相信台灣人對於半導體產業並不陌生，尤其我們在全球的半導體市場締造出非常輝煌的成績，擁有全世界最頂尖的IC設計、晶圓製造代工與封裝測試。然而隨著技術的發展，半導體製程微縮似乎已經來到盡頭，摩爾定律即將失效，究竟半導體產業將如何變化？又近年受到消費市場的成長趨緩，中美貿易戰增添市場不確定因素等多重影響下，2019年半導體廠商該如何擬定策略並尋找新的機會呢？
綜觀全球半導體產業分工與介紹
談到半導體產業，首先還是簡單介紹一下全球半導體產業鍊的分工與主要參與企業。
目前的半導體產業鍊，大概主要可分為四種營運模式，分別為：
- IDM(integrated design and manufacture)整合元件製造商模式：
又稱為垂直整合模式，亦即從IC設計、製造與封裝測試，都靠自己生產，也是最早期半導體公司的營運模式。其優點是容易管理整個生產過程，且品質控管與技術發展較能掌握完全，因此更能迅速反應市場需求。目前市場上主要領導廠商為Intel、Samsung與Texas Instrument。 - Foundry晶圓代工廠模式：
這邊所指的代工，主要包含了晶圓製造、封裝與測試等上中下游的價值鏈關係。而此商業模式的起源，正是來自於張忠謀先生所提出，當時張忠謀先生任職於德州儀器副總裁時，便發現未來技術發展需要靠大量的資本投入，認為專業分工的方式為未來勢在必行的商業模式，因此在他回台擔任工研院長並創立台積電後，套用此商業模式於台積電，同時採取有遠見的跳蛙策略，並獲得良好的成績與晶圓代工的領先地位，更帶起全球IC產業的專業分工。此商業模式的優點為，廠商無須承擔產品銷售的市場風險，且更能專注在專業分工上，並將固定的利潤投注在技術研發上，追求更穩定的獲利與市場。另外，對於大部分Foundry來說每年需要投入大量的研發成本，且晶片製作與設備運轉過程不能隨意中斷，因此對此模式的關鍵成功因素(KSF)主要為產能利用率的最佳化與產品良率的提升。目前市場的領導者為中游的台積電與下游的日月光、矽品等。 - Fabless無廠IC設計模式：
簡單來說即為專注在上游IC電路設計的廠商，優點為無需投入龐大資金於設備，僅需在意其IC晶片的設計與銷售，然而也因為沒有自己的製造廠，在產品的測試與研發上，通常需要與代工廠合作，因此與中下游產業的關係需要穩定配合，承擔市場的風險較高。目前較有名的領導廠商為Qualcomm、Broadcom等。 - Design Service晶片設計服務提供模式：
以提供IC設計與製造廠商所需的服務、工具或智慧財產權為主要產品的營運模式，本身無需龐大的規模資金，通常也沒有實體產品，以販賣設計圖或程式碼為主，此類產品又稱矽智財(SIP)。比如ARM、Synopsys等等。
全球半導體產業概況總覽
由市場機構Gartner發佈資料顯示，2018年全球半導體產值高達4767億美元，較去年成長13.4%，以積體電路(IC)為主要半導體產品，產值將近4000億美元。
若將IC設計與代工廠放入評比，可見全球半導體銷售前15大廠商中，台積電更是佔據第四名，相較於前年略為下降一名，主要是因為海力士於2017年收購了Microsemi，因此於2018年穩住第三名寶座。
其中，以區域發展來看，又以亞太地區為主要市場，產值佔整個產業約六成，成長依然表現亮眼。
然而從2018年Q4開始，受到全球記憶體庫存調整與單價暴跌、晶片銷售下滑、終端消費市場銷售不如預期以及中美貿易戰等因素，導致全球半導體成長呈現明顯下滑趨勢。尤其記憶體市場顯著轉弱的情況下，預期2019年半導體市場將充滿挑戰，成長明顯放緩。
根據SEMI (國際半導體協會)表示，雖然經濟前景不明確且營收成長下降，使得全球晶圓廠設備投資金額成長跟著下修，但市場對於成熟製程依然樂觀，台積電更是積極佈局3、5奈米廠房，三星也有意跟進，這也意味著全球晶圓大廠對半導體技術發展與準備仍有相當信心。
延續摩爾定律所遭遇之技術困境
隨著半導體製程的微縮化發展，摩爾定律也即將來到盡頭。所謂的製程微縮化，就是在積體電路上增加可容納的電晶體數目，以此來增加晶片的運轉效率。然而製程的微縮有其物理限制，一般認為3奈米差不多是其極限，因為再往下微縮會遇到幾個問題如：微影與蝕刻技術、不同材料整合的熱膨脹係數差異、漏電流與功耗等等問題。
