从年初的CES 2025，3月的NVIDIA GTC，到4月臺积电在北美的技术论坛，以及即将登场的COMPUTEX，这几场科技大秀，在在显示AI服務器的发展与半导体先进制程及封装技术，有著不可分割的紧密关系。几年前NVIDIACEO黄仁勋在媒体上说过几次「摩尔定律已死」。当时我不太理解其中的涵义，直到最近读完Stephen Witt所著《黄仁勋传》（The Thinking Machine: Jensen Huang, Nvidia, and the World’s Most Coveted Microchip），才了解到个中道理。书中谈论到由2012年到2022年，GPU运算能力增加10,00倍，其中属于硬件的晶體管速度（clock rate）只增加2.5倍，换言之剩余的400倍来自軟件程序及数学公式。400倍相对于2.5倍，自然会说摩尔定律已死，更何况NVIDIA在黄仁勋眼中一直是家軟件的公司。但是事实真的如此吗？如果以NVIDIA GPU从2012年的Kepler到2022年Hopper GPU，制程技术由28納米演进到4納米，晶體管数目由71亿颗，一口气增加到800亿颗；运算的单元CUDA core也从不到3000个，扩充到将近15,000个核心。虽然晶體管的速度仅增加2.5倍，但是由於单一芯片的运算核心的数目增加了，算力自然就大幅的提升。如果再加上CoWoS及3DIC的先进封装技术，不仅将多个存儲器芯片（HBM）垂直堆叠在一起，而CoWoS技术更将GPU与存儲器芯片，能紧密地在水平方向摆放在一起。这些先进的封装工艺，最重要的就是希望數字信號这这些芯片中传输，能够走最短的路径。这样一来不仅信號传输的延迟可以缩短，功耗亦可以降低，算力自然就提升了。Blackwell GPU已经利用CoWoS技术，将2个GPU芯片无缝接轨地绑在一块，下一代Rubin GPU将会扩充到4个GPU芯片连接一起。臺积电更提出在2027年实现SoW（system on wafer）。也就是在硅片上或其他形式的基板上，水平放置更多的GPU，甚至开始做GPU的堆叠。这些先进制程及封装上的努力，无非是把更多的运算单元，及暂存的记忆數據，在很小的空间内完成执行，以增强其运算效能。依据此原则，同样的在服務器机柜的设计，也是希望在一个机柜内放置更多的GPU。因此GB系列一个机柜内有72颗GPU，到了下一代Rubin会有144颗GPU，而Rubin Ultra更在一个机柜内放置多达576颗GPU。机柜的设计也由原先水平摆放的tray盘，改为直立式的插槽，以增加GPU密度。这一切硬件上的努力，无非是要提升整体的运算效能，但也衍伸出电源的供应及如何散热的问题。GB服務器系列一个机柜所需的功率在120～150KW，Rubin Ultra将会达到600 KW～1MW。若是一个数据中心拥有500个Rubin Ultra机柜，那就约略等于一个核子反应炉所产出的电力。届时Rubin Ultra的散热，恐怕只有浸润式的液冷一途了。臺积电在4月的北美技术论坛，在先进封装领域著墨甚多。除了SoW、矽光子、3DIC之外，更规划在电源最后一级的转换IVR（integrated voltage regulator），嵌入至CoWoS内的中介层（interposer）。所以在先进制程上，臺积电已经是一个人的武林，不久的将来在先进封装领域，臺积电会是另一个一个人的武林。一个人的武林所衍生出来的就是，如影随行的反托拉斯法（antitrust）。为了淡化臺积电在先进制程的主宰地位，董事长魏哲家曾建议将先进封装也纳入半导体的范畴，借由分母的扩大以降低百分比率。然而目前实际上的发展，恐未能如其所愿。英特尔（Intel）之前为了解决CPU市场独占的问题，不仅付给超微（AMD）一笔和解金，并技巧地让超微成为有实力的竞争者。先进封装相较于先进制程，可以有较多的可行解决方案，群策群力，不必然是一个人的武林。美丽与哀愁，端视我们的态度与做法。

最近美国对中国的半导体产业祭出301条款，目标锁定的是半导体的成熟制程。成熟制程的定义有点模糊，总之是以中国能做到的制程节点为依归，所以广义的是15納米，狭义的就是7納米。个人在2022年5月的电子时报曾写过篇文章，论述到2030年时，臺积电、三星电子（Samsung Electronics）及英特尔（Intel）三家公司在先进制程中不会有太大的差异，臺积电会领先的是先进封装；而成熟制程会是中国的天下。虽然目前臺积电在先进制程是遥遥领先对手，但最近三星在4納米的制程，良率已明显提升，英特尔目前虽仍裹足不前。但是这些拥有充分底蕴的大公司，一旦整军经武完成就会蓄势待发，不容我们小觑。中国这几年几乎是以每年10座的12吋成熟制程晶圆厂的速度增加，再加上第三类半导体SiC及GaN的积极投入，对全球所有成熟制程的晶圆厂产生莫大的威胁。臺湾在成熟制程的8吋及12吋晶圆厂，粗估有30座左右，且大半以晶圆代工为主，我们该如何面对中国排山倒海而来的挑战呢？