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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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Flash 發明人施敏 VS. 群聯電子董事長潘健成 挑戰

王為

談到Flash(快閃記憶體)帶來的影響,最為人津津樂道的,
不外乎是它改變過去儲存數位資料的技術,以體積小、快速讀寫、穩定等優勢,
成功躍居新一代資料儲存裝置的技術應用主流。
在交通大學校友會舉辦的一場演講活動中,邀請到Flash的發明人、
現為交通大學榮譽講座教授施敏與發展Flash應用產品的群聯電子董事長潘健成,
從Flash的發明、發展、演進, 探究它未來能為台灣電子產業裡帶來哪些機會與新希望。

1996年開始,電子工業已然成為全世界最大的工業,在此之前,全球最大的工業是汽車工業。

根據市場調查資料統計,2007年全世界電子產業的產值約為2.2至2.3兆美元。其中,Flash占電子工業的比重至少七成,甚至接近八成以上,因此,Flash可說是全世界最大工業,也就是電子產業的推動主力。

創新 締造新機會

此一結果的產生並非偶然,畢竟電子工業在每個階段的重要技術研發,都對人類生活造成了巨大且深遠的影響。誠如2000年的諾貝爾物理獎得主Herbert Kroemer所說:任何石破天驚的創新技術,都能夠締造許多前所未有的新應用。

對此,交通大學榮譽講座教授施敏特別舉了三個例子,說明電子工業裡的重要創新技術。第一個例子是在1947年發明的電晶體。由於電晶體發明後不僅僅取代了真空管,而且還開啟新一代電腦及新工業革命,造成的影響十分巨大。

第二個例子是1963年由Herbert Kroemer發明的異質接面雷射(Heterojunction Laser)。該項技術不但為光電技術帶來革命性的影響,同時也開創了光纖通訊,並且造成CD及DVD的興起。

第三個例子則是由施敏,在1967年發明的非揮發性記憶體(Nonvolatile Semiconductor Memory)。這項技術除了改寫資訊儲存的技術,還創造了包括手機、筆記型電腦、數位相機、MP3、PDA和GPS等各種新的應用,真正為數位時代揭開序幕。

半導體記憶體的兩大陣營

事實上,半導體的記憶體可分成兩大陣營:一個是「揮發性記憶體」(Volatile Semiconductor Memory),另一個是「非揮發性記憶體」(Nonvolatile Semiconductor Memory,簡稱NVSM)。

「揮發性記憶體」的缺點是,一旦面臨停電,便會漏失資料。包括大家熟知的DRAM及SRAM都屬於這類型的記憶體。而「非揮發性記憶體NVSM」一旦遇上停電,並不會致使資料因此揮發掉,衍生漏失資料的遺憾,快閃記憶體Flash即屬於此類。

施敏進一步指出,要評估理想的記憶體,約略可列出包括:非揮發性、體積小、低耗電、可以覆寫、位元可替換性、讀/寫/抹快速、長保品質穩定、成本低廉、單一電源供應、倍率成長、耐摔及整合度高在內等一共12項的衡量指標。

而比較各種記憶體之後,又以Flash在12個評比項目中,拿下11個優點為最多。施敏甚至強調,「對於大量儲存而言,Flash記憶體,尤其是NAND Flash幾乎是沒有競爭對手。」

早在1960年代,由王安博士所發明的磁圈記憶體,是整個電腦記憶體的大宗;在當時,想要不用磁圈,而改用半導體來做記憶體,普遍被認為幾乎是不可能的。理由是這樣的記憶體壽命太短,只能有大約一微秒(1ms)而已。

NVSM:1967年首度登場

直到1967年,以半導體元件當作「非揮發性記憶體」(NVSM)儲存之用的概念,首度藉由論文發表,獲得大眾認可之後,情況開始有了改變。就在當時,實驗性的EEPROM(串列式電氣式可抹除唯讀記憶體)也首度被公開展示,儲存時間可以超過1小時。

