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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

319期2018年06月號

出版日期:2018/06/15

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波瀾壯闊的台灣半導體產業

撰文/龔招健

工研院產業趨勢與經濟研究中心(IEK)統計,2017年台灣半導體產業鏈產值達新台幣2.46兆,全球排名第三,在專業晶圓代工製造領域更長期獨占鰲頭。這些傲人的成果,始於40多年前,由政府與工研院共同推動的「積體電路計畫」,不僅將積體電路技術引進台灣,也翻轉了台灣的產業經濟結構。

工研院超大型積體電路(VLSI)廠房,於1987年公開招標租予台積電,是台積電發展最初的起點。
工研院超大型積體電路(VLSI)廠房,於1987年公開招標租予台積電,是台積電發展最初的起點。

2018年是積體電路(Integrated Circuit;IC)發明60週年,走過一甲子,IC驅動了世界快速演進,包括電腦、通訊、家電、汽車等3C產品都少不了它。隨著積體電路產業不斷製造出更強、更快、更小的晶片,它實現了無處不在的運算,在可預見的未來,汽車自動駕駛不再只是科幻想像,而智慧家庭、智慧廠辦、智慧交通、智慧城市的夢想實現不再遙不可及。

積體電路產業引領科技不斷創新,台灣身為半導體設計與製造的重鎮,不僅上、中、下游產業鏈整合完整,更首創專業分工模式,打造出晶圓、IC封測代工業,以打群架、技術領先的模式,帶動全世界積體電路產業蓬勃發展。

一場始於豆漿店的產業革命

而如此輝煌的成績,則要從44年前一場豆漿店的早餐會報開始說起。
時光回到1974年,當時台灣以勞力密集的輕工業、加工出口業為主,面臨產業已發展成熟,且第三世界國家崛起,擁有大量低廉勞力,台灣面臨尋找下一世代接棒產業的轉捩點。

2月,在台北市南陽街小欣欣豆漿店中,聚集了當時台灣政治財經界重量級人物,包括行政院長費驊、經濟部長孫運璿、電信總局局長方賢齊、交通部長高玉樹、工研院院長王兆振、電信研究所所長康寶煌,以及力主台灣發展積體電路產業的美國無線電公司(Radio Corporation of America;RCA)研究室主任潘文淵。

他們一邊吃早餐一邊進行早餐會報,在討論之中決定以積體電路技術作為產業發展藍圖,勾勒出台灣未來轉型高科技產業的願景,並決定以最有效率的方式自美國尋求合作夥伴,引進積體電路研發、製造、封測等技術,以爭取時效。

政府主導 自美國引進積體電路技術

1974年7月,潘文淵專程回台,在圓山飯店閉關一週撰寫「積體電路計畫草案」,寫完後於第一時間送達經濟部,孫運璿隨即召開專案會議,並在8月17日正式核定該計畫。

隨後潘文淵在美國召集海外學人組成電子技術顧問委員會(Technical Advisory Committee;TAC),並遴選RCA公司作為技術轉移的合作夥伴,選定引進積體電路中的「互補式金屬氧化物半導體」(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor;CMOS)技術,同時在工研院成立電子工業研究發展中心(後擴大為電子工業研究所),作為發展「積體電路計畫」的執行單位。

工研院看好當時民生消費及通訊等產品在未來的發展趨勢,選定以電子錶作為驗證技術成果的載具,「但我們所有投入的專家、學者、人才、主政者都不只是將這個計畫當作科專計畫,做出電子錶就結案,而是一開始就規劃完完整整地將積體電路技術引進,讓台灣日後能擁有自主研發與生產的能力!」當時擔任計畫主持人、工研院電子工業研究發展中心主任的胡定華,一語道出所有加入計畫的參與者,積極投入擘畫未來遠景的雄心壯志,希望打造以積體電路為基礎的資訊電子產業,燃亮台灣產業的革命之火。

