卫二,Europa)的表面冰层,有二氧化碳的踪迹。科学家长期以来认为在木卫二及土卫二(土星的第二颗卫星),其表面冰层下因为引力的作用,存在着丰富的海水。这两颗卫星是太阳系内除了地球外,最有可能存在生命的星球。土卫二在先前已有NASA卡西尼(Gassini)太空船飞越,侦测到其表面有碳、氢、氧、氮甚至磷等,构成生命必要元素,而此次木卫二是经由太空望远镜的观测而获得。韦伯太空望远镜自从2022年发射升空后,除了提供了更遥远星际的清晰影像外,由于其主要观测的光谱位于近红外线(near IR;NIR,波长0.6~5微米),及中红外线(Mid-IR;MIR,波长5~28微米),可见光波长是在0.4~0.7微米,因此对于天文学家研究宇宙的形成、星系的演化及探测可能的生命,提供必要工具。除了影像的提供外,韦伯太空望远镜也内建分光仪,可以做光谱分析,恒星的发射光谱或者行星的吸收光谱,举凡二氧化碳、氢分子或者甲烷等,都逃不过它的利眼。韦伯太空望远镜是如何做到的?这个伟大的计划是为了接续第一代的哈伯(Hubble)太空望远镜而成立,从构想到实现超过20年的功夫,总耗费100亿美金,由美国、欧洲及加拿大三个太空单位合力所完成。韦伯太空望远镜是为了纪念美国在执行登月阿波罗计划时期,NASA的主管James Webb而命名。韦伯与哈伯除了侦测的光谱不同外,哈伯以可见光为主,两者所运行的轨道也不一样。哈伯是位于地球上空约550公里的高度,相当于现在低轨卫星的距离;韦伯太空望远镜却是位于离地球150万公里的超高空,是月球与我们距离的4倍远。为何会放在那麽远的太空?原来那个区域是个所谓被引力遗忘的角落。十八世纪2位伟大的数学家Leonhard Euler以及Joseph-Louis Lagrange,已计算出在地球运行的轨道面,有5个区域是太阳与地球引力互相抵消的地方,这150万公里的高空是离我们最近,且同时可以背对着太阳、地球及月球,可以避免三者所造成的光害。哈伯因位于低轨道,因此时时受到这三个星球不同引力的影响,需要使用燃料喷气,来调整望远镜本体的姿态及角度。韦伯没有此一限制,可以让望远镜的生命周期更久。但是低轨道的哈伯是太空梭可以抵达的地方,可以进行必要维修,韦伯可就没有这个福分了。记得哈伯在刚运作时,影像是模糊的,原因是镜片有2微米的误差,后来是透过太空梭及太空人实施必要更换,方能正常运作。韦伯的核心是NIR以及MIR镜头,这两段光谱是如何被吸收而转换为电信号,传回到地球?这里就牵涉到2种不同的半导体材料。作为红外线的光侦测器,这分别是NIR的碲化汞镉(Hg1-xCdxTe;MCT)以及MIR的Si(As doped)。MCT乃化合物半导体,一般大众所熟悉的化合物半导体是IV-IV(四四族)的SiC, SiGe,或者III-V(三五族)的GaAs、GaN,而MCT却是II-VI(二六族)。II-VI族半导体其共价键愈弱,而离子键愈强,因此不论在晶体或磊晶的成长,或是在制作元件上就更具有挑战性。这两种红外光侦测元件,分别是由2家位于美国加州,专业于光侦测器的公司所研发完成。MCT藉由改变x的组成,也就改变半导体的能隙(bandgap),因此可将光侦测元件的吸收光谱的临界值,由波长0.8微米(x=1)调整到5微米(x=0.3);Si(As)则是利用砷掺杂在矽半导体内,所需要的游离位能(30-40 meV),当作MIR的吸收能阶,使得元件得以吸收28微米的红外光。然而这2种红外光的侦测器,都得在极低的温度下操作,尤其是Si更是需要在绝对温度10K以下的超低温工作。韦伯在面对太阳的一面,温度常会超过摄氏50度,科学家们利用特殊的材料,制作出大面积且极薄的光罩版,阻绝太阳的光及热,使得在很短的距离内,温度可以下降300度,让这两类的红外光侦测器,才得以正常的工作。30年前当笔者刚任教于国立中央大学,参与部分中研院天文所的无线电天文望远镜的计划,时任中大校长的刘万亿汉先生就告诉我,天文观测所使用的技术都是最尖端的科技,刘校长本身是位太空科学专家。这件事发生在中研院的次毫米波无线电天文阵列上,也同时见证于韦伯红外线太空望远镜上。
