<p><span style="font-weight: 400;">在全世界正高度關注半導體的發展，並共同圍堵中國之際，臺灣多次因「矽盾」（silicon shield）議題登上國際版面，甚至臺灣半導體產業占全球半導體產值的 1/4，晶圓代工全球第一、晶片封裝全球第一、晶片設計全球第二，2022 年產值更有近 5 兆新臺幣，在國際上擁有舉足輕重的地位，而如何守住臺灣在半導體產業的優勢，以及臺灣對半導體的未來布局，更是全民關注焦點。</span></p>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">電晶體真能越做越小？「摩爾定律」是否已走到盡頭？</span></strong></h2>
<p><span style="font-weight: 400;">不過，對一般民眾而言，從新聞上最常聽見的就是台積電赴美國設廠，並引進 5 奈米、4 奈米製程。另一方面，經濟部長王美花又強調，最先進的 1 奈米、2 奈米製程仍會留在臺灣。從這些內容，我們可以很輕易得到「電晶體越小顆就越高級」的結論，然而，電晶體真的可以越做越小嗎？特別是在面對材料的物理極限時，許多人不禁懷疑「摩爾定律」（Moore&#8217;s Law）是否已走到盡頭？國家實驗研究院台灣半導體研究中心侯拓宏主任從目前半導體技術所面臨的挑戰，以及未來發展方向進行分析。</span></p>
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<p><span style="font-weight: 400;">首先，摩爾定律指的是半導體晶片上可容納的電晶體數目，約每隔兩年便會增加一倍。回顧 1960 年，第一顆晶片被實現時，僅有 2 顆電晶體在上面，而今天則有高達 160 億顆電晶體。不過，侯拓宏主任表示摩爾定律雖被稱為「定律」，卻與不可挑戰的自然法則、物理定律，有很大的差異，因為摩爾定律是由技術，而非科學所推動。綜觀人類歷史，鮮少有產業可以如此高速成長，而且像這樣指數般的成長是不可能永遠維持的。</span></p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/03/1-2_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">經歷了60年的時間，晶片從只有 2 顆電晶體，到現在有 160 億顆電晶體。</div>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">半導體各層技術持續突破，成推進「摩爾定律」關鍵</span></strong></h2>
<p>侯拓宏主任進一步解釋：一個半導體晶片是結合底層的材料、奈米等級的製程設備、元件與電路的技術，加上最後的封裝測試才能完成，因此次世代的半導體技術也必須結合各層級的技術突破。在材料方面，比矽更適合應用於高頻、高壓的「化合物半導體」，如氮化鎵、碳化矽等，在未來的通訊系統與電動車上有許多應用。至於比矽更有微縮潛力的「單原子層二維材料」，有可能協助電晶體微縮至原子尺度。侯拓宏主任形容，如果矽是現今半導體產業的火車頭，更多的新穎材料便提供了半導體技術持續進步的動力。</p>
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<p>另一方面，要製作這麼小的元件，需要的製程設備也是非常昂貴且複雜的，例如製作 3 奈米或以下電晶體所需的「新一代極紫外光曝光機」，一台售價可能就超過 1 百億新臺幣，然而極紫外光曝光卻是製造奈米等級結構的關鍵。此外，要檢測這麼微小的結構，也需要非常精密的電子與光子顯微技術，這些高昂的製造成本會讓資本卻步，進而影響尖端技術的開發進度。</p>
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<p>在元件開發上，持續在同一個平面上把電晶體做得更小，在物理上與經濟上的可行性越來越低了，畢竟一顆矽原子的大小約 0.2 奈米，而幾十顆原子才能組合成一個功能良好的元件。為了進一步的提升電晶體密度，開始發展出立體的電晶體結構，就好像都市裡土地面積有限，改善的方式之一就是不蓋平房、改蓋高樓，因此類似概念的「三維電晶體」與「三維記憶體」即成為目前技術的發展重點。</p>
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<p>在電路開發上，更節能的晶片有賴縮短記憶體與計算處理器間的距離。侯拓宏主任形容，記憶體儲存資料就好像冰箱保存食材，計算處理器運算資料就好像廚房烹調食物，而冰箱和廚房間的距離應該越近越好，甚至冰箱就應該放在廚房內，不然煮飯時會消耗相當多的精力與時間以取得食材，反而不利於烹調。</p>
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<p>最後，既然要在單一晶片上置入更多的電晶體日益困難，我們也可以將多顆小晶片透過微小化的封裝技術整合成一顆晶片，這類封裝技術根據技術特徵的差異被稱為「2.5D 封裝」 或「3D 封裝」，甚至這多顆小晶片也可以各有不同的功能，透過封裝技術異質整合在一起。侯拓宏主任直言，雖然半導體技術持續發展的挑戰越來越大，但材料、製程、元件、電路、封裝上的技術也日新月異，將支持摩爾定律持續推進，甚至是超越。</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/03/1-3_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">異質整合是將多種不同功能的小晶片，整合在一塊晶片上的技術。</div>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">臺灣持續布局先進半導體，守住「矽島」的華麗成果</span></strong></h2>
<p>臺灣目前正積極投入 3 奈米以下的製造技術，以及 5 奈米以下的晶片設計研發，這都是全球領先的技術。侯拓宏主任還指出，國科會為超前布局 2035 年臺灣所需之關鍵半導體技術，正以專案計畫的形式支持學術界進行數個關鍵技術開發。例如「 A 世代半導體專案計畫」即針對 Angstrom（埃米，0.1 奈米）尺度的檢測、材料、元件、電路領域的破壞性技術進行布局，希望能在晶片密度和能耗上，有十到百倍以上的躍升；「關鍵新興晶片設計計畫」 投入下世代運算晶片、前瞻通訊晶片、電子設計自動化等晶片系統研發，布局未來的新興應用；「次世代化合物半導體計畫」則布局氮化鎵、碳化矽等新興技術與其高頻、高壓應用。產業與學研分進合擊，以確保臺灣半導體技術的領先地位。</p>
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<p>侯拓宏主任強調，臺灣目前於全球半導體供應鏈上扮演著舉足輕重的角色，一方面要歸功於過去政府洞察先機地投入資源，讓臺灣由缺乏資源的孤島，華麗轉身成為矽島。另一方面，過去相關研究、教育、產業人員心血的澆灌，才長出那麼美麗的花，結出那麼甜美的果。另外，侯拓宏主任更相信臺灣半導體未來的發展充滿光明，因為我們擁有全球最完整的半導體生態系，以及最勤勞且聰明的研發與工程人才——這樣的優勢讓各國都羨慕不已，也不是輕易可以複製的。期許這些人才在未來不僅能協助臺灣半導體守住優勢，更能善用半導體技術，增進全體人類的福祉。</p>
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<p>（客座總編輯｜國家實驗研究院台灣半導體研究中心 侯拓宏主任；責任編輯｜曹盛威、劉品萱）</p>