RCA技轉計畫 培訓台灣半導體人才

計畫擬定後,團隊即刻開始招兵買馬,當時在美國普林斯頓大學攻讀博士畢業的史欽泰、楊丁元、章青駒等人,放棄在美國工作的機會,回國加入工研院,投身積體電路計畫的引進,並分成設計、製造、測試、設備4組,由他們擔任赴美國RCA公司取經團的領隊。

1976年4月,經過招募培訓的19人團隊,懷著興奮、緊張,以及期待的心情,出發前往美國。當年那群30歲上下的年輕小夥子,不負所望地將積體電路技術成功帶回台灣,如今,他們皆成為台灣電子科技業中重量級人物,各自擁有一片天,持續為台灣經濟打拚。

現任台積電副董事長的曾繁城,為當初第一批赴美的19人團隊之一,他回憶道,「當時我們很都年輕,懷抱著無比的熱情,想要把台灣的積體電路技術做起來。」史欽泰亦相當肯定RCA技轉計畫的成果,他表示,「RCA技轉計畫為台灣建立自行研發技術的信心。」有別於過往台灣產業以製造加工業為主,RCA計畫的成功,讓社會及國人發現,台灣有能力自行研發技術,進而堅定轉往高科技產業發展的目標。

催生聯電與台積電 晶圓代工獨步全球

1977年10月,工研院打造的全台灣首座積體電路示範工廠正式落成啟用,當初赴美受訓的人才返國投入生產研發。示範工廠採用7.5微米製程,產品良率在營運的第6個月已經高達7成,遠高於技術轉移母廠RCA公司的5成,技術成效超乎預期,甚至讓台灣躍升成為全球第三大電子錶輸出國。

由於示範工廠營運成效良好,為將技術落實產業化,決定在1980年以衍生公司的方式,設立台灣第一間半導體製造公司聯華電子,並移轉4吋晶圓技術以及研發團隊,轉任聯電研發製造,其中包括後來擔任聯電董事長的曹興誠。

「積體電路計畫」10年後,美、日、韓均已看出積體電路對國家發展的影響重大,無不積極投入,國際間興起技術保護主義,讓台灣很難再自海外技轉。1984年工研院接下「超大型積體電路(VLSI)計畫」,自行投入研發,隔年即邀來曾任美商德州儀器全球副總裁的張忠謀,擔任工研院院長。台灣第一座6吋積體電路實驗工廠於1986年正式完工,為發揮實驗工廠的經濟效益,在張忠謀的建議與當時政務委員李國鼎的支持下,1987年衍生成立台灣積體電路製造公司,將VLSI計畫的設備與人才移轉給台積電,並首創專業晶圓代工模式,充分發揮台灣在製造方面的優勢。

台積電很快發展成為全球舉足輕重的晶圓代工廠,並大幅改變產業生態,逐步走向垂直分工模式。有別於早期半導體公司以IDM廠居多,自行包辦從IC設計到產品製造的所有程序,晶圓代工模式成功後,設計公司只要專注做好產品設計,再委託代工量產即可,不必投資設立花費甚鉅的晶圓廠。

1990年代開始,台灣半導體產業鏈逐漸完備,在各領域的代表性公司除台積電、聯電之外,還包括日月光控股(合併矽品)、聯發科、群聯、穩懋、旺宏、華亞科、南亞科等,攜手為台灣締造出傲人的兆元產值。

此外,隨著個人電腦快速成長,負責資料處理及運算的「動態隨機存取記憶體」(DRAM)需求大增,政府因此在1990年委託工研院執行「次微米計畫」,延攬當時在美國貝爾實驗室任職的盧志遠,擔任計畫主持人,負責研發DRAM製造技術,以4年半的時間發展出8吋晶圓0.5微米的製程技術,讓台灣躋身世界半導體技術的領先群。

