從晶片革新到虛實融合 科技世界的嶄新篇章
半導體製程創新 拓展新藍海
專家建議業者應透過技術突破、推動跨界應用 增強實力 搶攻AI、高速運算和物聯網商機
自從摩爾定律提出後，一直以迅猛的速度推動科技進步。過去的摩爾定律透過半導體製程的微縮，每隔約二年時間，在同樣的晶片面積上，電晶片的數量將增加一倍。時至今日，半導體製程已接近物理極限，這導致半導體生產的複雜度增加和製造成本上升。為尋找新技術的成長機會，半導體產業必須找到可行的技術進步方向。
研究人員開始提出深度摩爾（More Moore）、超越摩爾（More than Moore）和新元件（Beyond CMOS）。深度摩爾和新元件屬於技術突破，技術實現時間不確定性高。
深度摩爾是指持續在製程技術上創新，推動積體電路的線寬持續縮小，由於半導體製程已接近物理極限，製程微縮面臨著愈來愈複雜的技術難題，導致技術突破時程不確定性增加。
新元件主要目的為開發出有別於CMOS的新型開關元件，以處理資訊。透過開發出具有更高性能、更低能耗、更高功能密度、穩定且適合大規模生產的元件，增加晶片的運算能力。找尋更好的元件屬於未來的探索，具極高的不確定性。
超越摩爾是透過封裝技術的創新，將不同製程的產品整合在同一封裝中，輔以晶片間高速傳輸技術，以實現過去單晶片的效能。此技術不僅將不同製程的產品整合至一個封裝，也可整合不同的晶片，使晶片具備多樣化的功能。超越摩爾還強調製程優化和系統算法優化的創新，以提升整體系統性能。雖然不同技術研發方向代表不同的機會和挑戰，但從目前狀況評估，超越摩爾的技術路線是滿足功能需求下最符合商業效益的路徑。
實現科技目標的道路不只是一種方式。人類都市化過程中，透過將模組化居住空間單元，垂直堆疊居住空間的公寓或大樓，可以在相同土地面積下容納更多的人口，半導體製程也是如此。當製程微縮面臨重大科技挑戰時，為實現技術目標，透過封裝技術的革新，是推動半導體持續進化的重要途徑。製程創新不再僅侷限於特徵尺寸的縮小，而是通過新穎的封裝技術，以超越平面結構來提升系統的整體性能和功能多樣性。
小晶片模式主要包含同質整合及異質整合兩種模式，同質模式指將先設計兩顆至多顆晶片，再用高階晶片整合技術接合成一個大晶片；而異質模式則是將不同類型的晶片，如邏輯晶片、記憶體晶片等以進行整合。
例如蘋果與台積電合作的自訂封裝技術UltraFusion，連接兩個M2 Max晶片推出M2 Ultra，屬於小晶片的同質模式；而整合CPU、AI 加速器與記憶體的AI晶片，屬於小晶片的異質模式。超微2020年推出小晶片產品，根據資料顯示，以小晶片生產的成本，在14奈米的情況下，相較於系統單晶片（SoC）設計方式節省近50%。
半導體產業正處於新的黃金時代，這個時代的晶片製造需要從傳統晶圓代工模式思維轉變成系統晶圓代工。只有透過小晶片技術與有效的整合晶片，才能滿足運算及多種應用場景的需求。
經濟部產業技術司致力推動半導體領域科技研發，確保台灣半導體技術領域在AI、高速運算（HPC）和物聯網（AIoT）等市場中抓住商機，並積極研發晶片異質整合技術，強化晶片多元能力，如感測、光通訊等。透過科技專案計畫兼顧小晶片核心技術開發、異質整合與系統整合等技術，協助台灣的半導體產業掌握市場的新藍海商機。
小晶片模式不僅帶來成本優勢，也帶來跨域應用的可能性，小晶片技術更適用於物聯網、嵌入式系統等複雜環境。透過小晶片技術，半導體產業能更靈活將晶片整合到不同的應用中，提供更多樣化的產品解決方案。
隨著半導體製程創新和小晶片技術的發展，以及AI技術的逐漸成熟，整合AI與物聯網的AIoT迎來更多的市場機會。AI加持讓物聯網裝置實現更多的智慧城市、智慧交通、智慧醫療與智慧生活等多種場景的應用。
創新的人機互動模式，跨越虛實的界線將帶來更多市場機會。科技專案持續支持工研院與業界，推動製程創新提升半導體跨域應用的優勢，透過產品整合、實地應用推動以及科技與生活融合等多方面，讓科技改善民眾的生活。
