台灣半導體協會理事長盧超群：Silicon 4.0時代即將來臨
by 電子時報連于慧
盧超群表示，結合半導體知識與系統應用端的設計緊密配合下，可將全球半導體產業產值推升至1兆美元，成為Silicon 4.0時代。李建樑攝
2015年是摩爾定律發表50週年之際，全世界都有個共同的疑問，摩爾定律是否邁向終結？身為台灣半導體產業協會理事長的盧超群受International Solid-State Circuits Conference(ISSCC)協會之邀，今(8日)在日本富山發表演說，他以「類摩爾定律」(Virtual Moore’s Law)的HIDAS(Heterogeneous Integration Design Architecture System)為概念，主張再為全球半導體產業續命30年。
他並提出蘋果(Apple)甫問世的智慧型手機iPhone 7與台積電InFO封裝技術的完美結合，作為實例來佐證他所提出的HIDAS。他指出，未來30年半導體產業不死，且可一路做到1奈米，結合半導體知識與系統應用端的設計緊密配合下，可將全球半導體產業產值推升至1兆美元，這就是所謂的Silicon 4.0時代。
盧超群精準剖析古今的半導體產業技術發展，將產業切割成Silicon 1.0~4.0四個世代，清楚且完整解釋產業技術發展的來龍去脈，並針對未來發展提出具體觀點。以下是記者整理他在日本以「A New Silicon Way」為主題的演講內容節錄，以第一人稱口述。
摩爾定律和Dennard Scaling定律 架構3,500億美元的半導體產業
所謂摩爾定律就是英特爾(Intel)共同創辦人Gordon Earle Moore在1965年提出每2年晶圓上的電晶體數量增加一倍的理論，發展至22奈米世代以下，每片晶圓上有高達220億個電晶體數目。
Moore在2003年公開演講時曾經表示，當年提出摩爾定律是電晶體的實驗定律，經過數十年驗證，已經是一個經濟定律，因為每2年電晶體數量的倍增，使得半導體產業永遠有人投資，且投資的金額越來龐大，得以獲得回收。1974年DRAM發明人Bob Dennard又進一步解釋摩爾定律，稱為Dennard Scaling。
根據Dennard Scaling定律，0.7是半導體的魔幻數字，象徵電晶體在水平擺放下，若上下線寬各縮小0.7，可在一個晶圓當中縮小0.5個面積單位，等同是在同一單位中可放進2顆電晶體，增加1倍面積。當摩爾定律和Dennard Scaling定律發表時，CMOS技術都還未成熟，因此可說全世界IC產業是根據這兩個定律架構發展。其中，摩爾定律是點出半導體技術和經濟效應的指標，而Dennard Scaling定律則是清楚點出達到摩爾定律的落實作法；這2人是1人提出對的理論，另1人把該理論正確落實，形成今日半導體產業架構的基礎。
摩爾定律將在2025年終結？ 點「矽」成金時代何去何從
當年半導體產業都認為100奈米製程技術根本做不到，但2016年的此刻，台積電即將在年底量產10奈米製程，甚至要再推進至7奈米、5奈米、3奈米，然全球對於「摩爾定律是否將在2025年終結？」仍存有相當多疑問。
業界對於該疑問一直無法提出完整的解釋，但摩爾定律是全球3,500億美元規模半導體產業的關鍵養分，台灣更佔據700億美元的規模，若該定律即將在2025年告終，全球半導體產業感到無以為繼。
根據摩爾定律，在「0.7」這個魔幻數字不斷地推進下，半導體製程已經從300微米進展到28奈米，然為什麼0.7x線寬微縮的鐵律卻在28奈米世代上告終？以及28奈米製程發展至今日的10奈米世代，這短短數年間又是發生了甚麼事來延續摩爾定律？依循摩爾定律下，半導體產業點「矽」成金，大家討論的摩爾定律將終結，也代表「矽世代」即將走到盡頭，但我認為摩爾定律會繼續往前，也就是「矽世代」並沒有結束，只是「Silicon Age 1.0」時代過去了，終止於28奈米世代，延續其精神的是「Silicon Age 2.0」世代。
Silicon Age 2.0世代 有效摩爾定律延續主軸精神
半導體產業一直循著0.7x線寬微縮的鐵律走下去其實十分辛苦，且逐漸面臨投資與回收不成比例的情況。摩爾定律走到28奈米世代，若依循平面式電晶體架構繼續，是已到盡頭，因此進入Silicon Age 2.0世代，面積微縮(Area Scaling)取代了線寬微縮，進入「有效摩爾定律」 (Effective Moore’s Law)時代。由英特爾率先在22奈米製程世代上，把電晶體的排列由平放變成鰭型的排列，並把控制電晶體流量的柵欄變大，也就是鰭式場效電晶體(FinFET)或是三閘極(Tri-Gate)電晶體。