我们先来分析几件重要的事实：为什么在臺湾同样是成熟制程的晶圆代工，世界先进的营运表现就比其他公司来的好？你也许直觉地认为是因为有臺积电的庇荫，事实却非如此。反而是因为臺积电限制世界先进往逻辑制程方向发展，必须得专注于类比及功率IC的开发，专注的晶圆代工形成差异化。相对于普遍性的晶圆代工模式，世界先进的营运绩效自然比较佳。先撇开地缘政治不谈。我们也注意到，最近几件到国外设立成熟制程的晶圆代工厂，都不约而同地与所在地的大公司形成策略联盟及投资。如臺积电在日本与Sony、丰田（Toyota）、电装（Denso）合作，在欧洲就与英飞凌（Infineon）、博世（Bosch）等公司合作，世界先进在新加坡也是与恩智浦（NXP）合作。唯独臺积电在美国的先进制程厂是独资。所以在半导体的先进制程的开发，驱动力来自于客户端的需求；而成熟制程就需要与客户拉帮结伙了。这就如同约30年前，8吋晶圆厂刚兴起之际，联电与其客户共同成立联诚、联瑞等公司，如出一辙。专注及与客户端策略联盟，形成成熟制程晶圆厂可思考的策略方向。但是回到臺湾的30座成熟制程晶圆厂，又该如何了呢？从地缘政治的角度而言，国外的大客户都希望晶圆能在臺湾以外的地区生产，势必很难与这30座晶圆厂形成策略联盟，臺湾本地的企业有可能吗？答案是有可能的，而且还不只一个产业。事实上臺湾在电源供应（power supply）产业占有举足轻重的角色，全球前四大的供应商都在臺湾。电源供应最近也遇上典范转移，不论就电动车或是AI數據中心，所需要的电源功率是愈来愈大，且功率密度愈来愈高，再加上转换效率的要求，半导体晶圆包括SiC及GaN在电源供应产业也就愈来愈重要，占比愈来愈大。别忘了臺湾还有全球第一的半导体封装业，这些若能整合在一起，不就形成完整的闭环（closed loop）生态圈。另一个有机会的产业是矽光子。臺湾的高等教育培养30多年的光电人才，而矽光子技术高度仰赖半导体制程及封装技术，这些都是我们的强项，却缺乏适当的整合。臺积电在先进制程上成立个产业大联盟，整合供应链端的诸多厂商。在半导体成熟制程上，也有必要成立另一个大联盟，以整合在系统应用端的客户。个人认为几乎百工百业都需要半导体，而从应用端所需求的元件或IC，都会找到它所合适的晶圆厂来生产，不论是8吋或12吋，先进或成熟制程，Si、SiC或GaN。生命会找到自己最合适的出路。如果我们只会做晶圆代工，就无法窥知在应用端生命的奥秘，也就失去机会。中华队勇夺世界棒球12强的冠军，教练团能跳脱选秀的窠臼，大胆地任用有潜力的新秀。我们的半导体成熟制程也是时候，需要有前瞻且突破性的思考与作为了。

在睽违26年之后，张忠谋先生自传的下册于日前问世。关于张忠谋一生成就，我个人是无置啄的空间。但在常人认为是人生超级胜利组的张忠谋，如毕业于名校，年轻时间担任大型企业的重要职务，再加上创建臺积电，不仅是全球市值前十大的企业，也是我们的护国神山。在自传中却揭露其不顺遂的一面，那就是在10年中辞去3个职务，分别是德仪（TI）、通用仪器（General Instrument）以及工研院。造化弄人，几经波折后，张忠谋以新的商业模式，贯彻自我的理念，创建臺积电，得以摆脱过往工作时组织上的掣肘，而一展长才。几个月前，在国科会吴诚文主委邀宴几位半导体相关产业人士，讨论国家政策方向的场合上，我个人提出一个假设性的问题。在约莫三十年前，联电一直叫阵臺积电，争辩谁是第一个提出晶圆代工的企业，也就是说如果李国鼎先生及徐贤修先生，没有成功地邀请张忠谋回到臺湾，晶圆代工产业依然是会在臺湾发生。假设所有的条件都没有改变，唯独张忠谋没回到臺湾，那么晶圆代工在臺湾会是相同的样貌吗？还会是我们的护国神山、兵家必争之地吗？我所要强调的是，一个企业家的风范及高度，是决定一个国家在此产业是否具有全球竞争力，最后也是最重要的一里路。那些经常抱怨，甚至整天向政府要糖吃的企业家，都很难开创出局面。在我个人的观察中，臺湾几个具有国际竞争力的企业，也都是由卓越的企业家所领导，他们对于相关技术及产品的发展趋势，都有著第一手的接触，以下是我的观察：我跟联发科的蔡明介董事长只有一次近距离的接触，那是陪同工研院院长去拜访他并请益。会议中蔡明介拿了份国外专业杂志的报导，建议工研院可以考虑发展该项技术。有位在光电专业领域的朋友曾跟我说，他每隔一段时间，便会被富士康前董事长郭臺铭先生找去，因为郭臺铭随时都要知道光电领域最新的技术发展。广达电脑的林百里董事长，更早在二十多年前，就参与MIT媒体实验室及人工智能实验室的研究計劃，他本人也多次造访该实验室，理解各项进度。这些受尊敬的企业家，不仅与时俱进，且时时刻刻担心竞争对手的超越。反观在臺湾所举办的各类型的研讨会上，许多企业领导人，甚至政府做决策的官员们，通常都是在开幕仪式上致个词拍合照后，匆匆离去。事实上，他们是最需要全程参与、了解最新动态的一群人。如果只是依赖幕僚所提供的信息，缺乏第一手信息来源，如何能做出高品质的规划及决策？