當時該篇論文,不僅介紹了以半導體來當成NVSM的基本概念,同時也介紹浮閘架構(Floating-gate Structure)。如今,浮閘架構已成為NVSM最主要的技術,廣泛應用於資料的儲存。而撰寫這篇影響全球半導體產業甚鉅的論文作者,正是施敏。

NVSM在2007年的產量,若以位元數來講,是6乘以10的18次方,剛好是電晶體的一倍。根據統計,2006年的NVSM出貨量已經超越DRAM,成為下一世代半導體科技的火車頭。

另外,依據Flash的讀/抹除資料方式不同,架構上又可分成NOR Flash和NAND Flash兩種類型。因為兩者特性不同,NOR Flash主要用在手機或主機板等產品上,所以又稱為Code Flash。至於NAND Flash因為具有高密度和高寫入速度,廣泛應用於多媒體資料儲存,目前常見用於MP3及數位相機的Flash卡,幾乎都是NAND Flash居多。

NVSM:催生電子產品新應用

施敏表示,自NVSM發明以來,催生了許多電子產品的新興應用。主要的應用類別可以粗分為五大類,分別是:手機、可攜式應用、電腦周邊、交通及工業應用。

第一大類包括手機、藍芽、數位相機、數位錄音機、MP3播放機、數位錄影機及PDA等,從2004年到2007年出貨量累計已達103億。第二大類包括筆記型電腦用的Flash記憶體、數位播音機、電話答錄機、電玩、電子字典、玩具、電子書等,出貨數量12億左右。此外,像電腦與周邊類,應該有92億產品出貨,交通類累計出貨達10億,工業應用也有8億市場。

從1967年施敏發表NVSM以來,無疑地已對人類生活造成深遠的影響,相關的衍生應用也快速將人們的生活帶進數位時代。過去四年,全世界已經生產超過220億個NVSM產品;預估到了2011年時,全球的NVSM產品將更增加到740億個,平均每個人身上都會用上10個左右的NVSM產品。

NAND Flash盛世的幕後英雄

順勢趕上這波NVSM風潮的,還有台灣的電子產業。成立於2000年11月,群聯電子的發展目標,定位在提供NAND Flash應用的解決方案。董事長潘健成更強調,群聯只做跟NAND Flash有關的產品。群聯目前擁有400名的員工,其中半數是工程技術人員。

群聯電子的商業模式在產業裡走的路跟別人比較不同,一方面做控制IC,另一方面也做系統產品,就像是水陸兩棲的青蛙。潘健成強調,「由於台灣市場規模太小,所以群聯不做品牌,而是把重心放在ODM上。」群聯電子扮演的角色,最核心的是控制IC設計及系統整合能力,透過替客戶做OEM/ODM服務,走向整體規畫(TurnKey)服務。

群聯電子的上游是供應快閃記憶體的廠商,因此,群聯電子同時也替這些快閃記憶體廠商設計許多控制IC以及系統產品。此外,群聯電子也供應下游客戶控制IC、半成品或成品的服務。

價格降,刺激消費激增

群聯電子在2001年5月,推出全球第一顆USB Flash 控制晶片之後,造成2003年Flash首度大缺貨,時間長達8-10個月之久。

2002年4月時,群聯電子獲得來自日本東芝及以色列M-Systems的投資。如今東芝是群聯電子的最大股東。在2008年6月,群聯電子陸續又獲得Kingston及Hynix的投資挹注。

儘管2007年群聯電子的業績達到新台幣200億元的目標,但今年受到景氣影響,要發展出去年的成績似乎相當困難。不過,在USB Flash控制IC的市場占有率方面,群聯電子依然是排名世界第一。對此,潘健成表示,希望未來五年,在其他領域,群聯也都能做到第一名。

潘健成回憶,群聯從1998年開始接觸NAND Flash,當時東芝的Flash是2MB,價格為50美元,一開始是應用在錄音領域。到了1999年,日本卡西歐推出第一款數位相機,放入2MB的Flash 記憶體,要價50-70美元。