垂直分工特色 展望下一波發展

台灣發展積體電路技術以來,垂直分工與產業群聚的特色,使得台灣擁有彈性高、速度快、客製化服務、低成本的特色,且以晶圓代工為主的模式與全球半導體產業結構不同,這也是台灣半導體產業獨有的競爭優勢。2017年台灣半導體產業鏈的產值結構中,晶圓代工占49%、IC設計產業占25.1%、IC封裝測試產業占19.4%、記憶體產業占6.5%,總產值達810億美元,僅次於美國、韓國,全球排名第三。其中台灣又以晶圓代工領域的市占率最高,全球排名第一,占7成以上,產值達397億美元,成就傲人。

目前半導體製程已進入5奈米的競賽,除了持續追求製程微縮之外,亦同步往高度異質整合晶片發展。新材料的探索也已展開,如量子運算所需的超導體、奈米碳材等材料,藉此突破現今矽材料的極限。

工研院IEK研究經理彭茂榮認為,在智慧物聯網趨勢的帶動下,台灣半導體產業在以下領域較有發展機會:人工智慧、5G無線通訊、物聯網、工業4.0╱智慧機械、車聯網╱自駕車、擴增╱虛擬實境(AR╱VR)、高效能運算晶片(HPC)、軟體及網路服務。其中,智慧物聯(AIoT)應用多元,製程上不需使用到最尖端前瞻的技術,可能只要90奈米,甚至微奈米等級就可以拓展新應用,成本與門檻不若其他應用高,將刺激台灣小型IC設計公司崛起,以創新應用服務取勝,驅動產業多元化發展,創造新一波榮景。

他表示,台灣半導體產業猶如國家經濟象徵,隨著資訊電腦、智慧手機與連網裝置市場起飛,帶動產業蓬勃發展,未來除將持續耕耘既有3C電子市場之外,在政府「5+2產業創新計畫」,及智慧物聯的創新應用帶動下,預計到2025年,台灣半導體產值可達到4兆元新台幣的里程碑。
展望未來,台灣已具備科技矽島的基礎優勢,而亞洲是未來全球最重要的市場,台灣地處關鍵位置,應槓桿既有半導體的優勢,進一步打造滿足以人為本的需求,發展具有文化底蘊的科技應用「創新生態島」,在智慧物聯的時代下,科技會更貼近人們的生活型態和消費者需求,並作為創新的示範場域,達到讓人才聚集、產業群聚、資金多元、不斷創新的願景。

1974年,潘文淵博士在美國積極規劃積體電路技術,並召集當時美國IC界有名的華人專家成立「電子技術諮詢委員會」,由潘文淵擔任主任委員,以做為台灣技術、工業發展上的諮詢機構。前排左起凌宏璋、葛文勳、趙曾玨、羅念、胡定華,後排左起厲鼎毅、史欽泰、李天培、楊丁元、潘文淵。
1974年,潘文淵博士在美國積極規劃積體電路技術,並召集當時美國IC界有名的華人專家成立「電子技術諮詢委員會」,由潘文淵擔任主任委員,以做為台灣技術、工業發展上的諮詢機構。前排左起凌宏璋、葛文勳、趙曾玨、羅念、胡定華,後排左起厲鼎毅、史欽泰、李天培、楊丁元、潘文淵。

1976年,工研院派員赴美國RCA訓練。與RCA公關主任合影,左起曹興誠、倪其良、曾繁城、戴寶通、劉英達、陳碧灣、史欽泰。
1976年,工研院派員赴美國RCA訓練。與RCA公關主任合影,左起曹興誠、倪其良、曾繁城、戴寶通、劉英達、陳碧灣、史欽泰。

1978年,工研院第一批商用IC出貨,開啟台灣製造積體電路產品的發展。此為使用工研院積體電路示範工廠所製造IC的電子錶。
1978年,工研院第一批商用IC出貨,開啟台灣製造積體電路產品的發展。此為使用工研院積體電路示範工廠所製造IC的電子錶。

1984年,工研院超大型積體電路實驗工廠開工典禮。圖左至右為章青駒、史欽泰、潘文淵、胡定華、曾繁城。
1984年,工研院超大型積體電路實驗工廠開工典禮。圖左至右為章青駒、史欽泰、潘文淵、胡定華、曾繁城。

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