在张忠谋自传中提到，他早期花了不少的时间在新竹国立交通大学讲授12堂课，但是很遗憾，却没有得到同学们对于课堂内容的回馈。张先生课堂的内容，每周都会在当时的经济日报转载，其中有堂课是谈到了权力与责任。张先生说，一般人总希望做事情能权责相符，但实际上是不可能的，一定是先有责任，然后得到了别人的信任之后，才会被赋予权力。这篇转载的文章，对于当时的我犹如醍醐灌顶。因为我刚当上系主任，年纪不到40岁，内心一直很苦闷，因为我很用心地在推动系务的发展，但是系上的资深教授们却对我多所批评，张忠谋的文章开释了我，理解到这是个必经的过程。只可惜以上这段的回馈晚了二十几年，之后我对于年轻的主管，也多以此加以勉励。读完了张忠谋自传下册，想起了论语中有一段话「君子之德风，小人之德草，草上之风必偃」我们期望臺湾有更多风行草偃的企业家，领导企业建立产业规模及竞争力，成为我们护国群山的一份子。

又值岁末，准备迎接新的一年。联合国在稍早宣布2025年为「国际量子科技年」，此外也是表彰海森堡（Werner Heisenberg）与薛丁格（Erwin Schrodinger），提出并奠定量子力学理论基础的100周年。两位先驱者在100年前，分别以矩阵数学及波动力学，诠释电子在原子尺度内的行为，并得到实验的证实，开启了量子力学的大业。随后量子力学在物理、化学、生物，甚至工程应用领域，都获得重大的进展，并引领各学科踏入一个全新境界。然而量子力学从一开始提出，就被很多科学家所质疑其理论的完整性，历经100年此争辩依旧方兴未艾。就以近来备受关注的量子运算，之所以具有如此庞大的运算能量，是基于量子叠加（superposition）以及量子纠缠（entanglement）2项基本的特性。而叠加与纠缠，从1920年代末期便开始争论不休，参与论战的包括爱因斯坦（Albert Einstein）、波耳（Niels Bohr ）等人，乃至于海森堡与薛丁格两位。论战以薛丁格的猫开始。猫装在箱子内，在没打开盖子前，猫不是生也不是死，而是处在生跟死的叠加态—这完全违反我们的经验法则，但是在量子的世界是可行的。最近網絡上有一则贴文，「在没打开主管办公室门之前，我是处在生跟死的叠加态」，似乎比薛丁格的猫更易懂。薛丁格的波函数有一连串组合的解，然而当我们人为去量测时，依照波尔及其哥本哈根学派的解释，会造成波函数的塌陷，而得到其中的一个解，也就是量测得到一个物理量。至于还有其他的解，在下一瞬间的量测，会得到另一个物理量。所以会量测得到哪一个物理量，变成机率问题，因此在量测之前，电子是处在多个叠加态之中。爱因斯坦对于此机率性的假说非常不以为然，也因此衍生出「上帝不会掷骰子」 的名言。用人为的方法去量测量子或基本粒子的物理状态，一直是在科学界无法解决的问题，因为这些粒子的物理量都非常微小，人为的量测不免会干扰到粒子原先的状态，而造成波函数塌陷或不连续的产生，但是如果不去量测，又无从得知粒子的状态，这真是两难。1957年另一位先驱者Hugh Everett，用数学的方式将观察者也纳入波函数的计算，而得到多重世界的结果，每一个世界代表著其中的一个叠加态。也就是我们所量到的状态，是在这个世界所发生的，另外还有其他的世界有著不同的叠加态，与我们平行存在。多个平行世界或宇宙，在我们现实世界是无法想像的，但在量子的世界是有可能发生。记得在小时候看过一出电影，片名叫「联合缩小兵」（Fantastic Voyage）的科幻片。内容是描述冷战时期，美国军方为了抢救一位命在旦夕的苏联科学家，将一组人马及核动力潜艇，用尖端科技加以缩小，并用针头注射入科学家的血管，并航行到科学家的脑部，用雷射光清除其脑中的血块。过程中有很多有趣的事发生，包括科学家体内的抗体攻击缩小后的小组人员及潜艇。如果把观测者及量测设备，缩小到量子尺度，然后去量测基本粒子的物理量，如此才能得到真实的量子行为。量子纠缠又是件令人匪夷所思的事。2个纠缠过的粒子，在分开很长一段距离之后，依旧维持著超越时空的关联性，而互通有无。爱因斯坦称之为「鬼魅般的作用力」，这完全颠覆我们以力学为中心的物理学，但后来实验证实这个纠缠的作用力是存在的。要观察及理解量子的世界，唯有将观察者微缩到量子的尺度，才能得到确切的答案。在真实的世界里，虽然我们不完全掌握量子的奥秘，但基于其所表现出来的行为，仍足以借此开发出影响人类文明的工具，量子运算就是个鲜明的例子。这也许就是联合国将2025年订为国际量子科技年，背后的原因吧！