當群聯電子2001年開始推出USB概念的Flash產品時,一開始容量是16MB。潘健成說,他還記得當時公司的第一宗生意是128MB USB隨身碟,這個容量如今卻連小學生也可能會嫌太小,「因為只能存幾張圖片就滿了。」可是來自德國的2,000支訂單,FOB(起運點定價)價格是每支150美元,折合新台幣大約是4,700元。

「感謝科技的進步,現在各位手中的Flash記憶卡,絕對不只是1GB或2GB,而可能是4GB或8GB,甚至有客戶會要求16GB。現在到資訊大賣場,2GB的零售價好像也不到台幣200元。科技造福了人類,但也讓我們在這個行業裡的公司,非常辛苦。」潘健成笑著說。

不過,價格的快速崩跌,最大的好處是刺激消費。2004-2005年,有一波NAND Flash大缺貨,主要是因為MP3的大量需求。到了2006年,則是因為大量的手機置入了相機功能,造就了Flash的需求量大增。就連Apple的i-Phone也做到16GB,所以需求很強烈。但相對地,在2008年,並沒有看到什麼大的需求。

而2007年11月,2GB的NAND Flash是16美元,一年後的今天,則降到1.6美元,價格只剩去年的10%。潘健成強調,「在這個行業,要獲利是非常困難的,」要獲利得靠前瞻技術,還要有微利管理能力。

SSD是Flash未來的機會

展望Flash市場的未來,潘健成認為,Flash的機會在於SSD(全稱為NAND Flash-based Solid State Drive,以快閃記憶體為基礎的高效能固態硬碟)。未來只要有40-50%的NB改用Flash取代硬碟的話,Flash一定會大缺貨,可是,潘健成也了解,這一天不會是明天,也不會是明年,而是要很多年以後才會發生。

此外,群聯電子剛成立時所使用的Flash製程是0.16及 0.13微米,目前東芝的製程最先進的是43奈米;短短七年的時間,製程技術提升得很快。過去在晶圓廠裡,都是由DRAM代工來領導製程,但從2005年之後,三星的策略改變,改用Flash來領導製程。所以現在最先進的製程會先用在Flash,之後才應用到DRAM上去。

Flash製程分為SLC及MLC兩種,而MLC目前的市場占有率應該超過90%。潘健成表示,2003年的農曆年前,群聯電子是全球僅次於東芝及SanDisk之外,第一家使用MLC Flash的廠商。他表示,由於群聯與東芝的密切伙伴關係,使得該公司在MLC的技術,走得比較領先且完整。

潘健成強調,一開始Flash使用SLC,好處是速度快、可靠度佳,可是價錢很貴。如今2GB的MLC每顆是1-2美元,SLC卻需要9-10美元,價格差五倍,因此慢慢壓抑了SLC的成長,幾乎所有人都採用MLC製程。

到了2008年第三季,在東芝及SanDisk之後,群聯電子率先使用2 bits per cell的MLC製程,總計使用了400萬顆。MLC的最大問題在於速度非常慢,可靠度不是非常好,所以要靠控制IC去做處理。潘健成表示,如果你能夠處理得好,相對地,才能比別人多一點獲利空間,這就是這個行業的現實。

MLC下一步是4 bits per cell,至於應用會在哪裡?大家一致認為絕對不是PC,因為MLC的可靠度不夠好,因此,潘健成認為最大用途應該是用在一次、二次的寫入(Programming),所以唯一的機會是取代DVD。他認為,4GB的Flash 若能做到單價壓低在1美元以下,會有很大的成長機會。

持續投資、技術領先

Flash的各種應用,都需要控制IC才能啟動,面對這個要求技術前瞻,但售價卻崩跌快速的行業,潘健成認定,「全世界只有在台灣才活得下去。」因為這個行業很特別,需要投入很多資源,但卻賺得很少,所以必須依靠嚴謹的成本控制才能存活。由於跟硬碟不同,SSD沒有辦法任意插拔就開始使用,任何的Flash應用,都需要換新的控制IC與之搭配做管理。