半導體製程創新帶來的跨域應用不僅涵蓋人們生活，更包含基礎如能源獲取、無線充電等，半導體產業將透過製程的創新和功能多樣性，為新興領域的發展提供重要支持。在製程創新和跨域應用的推動下，半導體產業有望引領未來的科技潮流，開創更繁榮的未來。
（作者王宣智；經濟部產業技術司產業技術基磐研究與知識服務計畫成員）
CPO模組 高速網通生力軍
全球網路應用迅速發展，從5G、AI到元宇宙等，和大眾生活各個面向結合，尤其2020年疫情爆發後，資料中心對頻寬的要求飛速攀升，也由於網路資料流量快速成長，對網通晶片頻寬的需求，也不斷水漲船高。
伴隨對能耗需求的大幅增加，傳統印刷電路板整合已無法承載高速的頻寬需求。因此將網通晶片改採矽光子共封裝模組技術（CPO）來實現已是大勢所趨，藉由先進封裝技術將光電與光學元件整合，使晶片開發者獲得更多通訊頻寬，從而實現高速低延遲的數據傳輸之外，傳輸資料時所消耗的電力也大幅減少，剛好切中現今全球低碳節能的訴求。也因擁有這些優勢，CPO模組將成為下一代高速網通相關晶片重要的技術之一。
台灣有完整半導體製造、設計、封測整合產業，並在消費型網通裝置、設備市場長期耕耘，面對運算、網通需求增加，經濟部產業技術司投入高速光電通訊晶片開發，未來可即時銜接上游製造及下游系統應用，在核心組件自主下，帶動整體產業加值空間，同時發展半導體先進封裝技術，解決連接埠密度、功耗、散熱管理與頻寬等技術瓶頸，拓展國內封測整合產業應用。
根據Yole的產業趨勢報告顯示，以2019年的12.8T伺服器總傳輸速度推估，至2028年需求量上看至204.8T。而傳統插拔式光收發模組（Transceiver） 因本身架構傳輸速度受限的情況下，將難以供給逐漸提高的傳輸速度需求，伺服器架構勢必將在近幾年逐漸替換成CPO的架構，因此Yole的報告反應出CPO傳輸模組打入市場，估計2028年資料中心將替換成204.8T的CPO傳輸技術是已在進行的方向。
以矽光子技術為基礎的CPO共封裝模組架構原理是將光通訊和電子封裝技術融合，使光和電信號能在同一個矽晶片上共存，以實現高速、高帶寬、低能耗的解決方法，其架構大幅縮短電的傳輸路徑，搭配低耗損光電載板線路結構設計，突破現有電路板組（PCBA）資料傳輸瓶。相較傳統收發器架構，CPO模組靠著高精度晶片設計與整合技術減少電的傳輸路徑，相同時間下資料量傳輸可提升八倍，增加30倍以上的算力並節省50%以上功耗。
目前CPO技術尚處於研發階段，國際大廠紛紛投入競逐，國際網通系統大廠博通與思科在2023年全球光通訊研討會（OFC）公開發表的的51.2T CPO，技術領先群雄，其他著重於CPO技術發展的全球網通指標性廠商還包含英特爾、輝達、IBM等大廠。
經濟部產業技術司為讓台灣在高速網路的趨勢中保有領先地位，促成國內關鍵模組升級為歐美大廠的上游供應商，並跨入國際矽光子產業供應鏈，同時也可對半導體需求業者提供零組件在地化生產模式，落實半導體設備零組件生態鏈完整在地化群落的契機。
以科專計畫積極投入矽光子及CPO的研發，並於工研院成立「矽光子積體光電系統量測實驗室」（LIOS），至今已有多件來自國際及台灣廠商的量測服務與技術合作案例，同時積極促成國內產業鏈的建立。
另外透過結合台灣光電暨化合物半導體產業協會（TOSIA）力量成立光通訊與矽光子SIG聯盟，透過合作聯盟廠商共同開發技術、分享資源並提升整體競爭，冀望帶動國內光通訊與矽光子產業升級發展與開拓創新應用市場，串聯上下游業者不同的需求、技術及方案，打造新一代AI及網通產業的護國群山。
目前矽光子技術正在解決插拔式模組訊號延遲的問題，以解決資料中心內部計算速度逐步提高之需求，在各產業終端產品應用鏈結AI運算需求的同時，在計算架構中的CPU、 GPU與記憶體等硬體之間相互訊號傳輸速度將成為瓶頸，許多學者提出希望用光波導來取代電訊號的資料交換，讓各硬體之間的內部傳輸更快更有效率，這項技術將帶來更強大的運算能力，有助於推動AI和其他高效能應用的發展。