橫向發展為目前主要方向，縱向發展需靠創新技術推進 因此在未來的半導體產業發展上，如同張忠謀先生所說，可從橫向與縱向兩種維度來探討其發展。所謂縱向發展，亦即持續追逐摩爾定律，延續原有CMOS技術，專研高集積度的IC設計、找尋能取代矽(Si)為基礎的製程材料；而橫向發展則是積極尋找半導體新的應用與技術整合來創造市場需求，開拓除了消費性電子產品市場外的新可能。
市場普遍看好未來橫向發展應用多元
對於半導體的橫向發展，主要可分成四種應用領域，分別為AI人工智慧、5G、IOT物聯網以及Automotive自駕車，彼此關係密不可分，相信這些詞彙大家都不太陌生。
- AI人工智慧：
這裡必需先說明一下，此處所指的人工智慧是特別指稱機器學習(Machine Learning)與深度學習(Deep Learning)。由於人工智慧大量的學習與運算都需要靠雲端伺服器的處理器來進行，因此半導體的進步將使得運算能力變得更強大與快速，所能乘載的資訊量也愈加龐大。比如目前市場常見的幾個處理器GPU(Nvidia)、VPU(Intel)或TPU(Google)等等。 - 5G：
由於5G的標準制定與商業模式仍然未能底定，預計應該2020年才看得到實際的應用，然而未來5G的推出，將使得資料得以低功耗且大量地高速傳輸，應用將遍及物聯網、智慧醫療、車聯網、工業4.0等領域。因此對於半導體來說，對於射頻晶片的要求將會更加嚴峻，且必須能夠符合大量資料的高速傳輸要求。 - IOT物聯網：
與上述概念相同地，半導體於物聯網的應用除了對於雲端運算的要求更高以外，同時終端感應器(Sensor)、影像處理、資料儲存與微處理器等半導體應用也需要更多元且大量的需求。 - Automotive自駕車：
除了上述的應用都可以成為自駕車系統需求的一部分，另外對於自駕車中所需的車用晶片、後裝產品、顯示器、雷達、LED與記憶體等，都屬於半導體的應用範疇，未來成長市場普遍看好。
二維材料、封測技術與微影蝕刻等技術可能成為縱向發展關鍵
要往縱向發展，半導體的微縮化在技術上的瓶頸就必須有新的突破，市場普遍比較看好的是晶圓代工以台積電與三星為標竿，其中台積電採取保守穩進態度，初期以深紫外光刻(DUV)曝光，待DUV穩定再轉往極紫外光(EUV)曝光技術。目前已經能夠量產7奈米，預計於2019年試產5奈米技術，晶片效能與SRAM開發載具良率的提升都符合進度，至於3奈米的技術也有相當把握，將於2020年開始興建南科的3奈米廠。另方面，三星則直接搶進以EUV試產7奈米，預計2019下半年可望量產，並有意佈局於2020年開始試產3奈米。整體而言，距離製程微縮的極限已不遠，許多關於製程、材料、傳導機制或半導體結構改良等重要研究的商用化進展更成為摩爾定律是否能夠延續的關鍵。
- 二維材料(2D-material)：
所謂二維材料通常可透過物理或化學方法，分離出單層原子級厚度的平面層，厚度大約在幾奈米的尺度內，因而產生與塊材表面不同的性質。由於些許二維材料如：磷烯(phosphorene)、矽烯、鍺烯或者過度金屬硫屬化物(TMDCs)等等，可能具有不同的高導電性、能隙寬或者高電子遷移率，使得成為半導體新興研究的材料，以創造更高效能與低耗損的成果。 - 3D封裝技術：
簡單來說，三維的封裝技術決定了晶片堆疊的密度，透過異質堆疊方式可將各種不同的邏輯晶片、射頻、感測器或電源等等進行整合，提升晶片效能並降低功耗。 - 極紫外光微影技術(EUV)：
半導體製程原理主要是透過差異蝕刻，亦即將光罩上的電路轉印到半導體上，但其發展限制在於，若電路尺寸過小時，光會產生繞射現象，導致電路圖形無法順利轉印到半導體上。目前技術已經進展到，透過錫電漿來產生10奈米左右的極紫外光，透過此波長的光來達到微影蝕刻的需求。
當然除了上述幾種可能性以外，近日很紅的量子運算與矽光子兩大技術也可能是推動後摩爾時代的推手。
a.) 量子電腦：傳統一般電腦是採用0與1的二進位制，而量子電腦則可透過量子位元疊加態(superposition)的特性，來同時處理運算大量資訊且更具安全性，可望成為新一代電腦運算技術，目前以IBM、Intel與Google的研究較為有名。