例如,2 bit per cell的MLC最大的挑戰就是可靠度不夠好,所以作為NAND Flash控制IC關鍵技術之一,可偵測並改正NAND Flash資料讀取錯誤的ECC(錯誤矯正)技術要非常地強。目前群聯電子已經走到54bit ECC,很快的時間內要走到100bit,相對地開發成本非常高。而且,控制IC在Flash應用產品的總成本可能只有1%或3%,但責任卻很大。

等待2010的春天

潘健成一方面看好未來SSD在NB上的應用,但另一方面也對於太多廠商加入競爭,發出「一杯羹,大家搶」警語。他表示,假設全球一年賣3億台NB,其中20%把硬碟改成SSD,那麼,6千萬台SSD的需求量大約可以締造新台幣30億元的需求,這樣一塊大餅,將有包括台灣、韓國及美國等廠商一起搶食。潘健成認為,這樣的現象有如買威力彩,「大家都買,但最後只有一個人賺大錢。」

根據粗估,2008年第三季,Flash製造公司前後大概賠了10億美元。而這樣的景氣氣氛,似乎還沒有看到終點。雖然產業景氣冷颼颼,潘健成表示,群聯電子還是會持續在技術上做投資,目前該公司已經擁有22個國內外專利。儘管獲利縮水,但他覺得在這個時候,只要活著就好,想太多沒有用。

潘健成說,群聯電子與策略伙伴合作之後,深刻體會站在巨人肩膀上,可以看得比較遠。雖然目前群聯電子的獲利也不好,但他相信,經過嚴格考驗後,大家紛紛決定減產,調降資本支出,漸漸地市場會把弱者淘汰出去。明年下半年,Flash應用會成長,價錢也會好轉,雖然可能不會太過鳥語花香,但至少會有春天的感覺。他強調,群聯電子會持續投資新技術,未來5-10年希望成為真正的第一名。

FLASH 尖峰對話

主持人:欣銓董事長、旺宏總經理盧志遠
與談人:交通大學榮譽講座教授施敏、
    群聯電子董事長潘健成

盧 志遠(以下簡稱盧): Flash製程技術已到40奈米,未來是否會出現製程極限?
施敏(以下簡稱施):10奈米,預計可能要花15年。所以,不用擔心從此Flash產業沒有前途了。我覺得還有很多事情要做,例如輪船的技術,到1942年以後大致都發展成熟了,再沒有任何創新技術加進來,但船隻並沒有停止進步。接下來有各種大小應用,船身內裝設計,搭乘舒適度以及省油等課題,隨之興起。飛機也是如此,1979年之後,技術也都發展成熟了,所以,接下來研究的是如何提供給人類更好的服務。

盧:未來Flash產業,是否仍舊維持策略聯盟態勢?未來群聯的新產品是什麼?

潘健成(以下簡稱潘):群聯從2000年11月成立至今八年來,最重要的體會是,一個案子的成功,絕對要有相對應的策略伙伴,未來,我們仍將維持這樣的路線。在新產品方面,除了NAND Flash之外,未來我們也將跟策略伙伴一起做Flash Memory加智慧的產品,直接把智慧卡放在手機裡面,讓大家在電車裡或在超商中購物,都可以更加方便。這是新應用及新技術,群聯不懂Smart Card,但我們懂控制晶片,而且也買很多Flash Memory,所以會跟Smart Card的廠商互相合作,共同把餅做大,這是我們的一貫策略。

盧:放眼國際,IC產業裡,有很多印度人(India)及中國人(Chinese),還有兩個J,一個是Jewish 猶太人及Japanese日本人。印度人精於數學,中國人很實際,善於實踐,猶太人善於演算法,而日本人則很注重品質。群聯電子開發控制IC很需要演算法,究竟如何訓練你們的員工?

