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3D IC再創台灣產業新價值
工研院系統晶片科技中心主任吳誠文:

【作者: 王岫晨】   2009年02月04日 星期三

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  • 本社社長黃俊義(以下簡稱黃):在全球經濟風暴下,目前半導體產業叫苦連天。依您在半導體產業多年來的觀察,台灣IC設計產業目前的問題與瓶頸在哪裡?



工研院系統晶片科技中心主任吳誠文(以下簡稱吳):台灣產業特有的現象,都是以製造為主。而台灣IC設計廠商的心態與經營方式,坦白說與製造業相去不遠,因此台灣IC設計公司的平均毛利率僅約30%。只是對於美日等國的IC設計商來說,毛利率低於50%根本無法生存,因為他們必須負擔非常大的研發成本,畢竟設計缺乏創新是無法在市場上競爭的。


我觀察台灣IC設計產業20多年,發現許多廠商有了約三成的毛利,便覺春風得意,因為其淨利還是可以達到應有的水準,甚至高於全球的平均值,原因就在於台灣廠商對於研發的費用、RD的投入僅是全球平均的一半而已,管銷費用更僅有三分之一。這種壓縮研發、壓縮管銷的方式,其實就是典型製造業的作法。台灣以製造為主的代工廠,只要掌握幾個大客戶,便可節省非常多的管銷成本,因為市場的開發行銷並非他們的責任,只需要做好B2B(business-to-business),不需要去管B2C(Business-to-consumer),專心接好大廠的訂單,接下來就只剩下製造與生產的工作,不必自行開發技術。


以代工為主,最大的缺點是必須仰賴終端市場需求。近期全球經濟狀況不佳,消費者不肯花錢,導致產品訂單減少,沒了訂單,又不從事研發,此時代工廠可能根本連自己要做什麼都不清楚。許多優秀的人才紛紛因為景氣的關係而擱置不用,也是一種非常可惜的狀況。


《圖一 工研院系統晶片科技中心主任吳誠文》
《圖一 工研院系統晶片科技中心主任吳誠文》
  • 黃:對於這樣的產業瓶頸,系統晶片中心的看法如何?



吳:對晶片中心來說,在目前景氣跌到谷底的情況下,我們更有機會找到好的人才、與樂於從事研發的年輕新血。畢竟過去這些人可能以收入為考量,被迫從事「實現」的工作,也就是從事製造生產,規格都是由別人制訂,透過這些人做出成品來。而目前許多製造代工廠生存不易,連將他人的構思實現成產品的機會都沒有。這麼一來,工研院晶片中心正可以成為這些工程師與廠商的一個新契機,提供一個百分百的研發環境,不僅非常歡迎年輕工程師來此專注研發工作,也期望能肩負起台灣廠商研發中心的角色。


  • 黃:目前工研院系統晶片中心致力發展的技術包括哪些呢?



吳:目前系統晶片中心積極研發中的幾大技術之一,在無線通訊方面就是WiMAX技術應用,過去已經投入三年時間進行研發,成果也於2008年漸漸浮現。包括基頻與射頻等技術都是晶片中心的強項,不但實體晶片早已問世,且都符合移動式WiMAX規範,領先產業界一大步。


雖然WiMAX後有LTE緊追在後,且如果全球大廠一致投向LTE的懷抱,將使得WiMAX的發展更為艱困。但LTE技術發展上比WiMAX晚了約兩年,目前標準更是尚未訂定,加上目前景氣的低迷,LTE在研發上的資金投入可能更為緊縮。反觀WiMAX技術研發已久且成熟,已經到了可以量產的階段,只要市場需求一明朗可以立即進行量產。


LTE正式標準的訂定還需要一段時間,在此之前必須持續投資經費進行研究,以目前的景氣狀況來看,投資的減緩應該會讓LTE發展步調跟著減慢,WiMAX也必須緊緊掌握這樣的機會。目前許多電信尚不發達的國家,在固網開發相對需要投入更多資金的情況下,或許會願意選擇使用WiMAX,這其實正是 WiMAX發展所等待的契機。而萬一WiMAX的市場接受度並不如預期,而是投向LTE一途,倒也不令人擔心。因為WiMAX與LTE的核心技術有許多是相通的,目前晶片中心致力研發的許多基礎IP,將來與LTE也會有良好的結合。


  • 黃:行動運算是目前熱門的應用領域。針對數位訊號處理,貴中心是否也有相關成果?