進入FinFET製程架構後，線寬微縮不用再做到0.7x，只要做0.8x並達到面積縮小0.64即可，至於0.64和0.5之間減少微縮的面積，變成由電晶體豎起來後，對電晶體更有效的利用，以及產生的3度空間來彌補，這也讓一個單元面積上確實容納2個電晶體，所以說，是面積微縮取代了線寬微縮。
因此，進入FinFET世代後，大家玩的遊戲已經改變，英特爾22奈米導入FinFET架構，再來是14奈米；台積電在16奈米開始FinFET架構；三星電子(Samsung Electronics)在14奈米進入，製程世代的表象數字意義和實質線寬的微縮已經脫勾。
Silicon Age 2.0世代由面積微縮取代了線寬微縮不但延續摩爾定律的生命，微影(Lithography)技術的開發者也喘了一口氣，即使沒有極紫外光(EUV)技術，多重曝光技術一樣可以做10奈米，達到同樣目的且維持相同摩爾定律產出的經濟效應。
摩爾定律的經濟效應稱為ME，我們現在走到有效摩爾定律，稱之為EME，這不是真的摩爾定律，也非Dennard Scaling定律。
另一個也同樣沒有繼續線性微縮，而是利用面積微縮的方式達到同樣功效的，就是3D NAND技術，這技術現在蓋房子已經蓋到64層到13奈米製程，等蓋96層就到了10奈米製程。
Silicon Age 3.0世代 體積微縮概念為摩爾定律續命
2004年我提出了異質性整合(Heterogeneous Integration)技術，把SoC、RF、DRAM、SRAM等不同技術的晶粒堆疊在一起，有別於Silicon Age 2.0世代是同質性晶粒整合的精神，更上一個層次。
雖然封裝廠也藉由SiP技術把各種不同晶粒推疊在一起，但並不能真正展現異質性整合的精神，異質性整合技術是指不同技術晶粒之間的堆疊，我們稱之為Silicon Age 3.0世代。
Silicon Age 3.0世代是指體積微縮(Volume Scaling)，利用底部的面積加上封裝技術拉出3D空間，再回算成單位面積，這也是一種摩爾定律的延伸。
蘋果iPhone 7拆解 揭開台積電一手統包的祕密
在2016年的今天來談這個概念是別具意義，因為蘋果iPhone 7發表且被拆解後，我們發現當中很多原本被認為是秘密的理論，如今被佐證已用在半導體設計和製造上。
蘋果iPhone 7裡面的AP微處理器100%由台積電操刀，台積電之所以可以獨吃蘋果，當中有個很關鍵的地方，就是「整合扇出型」InFO封裝技術的奧妙之處。
過去我提出異質性整合技術時，大家實踐的方向都是晶粒之間的堆疊，封裝方式如Flip Chip或是TSV技術等，然在蘋果iPhone 7被拆解的當下，大家赫然發現Silicon Age 3.0世代的瓶頸，台積電已經全然突破了。
現在任何電子產品都講求輕薄短小，如果封裝方式不與時俱進，恐怕就無法造就完美的終端產品。
那我們看看台積電做了什麼吧！如果把台積電的3D堆疊技術比喻為蓋房子，就像是小時候的4層樓公寓，根本不需要有電梯，且公寓中間有個如四合院的迴廊，4邊都有樓梯爬上爬下，四合院中心就是交換情報的地方。在這樣的設計架構下，也做了3D堆疊，只不過只有堆4層，不是蓋101大樓再用TSV技術來當電梯，台積電這樣的設計概念讓晶粒的面積大了一點，但換來扁一點的體積，該技術就是台積電的InFO封裝技術架構。
傳統作法是把bond pad做在晶粒上連結外部的溝通，稱為fan-in技術，根據台積電InFO的概念，是把bond pad做在晶粒外面即是fan-out技術，形成整合型的扇型架構，此架構最大優點是散熱大量改良，且經過設計把基板(substrate)拿掉，矽接出來的金屬層直接到PCB，因此散熱大幅改善。半導體要真正走到異質性整合技術，所有瓶頸都可以藉由製程解決，唯有散熱是物理限制，台積電導入InFO設計，讓蘋果iPhone 7速度提高20%，且同時達到散熱。
再者，台積電在處理異質性整合技術還有一個訣竅，就是silicon InFO VIA(SIV)，在InFO設計架構下，週邊有幾根作為導電用的大柱子，讓所有需要整合的異質型晶片都可以堆在大柱子上做連結導電，雖然是一層層的堆疊，但所有的晶片設計都是fan-out架構，在外部做連結，有別於傳統3D架構的fan-in把晶片於內部一層層堆起來導致散熱變成很大的壓力。