2023/10/19
半导体与贝尔实验室
2023年7月28日台积电盛大地庆祝其永久性研发大楼的落成,过去台积电的研发中心都是跟着不同的厂区而迁移,逐水草而居,如今拥有永续基地。这栋大楼可容纳超过7,000名研究人员,而台积电的研发经费,多年来都占其营收的8%。以去年(2022年)超过730亿美元营收,研发经费就将近55亿美元。所以创始人张忠谋特别提到,台积电的研发经费,远远超过麻省理工学院(MIT)1年约20亿美元的研究经费。董事长刘德音在研发大楼落成庆祝仪式中,特别提到希望将台积电的研发中心,打造成台版贝尔实验室。贝尔实验室这座我学生时代心目中的科学圣地,是造就15位诺贝尔奖得主的殿堂,包括2位华裔的崔琦及朱棣文教授。研究半导体的学者若此生没到过贝尔实验室做过一段时间的研究,如同伊斯兰教信徒没去过麦加朝圣般。贝尔实验室的经费来自于母公司美国电话及电报公司(AT&T)。1982年全盛时期,贝尔实验室经费是16亿美元,员工2.2万名,其中博士学位者超过3,000人。当时AT&T年营收是347亿美元,占当时美国GDP的1.1%,所以贝尔实验室的研发经费是AT&T营收的4.6%。1984年因为反垄断法的关系,AT&T拆分7家独立的区域型电话公司,从此贝尔实验室的经费及重要性开始走下坡,如今已成为诺基亚(Nokia)旗下一员。众所周知晶体管的发明,诞生于1947年的贝尔实验室,除此之外MOS晶体管、非挥发存储器floating gate、半导体雷射,甚至于也拿过诺贝尔奖的CCD元件,皆出自于贝尔实验室,当然还有更多在半导体领域重要发明。延伸报导台积电全球研发中心启用 张忠谋透露台湾成全球兵家必争之地的关键 (新增影片)贝尔实验室从1940年代,一直到1990年代,在半导体领域的研究上一直是独领风骚。MOS晶体管以及其所衍生的CMOS,是所有集成电路以及分离器件中最被广泛使用的元件结构,于1959年由Mohamed Atalla以及韩裔的Dawon Khang(姜大元)博士在贝尔实验室所共同发明。MOS元件的特点在于,在晶体管的控制端—闸极(gate)金属下方成长一层薄的二氧化矽绝缘层,可利用绝缘层的电容来控制输出的电荷量,同时不会有电流流进闸极。当晶体管尺寸愈做愈小的同时,MOS所消耗的功率愈少,而操作的速度就愈快,成就摩尔定律,也造就今日世界。现今半导体两大存储器分别是DRAM以及Flash(NAND、NOR),DRAM是1966年由IBM所发明,其作用是将电荷储存在矽半导体所制作的电容内,并由电荷电位的高低决定记忆的位元是0或1。但是半导体内的电容很容易漏电,随时得补充电荷以维持记忆状态,一旦关掉电源记忆随即消失,故被称为挥发性存储器(volatile memory)。Flash是非挥发性存储器(non-volatile memory),即使无电源供应,记忆状态依旧保持。其中最关键的结构floating gate,是施敏教授(S.M. Sze)与姜大元博士于1967年提出。此架构是将储存电荷的闸极,完全包覆在二氧化矽绝缘层内,不会有漏电流发生,而电荷是利用量子穿隧效应(tunneling)注入进floating gate。