吳:其實系統晶片中心另一個重要的發展計畫就是DSP。我觀察現今的電子系統,量最大的要屬手機平台,每年僅出貨的手機數量就可約達12億,比PC平台的量更為龐大。而手機不管大小,其內部都使用了非常多IC,因此對於IC產業是非常重要的終端產品。手機平台中最關鍵的兩個元件,一個就是負責訊號傳送接收用的無線通訊元件,一個則是應用處理器。目前手機除了通訊功能之外,最常為人使用的功能就是多媒體播放,因此多年前系統晶片中心選擇可以協助台灣產業發展的關鍵技術,無線通訊與訊號處理因此雀屏中選。


台灣過去以PC、NB的製造經驗最為豐富,手機則相對較為薄弱,然而未來手機的產出比例一定會提高。台灣眾多廠商在從事系統製造,當中最重要的元件包括處理器、通訊IC、數位訊號處理器卻都是使用國外大廠的產品,可以說真的是純粹做代工,毛利也幾乎被客戶精算得完全沒有多餘的獲利空間。以代工為主的產業完全受到品牌廠商的掌控,因此獲利也不是自己能夠控制的,即使是系統中所使用的零組件,也多無法自行決定。


  • 黃:依您所觀察,台灣半導體產業如何走出這種「純代工」的宿命呢?



吳:我們現在看到華碩的EeePC,整個架構都是華碩自行開發的,也等於為台灣產業看到了一個新的曙光。台灣的製造能力強,量產能力也大,我們也該開始思考,是否能夠自行主導系統架構。台灣目前的問題,在於很多廠商都不知道自己擁有多大的能量,更不知該如何去運用。目前許多品牌大廠一樣都面臨了危機,若台灣廠商能利用現有的力量來做轉型,這將是個很好的轉變時機點,讓更多人力投入在研發上,而不要浪費了這些珍貴的人力資源。


韓國與日本,都曾經由政府出面要求遇到瓶頸的大廠間進行合併或合作,目的也就是讓同性質廠商彼此間的資源可以相互整合一致對外,而非國內廠商彼此間鬥得你死我活,對彼此都沒有好處。台灣政府若能學習並效法日韓政府的作法,要求這些同性質的廠商進行一定程度的合作,對台灣將是非常有利的。我之前在貴刊發表的『從戰國時代到三國時代』(詳見200期)一文就明言了,在產業進入「三國時代」之後,技術不是稀有的,而是大家都會的,因此無法依賴與眾不同的技術來主導市場,只能依靠策略。只是策略的應用,台灣廠商與國外廠商相較之下,經驗上較為缺乏,這也是台灣需要學習與進步的地方。過去台灣廠商忙著賺錢,現在趁著這個時機,或許正可以冷靜下來思考,未來該怎麼走的新方向。


  • 黃:系統晶片中心目前有哪些實際作為,協助台灣廠商間更進一步地合作代替競爭呢?



吳:在水平的整合上,台灣廠商都想扮演「主導」的角色,不願意放下身段成為「被主導」的公司,當然更不願意將自己的技術拿出來分享,因此成熟的產業中,同質性高的廠商間合作非常困難,大家只想彼此分攤成本,卻不願意與對手分享技術。因此晶片中心目前積極主導「垂直整合」,例如3D IC便是上、中、下游產業同時整合的最好作法,從系統端到封測端,彼此間相互依存而非競爭,如此一來合作將更為容易。


3D IC的核心技術是稱為TSV(Through-Silicon Via)矽晶穿孔技術,透過這樣的穿孔技術可讓晶圓與晶圓之間能有垂直的連結。這樣的技術過去已有,但並非主流技術,因為其成本太高,市場也無需求,僅供少數特殊產品應用。但3D IC的重要性在現階段突然大增,主要原因在於目前SoC欲將所有IC整合到同一顆單晶片當中,例如手機中的RF、類比晶片、CPU與記憶體等,但能夠進行這樣高度整合的也僅只全球幾家大廠,許多小廠根本沒有這樣的能力。3D IC正好提供了一個最快速也最低成本的系統高度整合途徑。


《圖二 吳誠文主任可曾是1971年擔任巨人隊少棒國手,代表台灣參加「威廉波特」世界盃少年棒球錦標賽,獲世界少棒冠軍的金牌投手呢!》
《圖二 吳誠文主任可曾是1971年擔任巨人隊少棒國手,代表台灣參加「威廉波特」世界盃少年棒球錦標賽,獲世界少棒冠軍的金牌投手呢!》
  • 黃:當半導體產業風光不再的此刻,這些半導體廠商如何因應,有何生存之道呢?