為什麼InFO設計可以落實異質性整合技術？因為該設計下的垂直線短、水平線長，城區內有高速公路連結，與鄉村間的溝通更打造一條條捷運，在垂直、水平的高速公路、捷運路線互相交錯連結下，城市和鄉村的溝通和信號傳遞變得四通八達，打破各界認為摩爾定律終究會被後端封測技術限制的想法。雖然2004年我就提出異質型整合架構，但尋找了10年都沒有適合的落實方法，台積電在蘋果iPhone 7設計和封裝技術上的突破，恰恰實現了異質型整合架構的理論，且是用低成本的解決方案實踐，台積電的InFO突破了半導體的瓶頸，也將會引領其他同業跟進。
為Silicon 4.0時代暖身 異質性整合＋台積電InFO突破瓶頸
展望未來半導體技術發展，Silicon 1.0時代延續至今的線性微縮仍繼續，只是10奈米只做到14奈米的微縮、7奈米其實只有12奈米，而5奈米其實是10奈米，同步地，我們將進入Silicon 4.0時代，在這裡我也會充分解釋摩爾定律為什麼不會終結。我把台積電指出的四大成長領域手機、高速運算(HPC)、物聯網(IoT)、車用電子統稱為半導體智慧平台，這也會是Silicon 4.0的技術目標。其實可以參考蘋果的作法，除了電池、面板不做，其他零組件都有統包意願，蘋果雖是系統公司，但骨子裡是半導體人的玩法，我們把蘋果的成功，看成Silicon 3.0到Silicon 4.0時代的橋樑。我們可以觀察，為什麼半導體產業這幾年有Silicon 2.0、Silicon 3.0世代延續整個摩爾定律，但營收成長仍是緩慢？實則是因為很多的半導體價值跑到系統端去，部分系統端的價值更分享給應用端，但總和來看，智慧泉源仍是半導體知識。
因此，我提倡的Silicon 4.0時代是要把系統應用端的價值，透過異質性整合和台積電InFO設計提出的fan-out技術，回歸到半導體產業，讓半導體產業的產值可以反應它實際的價值，也讓應用產業發展更為精緻化且更廣泛，包括人工智慧(AI)、機器人等都一一實現，連汽車電子化後，讓引擎都不見了。
人類先有工業革命，到19世紀是科技革命，現在到了科技多元化應用革命世代，意思就是，這個革命必須要有應用端的參與，半導體也是一樣，若沒有把應用端考量近來，生產晶片和造磚頭是沒有兩樣的，磚頭再好頂多是羅馬磁磚，真正賺錢的是拿磚頭去蓋101大樓的人。
台積電董事長張忠謀曾說the next big thing就是物聯網，但物聯網時代下，台積電不會是最賺錢的。不過，半導體絕對是智慧核心引導未來應用多元化的主力部隊，因此，我們要思考賺錢方式，讓半導體價值可以反映實際貢獻。
我們靠Silicon 2.0和Silicon 3.0概念就可以走到2025年，但2016年起，Silicon 4.0概念已經發芽，蘋果iPhone 7就是最好的表率，但這還不是純的Silicon 4.0時代。
類摩爾定律延續 HIDAS概念推升半導體產值達1兆美元
Silicon 4.0特徵是指把不是半導體的東西，卻用「矽」去實現做成Nano System，這樣的終端產品本質雖是半導體，但不再是用線性微縮去創造價值，更把週邊MEMS、鏡頭、感測器、生物感測器等都整合進來，使得最終產品的價值放大，等於是「功能 X 價值的微縮」，這就是所謂了類摩爾定律。
因此，在這裡我提出HIDAS概念，也就是異質性整合設計架構的系統。
分析蘋果的成功可知，雖然它不是半導體公司，但把半導體的價值都吸走，半導體技術自己的價值仍在，只是變成個位數成長，系統人用了半導體的知識，讓終端應用價值放大8~10倍，賺走大部分的錢。
但前提是，這樣的系統公司必須具備Heterogeneous Integration Design的能力，一旦像蘋果在晶片和系統兩端知識都觸類旁通後，接下來該趕快做的事，就是去包台積電的產能。
未來Silicon 4.0時代會發生什麼事？第一，以矽為基礎是不會改變的，但建立於矽基礎上的同質性整合趨勢改變了，就像是城市中用5奈米去做CMOS，但要有1奈米的速度和價值，中間建構一條時光隧道做傳輸，材料可能是用奈米碳管(Carbon Nanotube)，最關鍵的訊號用奈米碳管傳輸。
Silicon 4.0世代就是在異質型整合技術上，結合非半導體技術的應用系統端，進而推動經濟成長，預計可將半導體產業的產值從3,500億美元躍升為6,000億美元的價值產業，更進一步達到1兆美元，是現在的三倍產值，並再創造30年的榮景。同時，摩爾定律不死，製程可以走到1奈米，當中關鍵就是整合半導體的技術知識和系統端的能力，讓HIDAS概念徹底實現。