据施敏教授口述,他是在实验室大楼自助餐厅看到鲜奶油蛋糕,在蛋糕内的层与层之间,涂了一层薄的鲜奶油,激发floating gate这个创意。此一重要创举,第一次投稿时却被学术期刊的编辑退件,最后是刊登在贝尔实验室所办的学术期刊内。谈论到施敏教授,必须得提他所着作的《半导体元件物理》(Physics of Semiconductor Devices)一书,该书是是半导体领域的圣经。我在研究所时读的是1981年的第二版,全书有880页。有一整年的时间对我而言,几乎是晨昏定省,从第一章第一节,研读到最后一章完。到后来整本书的封皮都剥落了,有时读累了就趴在书上小憩,书本中难免夹杂个人的汗水及口水。施敏教授是向贝尔实验室申请,全职来写这本书,这本书内容广泛且论述清晰,尤其参考数据非常丰富。《半导体元件物理》不仅是本教科书,也是做研究所需的入门书籍。据他本人描述,所收集的论文数据,堆起来有一个人高度。施教授写书的时候,在他的书桌旁放了一个字纸篓,如果他看不懂的文章就丢到里面。他说如果连他都看不懂,那很难有人会懂了。据统计在美国有4成科学家,其出生地非来自本土,相信在贝尔实验室的比例更高。Atalla出生地是埃及,姜大元博士是韩国,施敏教授出生于南京,在台湾完成大学教育。即便连两位因CCD发明而获得诺贝尔奖的 Willard Boyle及 George Smith,前者也来自于加拿大。惋惜的是在韩国被视为国宝的姜大元博士,不幸于1992年在结束学术会议,返家途中昏倒过世,否则也极有可能获得诺贝尔的殊荣。最后,我们祝贺台积电研发中心的落成及运作,也期望一如贝尔实验室能吸引国际一流人才进驻,引领半导体相关领域的研究,迈入下一个新纪元。 
2023/9/27
AI风潮引爆矽光子应用
2023年9月的SEMICON Taiwan会议中,矽光子(Si photonics)技术引起热烈讨论。在9月5日「矽光子国际论坛」中,笔者也受邀与台积电、日月光、工研院、美国Cisco及日本爱德万测试(Advantest)的专家同台,主持人是日月光CEO吴田玉,共同讨论矽光子技术在人工智能(AI)时代中,所能扮演的角色。以下是个人在这个议题中,所表达的看法。众所周知,矽光子技术已经发展超过20年,主要是利用CMOS成熟制程,将处理光信号所需的光导管、调变器、光栅、耦合器,甚至光侦测器等主被动元件整合在矽基板上。目前唯一无法整合进矽基板者,是半导体雷射,因为涉及到不同的材料系统,只能以封装的方法处理。矽光子基板负责将光的信号转换为电信号,此为接收端,发射端就是将电信号经由雷射转换为光信号。由于使用成熟半导体制程,在微小化、整合度、量产的良率,甚至成本都具有优势。再加上使用光信号,对比于电信号,又有着高带宽、低延迟(low latency)以及低功耗的优势。自从光纤通讯在1980年代被引进之后,一直担任信号传输的角色。初期在人类使用数据量还不大的时候,光通讯运用在长距离的传输,如海底光缆、大都会地区的网络。随着数据量的提升,光通讯开始进入区域网络。近来生成式人工智能(generative AI)的兴起,最大的数据产生及传输量是发生在AI服务器之间,因为任何一个大型的模型,都包含数百亿个参数,而每次训练所要花费的算力是惊人的,这些都依赖芯片彼此间的平行运算以及数据交换。拜半导体先进制程之赐,目前处理或计算1个指令,只需要1~2 nsec的时间;但是数据传输速度的增幅,却永远跟不上算力的增加。光是在光纤内运行1米距离会产生5 nsec的延迟,因此AI服务器的算力有相当的时间在等待数据而停滞。