一年一度的OCP Summit（Open Compute Project）开放运算計劃高峰会，在10月14日起于美国加州圣荷西市举行。OCP于2011年，在Meta的主导下成立，目的是借由开放的平臺，使得在數據中心的硬件建置，能有统一的规格，有助于供应链的建立。讲白话一点就是借由标准化及多家供应商，好降低成本。拜这两年AI服務器及云端运算的蓬勃发展，今年（2024年）会场吸引超过7,000人参与，以及100个展示摊位，再加上200场以上的专题演讲，可谓盛况空前。去年的OCP的展示现场，除了美国云端业者、供应商外，几乎都是臺湾厂商的天下，显示出臺湾在AI运算硬件供应链上强大的实力。今年展示摊位出现几家日韩存儲器，以及中国大陆服務器的制造商。延伸报导OCP扩展AI开放系统战力　NVIDIA助阵献宝GB200大会一开始的主题演讲，照例是由几家云端服务业者及主要芯片供应商（GPU/CPU）所担任。轮到英特尔（Intel）數據中心业务的执行副总演讲时，还在谈老掉牙的x86平臺，听众都觉得乏味之际。臺下突然间有一个人跳了上去，原来是下一场要演讲的超微（AMD），也是數據中心业务的执行副总。原来两家公司在x86平臺上彼此征战这么久，现在要开始结盟共组x86生态圈，以对抗来势汹汹的ARM CPU。接著两个人就开始介绍x86的优点，包括了可信赖的架构、指令的一致性、界面的共容性等优点。两个人还时不时的调侃对方的CPU，暗示自己的还是比对方的好。所以商场上没有永远的敌人，但因此会成为朋友吗？这个安排好的桥段，成为了当天会场上的亮点。同一个时段两家业者的CEO，也在西雅图宣布这项结盟。延伸报导ARM、高通AI PC网内互打 英特尔、超微捡到枪　x86不战而胜AI for AI 是在会议中另一个响亮的口号，但是第一个AI的意思是accelerate infrastructure，也就是要加速AI运算硬件的升级（scale up）以及平行增（scale out）。算力的需求是持续地在增加，会场上的研讨会不断地在呼吁，诸如存儲器的储存空间不足，由目前的HBM3要增到HBM4。數據的传输速度需要再增快，由400 Gb要到800 Gb，甚至1.6 Tb。AI交换机处理信號的能力，也需要到 51.2 TB以上。每一机柜的电力需求，目前的NV72已经到了120 KW，会场中已在讨论250 KW的方案,甚至未来直接来到400 V或800 V直流高压系统。随著电力的增加，伴之而来的就是热的解决方案。气冷的极限在于每平方厘米可散掉100 W的热，未来的高速运算芯片，所产生的热会达到每平方厘米500 W，因此用液体来冷却是必要的途径。会场中的诸多讨论都在敦促供应商们，要将硬件升级并横向扩充，唯一没有被抱怨的是芯片的先进制程，可见我们护国神山的杰出贡献，深获各界的肯定。顺带一提的是去年整个AI數據中心的市场规模是2,600亿美元，扣掉建筑、机房地硬件设施，以及半导体中的存儲器，其核心的半导体如CPU、GPU、switch ICs等就达到820亿美元的市场规模，这其中有相当的一部分是进了护国神山的口袋。会场上也观察到几件耐人寻味的事，众所周知云端服务的系统业者都希望能有定制化自研的xPU，导致几家SoC的大型公司如博通（Broadcom）、迈威尔（Marvell）、以及联发科，都开始客户端ASIC的设计服务。基于小芯片（chiplet）未来会扮演愈来愈重要的角色，SoC公司因为熟捻于供应链中的晶圆代工、EDA设计軟件、封装测试等环节，未来也有可能增加提供小芯片的设计服务的事业。而ARM正挺身而出，想要建构此一生态系。目前的AI數據中心几乎是NVIDIA一个人的武林，NVIDIA有GPU、CPU、ASIC，负责scale up传输的NV link，以及 scale out传输的Infiniband，更可怕的还有CUDA的軟件作业平臺，以及能作为超级电脑的系统架构。NVIDIA做了上下游缜密的整合。其他公司所组成的复仇者联盟，对应的有不同品牌的xPU，负责传输的PCIe、UA link、Ultra Ethernet等。这就如同苹果（Apple）手机与Android系统的差别，再怎么样苹果自成一格的手机，总是比其他各家使用上来的流畅，且不容易当机。延伸报导ARM来势汹汹　英特尔与超微携手x86化敌为友天下武功，唯快不破。NVIDIA对应著铺天盖地天兵天将的来袭，策略就是一年一个新机种，让竞争者疲于奔命。然而800磅的大猩猩每年要脱胎换骨一次，就必须要具备强有力的指挥系统，这就难怪NVIDIACEO黄仁勋得有40多人直接跟他报告了。

如同十多年前的日本安倍经济学的三支箭，以拯救日本长期的通缩、振兴经济，提升日本的竞争力。在1980~90年代，曾是世界第一的日本半导体产业，经历失落的30年，最近不约而同地射出了三支箭，希望能一举扭转目前的颓势。东京大学的黑田忠广教授，甚至称之为「热水中被煮著的青蛙，突然间跳了起来。」是哪三支箭要来振兴日本的半导体产业？第一支箭就是日积电（JASM），臺积电的熊本厂；第二支箭是日本政府主导，结合几家日本重要企业，在北海道设立的Rapidus，直接切入2納米的制程；第三支箭就是臺积电在日本筑波，设立的3DIC先进封装的实验室，与东京大学及日本材料及设备厂商合作。这三支箭都需要仰赖外国的技术及资源，日本舆论将此比拟为，在19世纪幕府时代的「黑船事件」。