潘:演算法(Algorithm)說起來很偉大, 我們其實沒有多偉大,只是不斷想出方法,解決眼前的問題而已。由於flash速度慢、尺寸大,因此,如何在很短時間內,讓讀寫加快,我們針對不同應用,分別開發出不同的演算法,重點是需要時間累積know-how。我們在產業已經累積領先地位,客戶會開出很多不同的規格,例如,NOR Flash 用於手機,讀取資料的速率,一秒鐘要大於100次,NAND Flash 卻只能做到最多20次,如果想要把NAND Flash加上控制IC一起放入手機,至少要做到100次才行,這就是一個例子。

施:其實近50年,半導體產業的幾項重大發明者,都是華人。所以我認為華人除了實踐性很強,發明性也很強。只是這些華人發明的地點都在美國,所以可見研發環境的重要。

盧:台灣未來在Flash產品技術上,是否有足夠的研發能力?

施:人類資訊每年增加一倍,我認為Flash產業未來會發展得很好。目前看來,Flash做得最厲害的是韓國三星,台灣有全球八成以上的晶圓廠產能,也相當有優勢。而完全用自己的廠來做Flash的,則有旺宏。目前全日本最富有的人,是任天堂的董事長,原因就是他發明了Wii。而Wii裡面的記憶體是旺宏幫他們做的,任天堂因為創新的產品受全球歡迎,所以股價攀高。在全球競爭環境下,我對於華人既能發明又善應用的特質,非常看好。

盧:各種型態的記憶體,會如何互相取代呢?

施:我認為SRAM、 DRAM及Flash不是誰取代誰,而是隨應用範圍,各有擅長。

潘:如果問我NAND Flash 在什麼平台上,有機會取代NOR Flash?我的答案是手機。因為手機的功能不斷增加,這樣NOR成本會太高,因此給了NAND Flash機會。我認為,2011年之後,只要大廠開始用,就有機會領導風潮。至於MP3、PDA或家裡的冷氣遙控器等,裡面都有NOR Flash,那個是取代不了的,因為他們不需要太大的容量。所以,容量是切割點。容量大於一個數字以上會用NAND Flash,小於的則是NOR Flash的市場。

現場提問:三星電子的社長黃昌圭喊出黃氏法則(Hwang's Law),宣示每年都將有新一代容量成倍增長的Flash,這樣對開發控制晶片的群聯會不會造成很大壓力?

潘:首先,我認為這個法則是不太實際的,事實上一年一代是做不到的,連三星自己都做不到。因為只要一個技術小小的錯誤,馬上就要多花4個月時間,特別是高階製程,但我認為如果說是18個月則有機會。以我們做控制晶片來說,改一代Flash,不只要改一個控制晶片,因為有各種應用,可能要改多達10個。如果五家Flash廠每家都推出新產品,我們就等於要做50顆控制晶片。我們投入資源,對各式應用所需的控制晶片「通通都做」的作法,其實是很大的投資。

所以,未來靠控制晶片的廠商都會很辛苦,還好我們藉由做控制晶片,吸引來NAND Flash的生意,相對毛利稍微好一點。尤其未來用於NB的SSD,更是一點也不能馬虎,因為只要一有問題,NB就無法開機,萬一因此害電腦用戶漏失資料,被提告之後問題會很嚴重。所以紮實的技術實力,才是未來掌握SSD市場的關鍵。

記者提問:展望未來,群聯將如何走過景氣低潮?

潘:在體質面來說,我們的人員團隊都保持住,而且我們有充沛的資金。雖然產業不好,我們仍舊是獲利的,只是獲利少一點。我們內部從十月起,已經把觀念調整成「二次創業」,重新來過。過去我們有過五年的好日子,但我們要準備好面對未來一年接受嚴苛挑戰。不要花時間猜想好日子什麼時候到,我直接告訴大家,這一年都沒有機會啦!大家要努力拼!

同樣做控制晶片的同業,在景氣不好時賠錢,景氣好賺上億元。相對地,群聯是景氣不好時賺比較少,我們景氣不好時賺5-6億元,一旦景氣好,可以賺20億元,這樣的願景大家都接受。所以體質、人員、技術,目前沒有斷層。所以,我可以預見未來12個月,一旦情況開始好轉,產業重新洗牌後,我相信群聯的機會比別人大。

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