若改用电信号来传输,等待的时间就更久了。解决之道当然就是将转换光信号的装置,愈靠近CPU/GPU/ASIC芯片愈好,以改善信号延迟,这中间最好避免掉电路板。因此,co-package optics(CPO)包含矽光子基板,便应运而生。CPO目前主力是放在交换器(switch)内,将矽光子基板与处理电信号IC芯片,以堆叠(stacking)的封装方式结合,再连接上光纤,比邻于各式IC处理器,这就是最靠近及最低延迟的选择方案了。在2000年代中期,IBM在其年度的技术展望(Technology Outlook),特别提出光连结(Optical interconnect)为未来技术的重点。IBM非常自豪于技术上的预测,也表示自己从来没有预测失败过,有的只是发生时间的早晚。彼时并不知道会有AI运算的蓬勃发展,也不清楚半导体的技术会进展到3纳米以下。但是很明确的是,人类在数据传输的使用量会持续地增加,而矽光子技术将在光连结上扮演重要的角色。当时光连结的提出,也不清楚是会发生在芯片与芯片间(chip to chip)信号的连结,还是载板之间(board to board)信号的连结,或者是服务器架间(rack to rack)的信号连结。如今服务器架间的信号连结,甚至于架上的层与层之间(unit to unit),已经广泛地采用光连结技术。而芯片之间信号的连结,已经被台积电的先进封装技术3DIC/CoWoS/chiplet/fabric,使用电信号交换给解决了。接下来的重头戏会是载板之间的信号连结,目前的主力还是使用电信号的连接,至于光的连结就拭目以待。CPO结合矽光子技术,提供AI风潮中提升数据传输速度的最佳解决方式,这对于产业生态链却是一个巨大的改变。传统使用插拔(pluggable)光模块的生态系,并不会坐以待毙。在今年(2023)的全球光通讯大会(OFC)上,linear-drive pluggable optics(LPO)即受到广泛的注意,被视为传统势力的一大反扑。Linear-drive的概念是拿掉插拔光模块内re-timer/DSP功能,而增加在ASIC内信号处理的负担,如此便减低模块内的信号延迟及功耗。因此之故,可以再往前推进1~2个时代的产品,而整个产业生态链不会有太大的变化。如同半导体制程所使用的浸润式DUV微影设备,在不改变DUV曝光机的生态下,又往前推进几个时代,直到EUV曝光机接手。矽光子CPO的时代终究是会来临,若LPO顺利推展,可能会使发生的时间延后。事实上,linear-drive的概念亦可以使用在CPO上,如此不论在信号延迟及功耗上,又会有更佳的表现。本文感谢与郑鸿儒博士的讨论。
2023/9/15
科学家,核子武器与政治
利用周末时间观赏刚上映的电影〈奥本海默〉。在当学生的时候,就听闻过「奥本海默事件」以及在美国的「麦卡锡主义」(McCarthyism),但这次是以奥本海默(J. Robert Oppenheimer)本人为中心,以电影手法完整地交代事件始末,包括二战期间制作原子弹的「曼哈顿计划」(Manhattan Project)。在二战前,整个学术的重心都在欧洲。Oppenheimer在完成哈佛大学学业后,就负笈欧洲,最后在量子力学大师Max Born的指导下完成博士学位。通常博士候选人,都会被口试委员严格且钜细靡遗地拷问,其目的是要让新科的博士们知道:你的学术生涯才开始,不要太得意。但据闻Oppenheimer的口试很快就结束,其中一位委员说,还好我溜得快,Oppenheimer已经开始质疑口试委员了,由此可见其桀傲不逊的个性。