黑船事件开启日本与西方世界的交流，明治维新接著发生，一举让日本进入世界强国之林。这三支箭分别都有其目的，而合起来就成为日本半导体的复兴大业。首先，日本长期以来未持续投资在半导体先进制程，因此制程技术停留在40納米。日积电的任务就是要填补28～16納米的空缺，并且配合到日本产业所需的车用IC及影像显示IC。第二支箭就有很大的争议了。在没有任何先进制程的学习曲线支撑下，直接切入2納米，现阶段三星电子（Samsung Electronics）及英特尔（Intel）都做不到，这岂不是痴人说梦？虽然有美国IBM及欧洲Imec的技术转移，包括EUV技术，但是研究机构的技术，相对于要实现高整合度的IC，仍有一段相当的距离。日本是如何盘算第二支箭？原来由16到3納米，使用的是鱼鳍式晶體管（FinFET），到了2納米晶體管就须改为GAA（gate all around）或称为nano-sheet。与其由16納米切入，需要建立FinFET的学习曲线，在后头苦苦追赶，倒不如孤注一掷，直接进入下一个時代的晶體管。虽然离臺积电仍有段距离，但是不会输三星及英特尔太远。这只箭是大胆的，但不失为好的策略。第三支箭就含有长期的战略意义了。3DIC不只是先进制程需要，成熟制程所制作的IC也是需要的。如果说摩尔定律是半导体元件尺度的微缩，那3DIC就是电子系统尺度的微缩了。这平臺提供将各式小芯片（chiplet）密集的堆叠，造就系统特性上的提升。日本优异的半导体材料及设备供应产业，更是强化3DIC技术的重要基石。当日本在80年代末期，自诩在许多产业上创下全球第一，尤其是石原慎太郎及Sony創始人盛田昭夫合著的《可以说NO的日本》，彻底地激怒美国，开始对日本输美的半导体设限，并扶植韓國。那个时期个人正在美国当研究生，有回遇到来自日本的半导体教授。当他知道我来自于臺湾时，趾高气昂地问我，「你知不知道日本统治臺湾多少年？」。相似的场景在2000年后，我参与一个半导体国际会议的筹办，当与会的委员都希望日本能多贡献投稿的论文。日本的代表面有难色地说「我们已经不是世界第一了，甚至连亚洲第一都说不上」。日本并没有像美国，大剌剌地要臺积电将最先进的制程搬到美国，而是反求诸己，邀请臺积电的成熟制程来日本设厂，而先进的制程想办法自己解决。充分地表现出东方文明克己复礼的美德，另一方面也维持住日本民族的自尊心。我个人对于日本文化中的职人精神，是打从心底的佩服。有回在日本参加光电半导体研讨会，当时在报告单波长的半导体雷射研究，用于长距离的光纤通讯。要实现单波长，需要在雷射底部制作一精密的长条形光栅结构，以选择所需要的雷射波长，当时这是个相当挑战的工作。日本的研究人员不是只做1条，而是连续做3条，在一个元件上产生3个不同波长的单波长半导体雷射。我在臺下看得目瞪口呆，久久无法平复。1960年代末期日本经由美国的授权，已逐渐在半导体产业站稳脚步，当时的美国Richard Nixon曾警告过，「日本是个有文化的民族，绝对不会满足于只销售晶體管」。这三支箭涵盖成熟制程、先进制程及先进封装，若能支支中的则复兴大业可期。我相信第一支及第三支是会命中目标，第二支箭的难度较高。但是在日本既有文化底蕴的加持下，第二支箭命中的机率还是有的。

两周前SEMICON Taiwan在臺北举行，这个年度盛会聚集全球各地重要的半导体厂商及菁英，共同探讨半导体未来的新技术及产业趋势，这其中最吸睛是对于未来两个「萬億」（trillion）的预测。第一个萬億是大家比较耳熟能详的，半导体的市场规模，会由现在的6,000多亿美元，成长到2030年的破萬億美元。臺湾2023年的GDP是7,551亿美元。第二个会破萬億的是单一封装芯片的晶體管数目会超越1萬億，目前的纪录是NVIDIA Blackwell架构GPU内涵1,040亿个晶體管，使用臺积电4納米的制程。所以要破萬億，还需要10倍的成长。在1980年代，我们所探讨单一芯片晶體管的数目是百万级（million），而2000年初来到10亿级（billion），又过了20年现在是萬億级（trillion）。10倍的成长在半导体界是司空见惯不足为奇，但是以10倍速度的成长且经历过50年，几乎所有可能的方法及创新的技术都用到了极限，所以萬億级晶體管的最后一里路将会是备极艰辛。位于比利时的Imec成立40年，是全球半导体相关先进技术最重要的研究机构，举凡FinFET、EUV、nano-sheet FET等，都是其领先提出并且实现。由于其中立的立场，以及拥有先进设备及优越的人才，吸引全球大厂进驻与其合作，因此被称为是半导体界的瑞士，所以由Imec来说明萬億级晶體管的实现是最恰当不过的。Imec在会场自家举办的论坛中提出CMOS 2.0的概念，也就是实现萬億级晶體管所需的创新思维及技术。这除了要持续微缩晶體管的尺吋，也就是more Moore；另外还需要先进的封装技术来配合，这就是more than Moore了。