矽光子技術站在台灣光電產業的強大基礎實力上可望迅速發展，訊號在光晶片中傳遞的技術有助從物理根本上提升資料中心內部計算速度，以及對外資料傳輸速度，半導體製程與高精度封裝技術使模組變更微小、更精密，可填補不斷增長的AI運算需求，台灣在半導體技術實力和矽光子技術的鏈結帶來的創新與進步，可在全球科技競爭保持領先地位，開發推動半導體產業經濟轉型與可持續發展，也為人類開創更加光明的前景未來。
（作者駱韋仲；經濟部產業技術司高效低耗資料傳輸運算模組關鍵技術開發與系統應用計畫主持人）
虛實融合 顯示技術變聰明
隨著科技進步，未來的智慧裝置與服務將朝向「虛擬」與「現實」共存的狀態，未來的顯示科技將不再只是單調的螢幕，而是融入生活，提供無所不在的人機互動體驗。
我國2022年顯示科技產值合計達1.27兆元，約占我國GDP 5.6%，僅次於半導體產業。工研院產科國際所預估，至2027年潛在的智慧顯示應用可望帶來每年1,700億美元新商機。2023年蘋果於全球開發者大會（WWCD）發表Vision Pro頭戴式裝置，其沉浸式互動體驗更引起迴響，這也意味虛實融合技術將引領未來產品的開發與想像。
經濟部產業技術司長期透過科技專案計畫，支持法人與業界開發先進顯示科技，並協助產業進行跨領域整合，開發高價值、多元化的利基型產品，期望從以往製造導向的產業模式，移轉至以用戶為中心的跨領域系統整合模式。
對於場域應用而言，創新的第一步就是必須先「打破虛實的界限」，讓人機互動的本身就能融入現實生活的情境中。想像一下，當你走進水族館站在魚缸前，創新系統就會感應到你的存在，正當你觀看著魚缸內的魚時，魚種資訊就會出現在眼前，動一動手指還會出現更詳細的導覽解說，讓你無須反覆比對解說牌與魚缸裡的魚，更不會看到眼花撩亂。
在科技專案支持下，工研院團隊因應智慧生活場域開發的「我視AI魚缸」，搭載透明顯示螢幕，透過攝影機與AI辨識技術的結合，可精準判斷遊客視線方向，而在水族生物辨識上達到98%的準確率，同時也支援非接觸式手勢辨識，讓「眼睛看到哪裡、資訊就秀到哪裡」。
「我視AI魚缸」參加2023美國消費性電子展（CES），從2,000多件競爭作品中脫穎而出獲得創新獎（CES 2023 Innovation Awards）肯定，也被外國媒體盛讚為「最佳看點」和「五項新奇科技」之一。這樣可以提供民眾虛實融合互動體驗的「我視AI魚缸」已導入基隆國立海洋科技博物館的潮境智能海洋館。
除水族館等等智慧育樂的場所，透明顯示虛實融合也可應用在智慧交通領域。民眾在出門旅遊搭乘觀光巴士或輕軌捷運時，常會想瞭解窗外地景資訊而狂查手機，非但缺乏時效，甚至可能查到頭昏眼花；若導覽資訊能即時浮現眼前，既可滿足遊客好奇心，還能讓行程更深刻有趣。
工研院研發出全球首創「透明顯示虛實融合智慧窗」，整合景物GPS座標定位與使用者視線追蹤，依乘客視線在窗屏上秀出導覽資訊。為避免乘客在晃動座艙中閱讀顯示資訊而導致暈眩的問題，此系統同時搭載抗暈眩資訊顯示技術，研發團隊和醫學團隊合作進行之人因實驗結果顯示，此抗暈眩顯示技術可改善乘客在晃動車艙觀看螢幕造成不舒適的問題，飽覽窗外美景與導覽資訊的同時也不會頭暈。
2023年底前將導入新北捷淡海輕軌的車廂進行驗證。除此之外，研發團隊開發整合GPS座標與影像輔助定位技術，並實際應用在高雄亞洲新灣區「鼓山-棧貳庫-旗津」遊港渡輪上，系統會化身為虛擬導遊，不僅解說港都的歷史人文風貌，還可顯示周邊好吃好玩的商家優惠，打造虛實互動服務。
工研院在科技專案支持開發的「透明顯示虛實融合互動系統」，也已在宜蘭縣自然史教育館的琥珀展、國立自然科學博物館的在海之濱．古生物的奇幻世界展、陽明海洋文化藝術館2F的洋明輪、新竹241藝術中心的入口變身鏡、捷運南港展覽館站1號出口的無人咖啡吧等場域實地導入。期望為民眾的生活帶來更多便利和豐富性，為台灣產業帶來嶄新的商業模式和機會。
（作者李正中；經濟部產業技術司任意形態與虛實融合顯示系統開發計畫主持人）
本文同步刊登於2023/10/29經濟日報A11產業追蹤