曼哈顿计划是由爱因斯坦(Albert Einstein)具名,写信给美国罗斯福总统(Franklin D. Roosevelt),忧心纳粹德国已经领先发展毁灭性核分裂武器所衍生而出,并由Oppenheimer担任制作原子弹的计划主持人。然而在第一颗原子弹还未试爆完成前,纳粹德国就投降了,但日本还在顽强抵抗中。当时科学界开始游说,希望停止曼哈顿计划,但接任罗斯福的杜鲁门总统(Harry Truman),为了减少美军在太平洋战争的损失,先后丢掷2颗原子弹在日本的广岛与长崎。片中有一段叙述Neil Bohr访问洛色拉莫士(Los Alamos),带来纳粹德国在发展核子武器的最新信息,而纳粹计划主持人正是另一位量子力学大师Werner Heisenberg。Heisenberg在核分裂的理论计算上犯了个错误,导致纳粹原子弹的发展受挫,而他本人在二战后表示其有意拖延纳粹在这方面的进展,但这至今仍是个科学悬案。美国最后能领先纳粹德国制作出原子弹,除了Oppenheimer主持的曼哈顿计划外,另一位关键人物是意大利裔的费米(Enrico Fermi)博士。费米博士恐怕是物理学史上,最后一位在理论与实验都有杰出表现的科学家,就如同棒球场上的二刀流。费米博士在芝加哥大学足球场看台的地下室,建立核子分裂的反应堆。在最后关键时刻,他亲自核对计算及调整实验的反应堆,完成了人类第一次能够控制且持续核子分裂的链锁反应。实验成功之后,对外所使用的暗语是意大利航海家登上新大陆。芝加哥大学在足球场原址也立了个纪念碑。Oppenheimer最终在战后因被认定为共产党的同路人,而被剥夺在原子核领域接触新知识与发展的权利。影片中的泰勒博士(Edward Teller),被誉为氢弹之父,在曼哈顿计划与Oppenheimer有不同的意见,执意要发展核融合的氢弹,导致他在战后Oppenheimer的听证会上,做出不利于Oppenheimer证词,而后不见容于学术界。泰勒博士本人在四十多年前,曾受邀访问台湾,全程由浦大邦博士陪同,访问全台多所大学。当时我才大三,但有机会与泰勒博士近距离的接触,并得到签名及合照,他非常津津乐道与杨振宁教授的师生关系。在当时战后的芝加哥大学,杨教授原本希望跟费米博士研习实验物理,因为要建设国内需要实作为基础,但无奈其动手做实验的火候不够,最后泰勒博士说服杨振宁教授跟他做理论的计算。当时,我们曾问泰勒博士在研究过程中,是否会因遭受挫折而产生低潮,他的回答居然是,我从没经历过低潮时刻。无独有偶地,旧苏联时期的物理学家Andrei Sakharov,因为从事氢弹的开发,被誉为是苏联的氢弹之父。之后他本人开始致力于限制核武器的扩散,成为人权斗士,却不见容于苏联当局,而长期被软禁在一小公寓内。他于1975年获颁诺贝尔和平奖时,苏联甚至拒绝他出境领奖。不论是Oppenheimer、Heisenberg以及Sakharov,这几位参与毁灭性核子武器的科学家,当初都基于爱国情操而参与,最终却是由政治凌驾一切。Oppenheimer在甘乃迪(John Kennedy)总统时代被平反,而Sakharov在戈巴契夫(Mikhail Gorbachev)当政时也被平反了。但是迟来的正义会是正义吗?李远哲院长有次在访问以色列,晚宴席中他请问邻座政坛人士,如何解决以色列与巴勒斯坦间的问题?对方回答,你们科学家就只想要解决问题,我们政治人物是要与问题共处的。试想如果问题都解决了,就不存在政治人物了。爱因斯坦在美国使用原子弹结束二战后接受访问说,没想到他们政治人物真的使用原子弹,我宁可去当个修表匠,内心充满着无奈。
2023/8/1