臺积电已经量产3納米制程，即将进入的2納米，晶體管的架构会由FinFET进入到GAA（gate all around）也就是nano-sheet晶體管。但是要持续进入到1納米以下，CMOS晶體管的架构要做结构性改变。我们都知道CMOS（complementary MOS）是由nMOS及pMOS组合而成，由最原始的平面式（planar） CMOS到FinFET以至于GAA，2个nMOS及pMOS一直都是并排在同一平面。但是到了1納米以下，为了更进一步的微缩，nMOS及pMOS必须要上下堆叠而非并排。也因为是上下堆叠可视为是一个晶體管，所以被称为是CFET。可以用堆叠方法做出1个CFET，同样的方法就可以做出2个以上CFET的堆叠，这样萬億级晶體管的晶圆不就可以实现了?其实不然，这还要许多尖端工艺来配合。要做到1納米等级的曝光显影，需要使用高数值孔径（NA=0.55）的EUV，此EUV造价不斐需要3亿美元。另外，上萬億个晶體管的耗电会轻易地超过1,000瓦，为了节省电力的消耗，研究人员提出晶圆背面供电的方法。现行的晶圆不论信號或者电源都是由晶圆上方所提供，所以电力需要经过十几层的金属往下，才会到达最下方需要电力来运作的晶體管。这就如同提了一桶水，走山路到到山顶去浇水，山路是愈走愈窄，好不容易到了山顶，可能只剩下半桶的水。直接由晶圆背面供电，是个立竿见影节省电力消耗的良方。臺积电在A16制程（1.6納米）将开始使用此背面供电技术，但是该如何实现？这需要晶圆键结技术（wafer to wafer bonding），包括bumpless技术。也就是将提供背面供电的电路制作在另一片晶圆上，然后与磨薄后主芯片的背面对准并键结，使两片晶圆结合为一体，这个程序需要在真空下加温及加机械力，而晶圆间的键结是依赖凡德瓦尔力（van der Waals force）来完成。这个技术在30多年前，我在美国当研究生时就已经发展，当时隔壁实验室正从事MEMS的研究，需要制作一个微小的空腔，因此手工组装一套半导体晶圆键结设备。没想到当初这套技术，如今成为实现萬億级晶體管的利器。既使有了更省电的CFET及晶圆背面供电技术，然而上萬億个晶體管仍旧会产生相当的热，需要从有限的面积内带走。Imec研究人员制作液态冷却的微流道，将冷液体引入到晶圆表面的热点，而将热带走的热液体，由不同的流道引出，并在外部做热交换。此微流道相当的复杂，需要将冷热液体分流，这很难用传统的机械加工来完成，而3D打印技术克服这个困难。半导体的晶圆技术总是不断地，在面对问题及解决问题的循环中匍匐前进。过往多依赖晶體管结构及晶圆制作技术来完成，现今先进封装甚至散热技术会扮演愈来愈重要的角色。此次SEMICON Taiwan所揭橥的两个萬億的目标，我们相信是会达成的。

每隔一段时间，笔者便会发表关于第三类半导体（氮化镓，碳化矽）的看法，毕竟这块园地是十几年来笔者长期关注、耕耘及使力的地方。十多年前在工研院时代，我们只知道第三类半导体，会是个时代及产业的趋势，并不全然地清楚实际应用的场景及何时会发生。经过这些年头，产业生态链逐渐完整，应用场景也日趋明朗，但是还尚未达到实际真正的引爆点。随著8吋晶圆的导入，是有机会引起第三类半导体大爆发。Yole在最近发表的市调报告，整体分离式功率元件（discrete power devices）市场规模在2022年达200亿美元，预估在2028年会超越330亿美元。这330亿美元的市场规模，矽基功率元件仍占大宗，但第三类半导体比例会到30%以上。碳化矽与氮化镓的比例约略是4:1，也就是碳化矽80亿，氮化镓20亿。在市场应用上，几年前流行一时的氮化镓60W快充电源转换器，只是个小众市场。最近关注的焦点在于电动车的电控及电池充电系统，第三类半导体尤其是碳化矽扮演不可或缺的角色。然而近来火红的AI算力中心的电源需求，第三类半导体的角色扮演，却比较少受到关注。不论是电动车或者AI算力中心，都需要大量的电流来驱动马达或者是芯片。为了避免过度的电流在传输上造成损耗，以及减少导线承载电流的截面积，直流高电压是个必然的趋势。电动车已经由直流48V走到400V，甚至于800V的直流高电压，AI算力中心也势必跟随电动车脚步，转向直流高电压。相较于矽基的功率元件（MOSFET、 IGBT），第三类半导体在相关高电压、大电流及切换频率的表现上都优于矽基元件。电动车关注的在于高电压及大电流，AI算力中心还须加上切换频率，因为在机柜内空间有限，提高切换频率可以增加功率密度。第三类半导体在供应链及应用端已逐渐成熟，市场何时会引爆？目前的重点在于价格。举一实际的案例，1个功率模塊，若使用第三类半导体，其所需的元件数目可以是矽基元件的一半，但是遗憾的是整体的价格却还是矽基的2倍。所以第三类半导体若能积极地导入8吋晶圆的制造，使得价格上能降低30～50%，引爆点就有机会发生。