b.) 矽光子(Silicon Photonics)：一般資訊傳輸主要是靠電訊號來傳遞，然而若能將資訊的傳遞透過光訊號，則傳輸的距離與耗能都可以獲得很大的改善。矽本身無法發光，需要雷射光作為光源，所以透過封裝技術將光源與晶片組裝整合在現有半導體CMOS製程，也是目前業界推動的方向。
台灣廠商發展策略重點與機會
受到2018年中美貿易戰與科技禁令所造成的全球經濟不確定性，以及汽車、消費性電子產品銷售不如預期與記憶體供過於求等情況，導致2019年全球半導體產業一片沈積，進入半導體經濟循環的低潮，普遍預估今年成長率遲緩，僅有2.6%左右。在寒冬中，各家廠商紛紛下調資本支出金額與庫存，產能利用率也隨之降低。另外，技術的發展瓶頸與高額的投入成本，小廠生存愈加艱辛，大廠併購策略，也成為半導體廠商競爭存活的關鍵。因此，找尋新的市場機會、發展創新的技術與政府政策規劃都是當務之急。
- 積極創造高附加價值之終端產品：
如同前面對半導體產業橫向發展的期待，台灣廠商擁有先進的技術與經驗，在AI、IOT、自駕車與5G的技術發展應用佈局更應加速，把握市場先機。 - 加強製程技術與不同半導體材料間異質整合創新研究：
台灣廠商應持續投入縱向創新研發，穩守半導體代工的領導地位，同時在人力資源上，把握此時機加強招攬與培育，可望在經濟轉好時，成為即戰力，迅速開啟產線運作。 - 政府政策引導與基礎設施落實：
期待台灣政府在於產業政策的規劃引導上能夠更明確具體，時程上需要與業界有共識，尤其基礎的水電、土地、金融與法律等，需要更穩定且符合時宜的制度，同時政府也應更加關注教育的不平等與人才流失的狀況，積極與業界找尋合作共識，制定國家發展策略。
總結來看，2019年是半導體產業很重要的轉捩點，尤其在後摩爾時代，國家產業策略的發展綱領、企業的競爭策略與營運方向，以及學術單位的研究開發合作，都會影響全球半導體市場的版圖分佈，尤其面對中國半導體的崛起，誰能掌握未來市場發展方向，便能搶佔市場先機。
參考資料：
- 一看就懂的IC產業結構與競爭關係
https://kopu.chat/2017/04/08/ic-industry/ - HIS Markit：Global Semiconductor Market Trends
https://nccavs-usergroups.avs.org/wp-content/uploads/CMPUG2018/CMP718-1-IHS.pdf - 2018年台灣半導體發展概況與2019年展望
http://www.taiyasmart.com.tw/wp-content/uploads/2019/01/2018%E5%B9%B4%E5%8D%8A%E5%B0%8E%E9%AB%94%E7%94%A2%E6%A5%AD%E5%9B%9E%E9%A1%A7%E8%88%87%E5%B1%95%E6%9C%9B20190121.pdf - EET Taiwan TOP 15半導體大廠銷售排行榜出爐
https://www.eettaiwan.com/news/article/20180821NT02-Top-15-Chip-Suppliers-in-1H2018 - ITIS 2018半導體產業年鑑
https://www2.itis.org.tw/pubreport/pubreport_detail.aspx?rpno=53221101 - WSTS Forecast Summary
https://www.wsts.org/esraCMS/extension/media/f/WST/3730/WSTS_nr-2018_11.pdf - 技術與材料優化，半導體製程超越物理線寬極限
https://www.digitimes.com.tw/iot/article.asp?cat=130&cat1=45&cat2=25&id=0000511573_0w96m2zi6ihm7s4sjba0x - Beyond Moore’s Law: A Gate-free Atomic Monolayer Diode