吳:在2008年四月,工研院舉辦研討會請來張忠謀演說,他一反往例地以台積電為例,發表自己對於半導體產業的觀察,並提出目前所見的三大問題。第一是台積電的邏輯代工業務近兩年來成長趨緩,在這樣的情況下,台積電如何再創新一波的成長動能?張忠謀提出的方法是台積電應擴充邏輯代工領域,例如加入CMOS Image Sensor、嵌入式記憶體、以及MEMS的代工業務等,透過這些目前市場需求度及成長性較高的代工業務,來創造公司新的成長與價值。


張忠謀提到的第二點問題是,半導體產業從第一顆電晶體的發明開始,至今已發展了60餘年,前十年是快速成長期,每年的成長率幾乎都超過100%,在西元2000年之前,成長率也都能超過10%以上,但在過了2000年之後,全球半導體產業的年複合成長率降至僅約每年5~6%,這與全世界的經濟成長率幾乎一致,也就是說,半導體產業已經不再是天之驕子,與傳統產業相同。其意義就在於,傳統產業生存所遭遇的所有問題,現在也將在半導體產業身上一一浮現。


張忠謀所提到的第三的問題,就是SoC設計。台積電很多客戶都在設計SoC,而全世界晶圓代工最高階的產品也都是由台積電所生產,因此台積電掌握了全球絕大部分SoC晶片的製造。他指出,許多國外大廠以0.18微米製程設計一顆SoC晶片到可以量產的階段,平均成本要花1800萬美元。到了65奈米製程,更要花上4800萬美元(約新台幣15億)。換句話說,許多新創公司完全沒有機會與這些大廠競爭,而且要有完全獨到創新的技術也不太可能,目前許多大學部都已經開授SoC設計的課程,IC設計的新創公司也雨後春筍一般,幾乎很難找到獨有的技術。因此,能競爭的,只有公司的規模,以及整合的能力。


在這樣的情況下,我歸納出能生存的法則大概有兩種。第一個方向是依賴策略,小廠必須不斷想辦法擴大規模,例如透過併購的方式獲得新技術,讓自己的影響力大到能夠與大廠相互制衡,共同享有全部的市場。許多小廠或許沒有能力開發SoC,但他們不斷嘗試新的技術,因此只要透過選擇適合的技術加以併購,更可節省不少研究經費,這也正是我所提過的「三國時代」的生存法則。第二個方向就是做利基產品,而非SoC,例如許多類比廠商現在便很賺錢,競爭對手不多,獲利高,也可避開主流市場的紅海競爭。


SoC整合的代價高、工程浩大。而我們致力發展的3D IC技術,正可以用最成熟、最有效果的方式進行整合,不僅晶片總面積不變,且可大幅提高裸晶的良率。換句話說,3D IC是讓小廠在市場上也能擁有和大廠相同競爭力的最快途徑。


(整理\王岫晨;攝影\陳俊毅)


吳誠文小檔案

  • 現職:工研院系統晶片科技中心主任


  • 清華大學清華講座教授


  • 學歷:美國加州大學聖塔芭芭拉分校電機博士


  • 經歷:曾任清華大學電機資訊學院院長


  • 國際電機電子工程學會院士(IEEE Fellow)


  • 台灣超大型積體電路研究(VLSI)專家


  • 曾榮獲中國電機工程學會「傑出電機工程教授獎」


  • 國科會「傑出研究獎」、教育部「學術獎」等殊榮


  • 擔任國科會晶片系統國家型科技計畫領域召集人


  • 國家矽導計畫「晶片系統國家型科技計畫」分項召集人



工研院系統晶片科技中心

  • 工研院系統晶片科技中心自2005年成為工研院五大焦點中心(Focus Center)之一,聚焦於無線通訊、多媒體應用等技術領域進行研發。未來,吳誠文主任將一展其在超大型積體電路(VLSI)設計及半導體記憶體測試的專長,帶領工研院往世界級系統晶片研發中心發展。


  • 近年來,工研院系統晶片中心在任建葳主任的帶領下,不但成功開發出台灣第一顆低耗電高效能數位訊號處理器(PAC DSP)晶片,其技術性指標已與CEVA、StarCore並駕齊驅。而另一項成就則是成功研發出最低功耗數位電視RF調頻器(DVB-T RF Tuner),不但體積較一般調頻器縮小數十倍,亦是全球功耗最低(小於300mW)的DVB Tuner。



延 伸 閱 讀

「代工世家」是吳誠文主任於2007年3月發表於本刊的短篇小說。本文是他十多年來接觸半導體產業的親身體悟,以短篇故事夾雜個人實務省思的寫作格式呈現,透過細膩柔軟的筆觸,提點出台灣IC產業目前面臨的困境以及急需突破的癥結點。請見「代工世家」一文。

吳誠文主任於本刊200期紀念版,以「戰國時代」與「三國時代」精闢比擬半導體產業的演變,言簡意賅,是一篇科技人不可錯過的好文。你可在「 從「戰國時代」到「三國時代」」讀到此文。

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