氮化镓已经有公司导入8吋晶圆的制程，至于碳化矽到2025年将有IDM公司如英飞凌（Infineon）、安森美（Onsemi）、Wolfspeed、罗姆（Rohm）、意法半导体（STM）、博世（Bosch）、富士电机（Fuji Electric）等陆续导入8吋晶圆，这些公司也或多或少有8吋氮化镓晶圆的规划。即将引爆的契机已快来临，臺湾的产业链该如何抓住呢?第三类半导体技术及8吋晶圆厂对臺湾都不是问题，问题在于商业模式。无可讳言，目前矽基功率元件产品及技术领头的厂商，都是国际IDM的大厂，因为这是个元件设计与晶圆制造需要密切配合，才能创造出优异产品的产业。然而在臺湾，我们是以设计及晶圆代工分业，为主要的诉求，因此我们的功率元件厂商，只能配合晶圆代工厂所提供的标准制程，或做有限度的优化，在量大的市场内作价格上的竞争。我们商业模式需要做些调整，整合是必要的，但不必然要走到IDM模式。晶圆代工厂，尤其是能提供第三类半导体8吋晶圆的厂商，可以朝虚拟整合（virtual integration）的方向来規劃。也就是策略性地扶持少数几家元件设计公司，在制程条件上予以充分的配合，宛如两者是在同一个屋簷下工作，如此才有机会与国际IDM大厂一搏天下。要能做到虚拟整合，必定不会是件简单的事。我们已经失去矽基功率元件市场主导的机会，第三类半导体正准备引爆中，加上臺湾优良的8吋晶圆经营的绩效，我们是有机会在国际的舞臺上发光发热。

超微（AMD）CEO苏姿丰来臺参与COMPUTEX 2024，期间有一次的公开演讲，提到她本人很讶异在臺湾有这么多人知道CoWoS（chip on wafer on substrate）技术，这在美国是不可能的事。事实上CoWoS一词是臺积电张忠谋創始人一手钦定的，这名字取得真好，一眼就可以望文生义。就如同TSMC一般，很清楚让人知道葫芦里卖的是什么药。CoWoS是一种先进的芯片垂直堆叠封装技术，也是延续摩尔定律继续前行的最重要利器。摩尔定律过去五十年中，所著重的在晶圆的平面上做不断地微缩。但是当微缩到了納米等级，最终还是会遇到物理的极限，因此往垂直方向去堆叠是一个必然趋势—如同在人口密集的地方要盖高楼一般。约莫在二十年前，半导体技术尚未进入28納米制程，研发人员就开始提出3D IC的概念，当时用了「 more than Moore」这个词，以对照摩尔定律的「more Moore」。然而要堆叠芯片技术上并不困难，但是在实际应用上却很难实现，就如同盖高楼，每一层的主结构必须是一致且贯穿的，才有可能一层一层的堆上去。所以只有存儲器的芯片，因为是完全相同的架构，才有可能彼此堆叠，但当时的存儲器芯片并没有这个需求。之后研究人员提出了矽穿孔中介层（through Si via interposer），也就是在中介层上方的平面放置多个芯片，因为中介层是使用半导体的制程，可以紧密结合这些芯片，并提供高密度的横向走线（RDL），芯片间信號可以走最短路径，提升芯片效能。这就是俗称的2.5D封装技术，此中介层就是CoWoS中的wafer。所以严格来说CoWoS是一个2.5D的封装技术。顺带一提的是这2.5D名词，最早是由日月光集团唐河明博士所提出。臺积电是第一家将矽穿孔中介层量产的公司，这多亏蒋爸（蒋尚义）的主导与支持。但是推出来之后，却是叫好不叫座，乏人问津，也就是科技界常说的「solution looking for problems」。后来第一个使用CoWoS技术的是在2011年的Xilinx，将4个FPGA芯片紧密的并排再一起，并利用RDL彼此信號相连。因为CoWoS所费不赀，所以高单价的FPGA为了追求效能，才率先使用。就连苹果（Apple）手机内的AP芯片，至今还未使用CoWoS。接下来直到AI時代的来临，CoWoS才受到广泛的重视。NVIDIA是在2016年的P100 GPU开始使用CoWoS，主要用于与一旁的HBM存儲器能紧密的信號相连。有趣的是，HBM是第一个实现3D的芯片堆叠，目前已经可以将12层、甚至16层DRAM堆叠在一起。NVIDIA近期所推出的Blackwell GPU，将2个GPU芯片，以几乎无缝地紧密相连，而中介层提供高密度的RDL以及连接凸块（bump），再次大幅提高信號传输速度，并减少功耗。此番CoWoS技术所带来的效益，几乎等同于将制程技术推进一个時代。然而，随著需要相连的芯片愈多，CoWoS中介层所需的面积就持续增加，不仅增加费用，而一片12吋大的晶圆能提供的数目也势必减少。玻璃基板当作晶圆中介层的想法就应运而生。首先，玻璃基板够大（5.5代玻璃面板是1.3米 x 1.5米），另外玻璃基板够平整，可以制作出高密度的RDL，同时对于高速的信號具有更低的传输损耗。现阶段如果能顺利解决玻璃基板钻孔的问题，将来非常有机会提供一个低成本、高效能的中介层。臺积电为此也适时推出经济版的CoWoS-L（local Si），中介层是使用封装业常用的制模（molding）技术。模的中介层内可内埋local Si interconnect（LSI）芯片，提供所需要高密度的RDL，同时也可以内埋其他的主被动元件以及芯片。