https://www.most.gov.tw/folksonomy/detail?subSite=&l=ch&article_uid=e553f46b-8360-4127-906b-19eed7aadb73&menu_id=9aa56881-8df0-4eb6-a5a7-32a2f72826ff&content_type=P&view_mode=listView - 北美智權報214期：《摩爾定律的下一步：半導體製造技術的變革新趨勢》
http://www.naipo.com/Portals/1/web_tw/Knowledge_Center/Industry_Economy/IPNC_180627_0705.htm - 後摩爾定律時代，晶片公司的機會在哪裏
http://blog.moneydj.com/news/2019/03/01/%E5%BE%8C%E6%91%A9%E7%88%BE%E5%AE%9A%E5%BE%8B%E6%99%82%E4%BB%A3%EF%BC%8C%E6%99%B6%E7%89%87%E5%85%AC%E5%8F%B8%E7%9A%84%E6%A9%9F%E6%9C%83%E5%9C%A8%E5%93%AA%E8%A3%8F%EF%BC%9F/ - 機器是如何學習與進步？人工智慧的核心技術與未來
http://scimonth.blogspot.com/2018/03/blog-post_56.html - AI應用需求推升新一代半導體運算架構持續創新
https://www.digitimes.com.tw/iot/article.asp?cat=130&id=0000539853_RHE7F2G36VNCTN2OEHEA0 - 滿足5G標準需求，廠商加速半導體技術佈局
https://www.digitimes.com.tw/iot/article.asp?cat=130&id=0000540692_SOZ577NVLDF1JZ122ZADN - DIGITIMES：5G新紀元不遠，標準、規則怎麼看
https://www.digitimes.com.tw/col/article.asp?id=1004 - 台灣經濟研究院：國內外車用半導體與自駕車相關IC之發展情勢
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https://portal.stpi.narl.org.tw/index/article/10409 - EET Taiwan：下世代3D封裝技術邁向異質整合
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https://www.tsmc.com.tw/download/ir/shareholders/2018/ch/ChineseMeetingMinutes2018.pdf - 2019年半導體景氣Q3觸底，僅台灣晶圓廠投資逆勢成長
https://www.bnext.com.tw/article/51702/semiconductor-2019-outlook - 各國半導體產業發展策略
https://www.digitimes.com.tw/col/article.asp?id=827 - 推薦的半導體產業指標 https://kopu.chat/2017/06/04/%E6%8E%A8%E8%96%A6%E7%9A%84%E5%8D%8A%E5%B0%8E%E9%AB%94%E7%94%A2%E6%A5%AD%E6%8C%87%E6%A8%99/
- Case報科學：《新一代製程的關鍵：13.5奈米的「極端」紫外光》https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=33519&fbclid=IwAR2s3jxWTgXLfEVxJEZTMoK1XLvueEEr_xHIHgISf2opFvuQ-u_Nh3l8h9A
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