不过要完成薄、大面积且不碎裂的制模，在工艺上是很大的挑战。CoWoS中的芯片及晶圆中介层会被臺积电所牢牢地绑住，外人难以越雷池，因为这牵涉到对终端客户的承诺。至于substrate高速载板，则有机会被多家供应商所分食，而高速载板内有更多的空间，整合内埋所需要的元件。半导体先进封装技术，尤其是CoWoS，未来在延续摩尔定律道路上扮演不可或缺的角色。现在发生的是AI带来的需求，未来在各领域小芯片（chiplet）的整合，都需要这些技术，而且会更多元及多样。在这条道路上，除了制程技术及IC设计的专长外，需要材料力学、结构力学以及散热机制等专长的人共同参与。当more Moore 「山穷水尽疑无路」时，more than Moore提供「柳暗花明又一村」，这一村将带给半导体产业至少再20年的荣景。

英特尔（Intel）近期负面消息不断：市值已经跌到半导体类股的第十名，是臺积电的5分之1；晶圆代工业务持续扩大亏损；先进制程发展不顺；高通（Qualcomm）抢先与微软（Microsoft）合作推出AI PC的芯片。这一切在十年前，甚至五年前都是无法想像的事，英特尔到底怎么了?英特尔CEOPat Gelsinger，上周在臺北的COMPUTEX发表主题演讲。演讲是以击鼓演出开场的，颇有对这些负面信息，采取鸣鼓而攻之的味道。Gelsinger以摩尔（Gordon Moore ），在早年提出摩尔定律时所说的一句话开始，「Whatever has been done, can be outdone」，也就是说「过去不论完成了什么，都是可以被超越的」，他相信自己是在做件超越前人的事，包括要在4年中完成5个先进制程节点。凭心而论，就个人的观察，英特尔还是一家非常有创新能力的公司。过去不少英特尔的创新是在创造一个产业生态，引领整个半导体界往前迈进。比如说，在90年代英特尔率先提出12吋晶圆平臺，2000年代又接著倡议18吋的晶圆；为了PC的无线網絡，提出WiMax架构；而Lightpeak是为了解决PC的有线高速信號传输；在封装上，与日本的味之素共同开发ABF材料；最近被讨论甚多的玻璃载板，以取代现有的高速载板，也是英特尔在多年前所提出的；为了解决芯片功耗过大的问题，英特尔率先提出芯片背面供电（backside power）的想法，为目前最有潜力的解决方案；甚至EUV的微影技术，也是英特尔首先赞助的科研計劃。即便臺积电轰动武林的CoWoS，英特尔也有EMIB（embedded multi-die interconnect bridge）的技术来抗衡。上述这些林林总总，如果没有英特尔的创新与推动，整个半导体产业也许还停留在石器时代，绝非现在的样貌。这么一家创新又技术领先的公司，是发生了什么事，造成今天的局面？首先，英特尔在最近的20年间（2005～2024）已换了4任的CEO，任期远短于先前摩尔在位的12年，以及Andrew Grove的11年。除了Gelsinger为技术出身外，其他3位都出身于营运或者财务。其次在整个半导体产业的生态改变，尤其是先进制程，7納米制程节点是一个关键。在2010年初期，全球在开发7納米技术，都遇到相当的瓶颈。首先若延袭既有浸润式DUV技术，在关键的微影制程，需要经过3次到4次的曝光程序，既费时又费工。当时的EUV，虽然只需1次的曝光，但是由于光的强度不足，每小时晶圆的产出远低于100片，量产上遭遇困难。整个产业弥漫著悲观氛围，认为技术已经遇到天花板了。换言之，在资源上的投入就不再这么积极。最后也是最为关键的是，英特尔是家IDM的公司，有自己的产品。在这段期间英特尔先后并超过10家公司，比较大的购并案包括Altera （FPGA芯片），Mobileye （ADAS，车用自驾芯片），Habana（AI芯片）等。由于先进制程遭遇到瓶颈，自然地会考虑到CPU之外的产品线，再加上CEO多出身于营运，自然是忽略在技术深耕上的投入。反观臺积电，由于没有自己的产品，唯一的选择，只能在技术上加大力道寻求突破，以及与客户的充分合作。终于EUV的瓶颈打开，加上苹果（Apple）、NVIDIA等重大客户，不断地对于先进制程的需求，最终导致今天英特尔的困境。在COMPUTEX 2024的主题演讲上，Gelsinger卖力地介绍自家Xeon 6 服務器处理器、Gaudi 3 AI加速器，以及AI PC Lunar Lake处理器。其中Gaudi 3以及Lunar Lake是委托臺积电生产，分别使用5納米以及3納米的制程。这也显示Gelsinger想要超越过去英特尔的积极作为。个人的观察，英特尔还是个相当有底气的公司，Gelsinger的企图心以及有步调、弹性的作为，若能假以时日，势必会威胁到超微（AMD）甚至NVIDIA。美国政府也一定会全力来支持英特尔，因为英特尔是唯一拥有半导体先进制程能力的美国公司，而半导体又是全球兵家必争之地。最后，英特尔是否有机会威胁到臺积电的龙头地位？值得我们深思。