半導體超進化論：控制世界技術的未來

名人推薦：推薦序

陳添枝／清華大學台北政經學院教授、前中華經濟研究院院長

　　日本半導體產業在一九八八年的高峰時，在全球半導體市場的佔有率超過一半，其中動態存取記憶體市占率約有八成，可謂獨步天下。那時候台積電剛剛成立，日本人沒把它放在眼裡。三十年以後，日本半導體產業在全球市佔率只剩一成，製程技術落後台積電至少五個世代，距離全面崩解，似乎只有寸步之遙。
　　如何復興半導體產業，是近期日本學術界、產業界、政府最關注的議題。黑田忠廣這本書，為日本半導體的復興，提供了理論的基礎，並且指出了具體的道路...

I　否極泰來　Prologue
1晚餐會──舞台是轉動的

　　二○二二年十二月四日的晚上──。
　　在大倉久和飯店的大宴會廳「平安廳」充滿了四百人的熱氣。虛擬主持人出現在大螢幕上，人們終於落了座。
　　VIP們並列坐在最前排的中央席次。
　　有自民黨半導體戰略推進議員聯盟會長甘利明、經濟產業大臣西村康稔、理化學研究所理事長五神真，還有經濟產業省傷物情報政策局長野原論、總務課長西川和見、課長金指壽以及室長荻野洋平。
　　來自產業界的則有NTT會長澤田純、JSR名譽董事會會長小柴滿信、東京威力科創前董事會會長常石哲男與總經理河合利樹、愛德萬測試總經理吉田芳明、SCREEN集團總經理廣江敏朗、索尼半導體解決方案公司總經理清水照士、東芝記憶體總經理早坂伸夫、瑞薩電子總經理柴田英利、MIRISE Technologies董事川原伸章、THK總經理寺町彰博、堀場製作所董事會會長兼CEO堀場厚。
　　而且IBM研究所所長達里奧．吉爾（Darío Gil）與副所長穆克什．卡勒（Mukesh Khare）、imec最高戰略負責人約．德博客、SEMI（美商國際半導體產業有限公司）總裁阿吉特．馬諾查（Ajit Manocha）、TSMC副總經理何軍，還有TSMC日本總經理小野寺誠以及TSMC日本3DIC研究開發中心長江本裕也出席露臉。
　　而今晚的主角Rapidus董事會會長東哲郎與總經理小池淳義則坐在中央的位置上。
　　所有人都在心中描繪著明亮的未來。

　　半導體產業是成長產業。
　　一九八二年，半導體市場為一五○億美元（約三．七兆日幣），到了二○二一年則來到了五○○○億美元（約六十五兆日幣）。持續四十年都是以平均年利　　率九．四％在高度成長中。
　　當初半導體市場約為名目GDP○．二％。但到了一九九○年代中期便急遽上升至○．四％。到底發生了什麼事呢？
　　說起一九九○年代中期發生的事，有很多人會回想起Windows95成了全球大賣的產品吧。在那之前，半導體多是用在家電製品上，像是電視機或錄影帶等豐富物理空間的物品上，但自那之後，也多用於電腦（PC）以及智慧型手機上。
　　而PC能創造出虛擬空間，手機則能拿著走。
　　也就是說，半導體的舞台從物理空間擴大到了虛擬空間，因此，半導體市場就從GDP○．二％成長到了○．四％。
　　近年，半導體市場以GDP○．六％為目標，再度出現急增的趨勢。
　　因為新型冠狀肺炎而有特別需求，所以必須要更仔細地深入探究。市場已經開始調整局面。而若是調整後等在前方的是再度大規模成長，那麼半導體就會迎來第三波成長期。
　　半導體所創生出的新價值，是來自於高度融合物理空間與虛擬空間而誕生出數據驅動型公司，兼顧解決社會課題與經濟發展。
　　自動駕駛、機器人學，以及智慧城市就是這些例子。AI（人功智慧）將感測器收集到的物理空間即時資料利用虛擬空間的數位對映進行分析，然後隨即回歸物理空間來控制馬達。如此一來，人們就能在最短時間內，以最小能量，　　安全又舒適地移動到目的地。
　　世界上的半導體就是像這樣在可靠地成長著。
　　另一方面，我們再把焦點轉向日本國內。日本的半導體產業在這四分之一個世紀間，是處於休眠狀態。韓國、臺灣、中國都急速成長了，唯有日本沒有成長。
　　日本半導體凋零的原因有各式各樣。有關於日美貿易摩擦、日幣匯率高等經營環境的原因；有關於數據化以及水平分工進展緩慢等戰略上的原因；有與日本的自前主義無法與韓臺中國家式企業育成對抗相關的原因等。
可是，潮流改變了。
　　經營環境因日美合作與日幣貶值而有好轉。此外，對電子產業以及晶圓代工產業的投資戰略也一變為進攻。同時，產業政策也轉變為與國際攜手並進。
　　國家下了決心，也就是賭上了國運，認真致力於再生半導體產業。

　　這次真的要改變了。
　　SEMI主辦的展覽會「SEMICON Japan二○二二」的主題就是「改變未來。未來會改變」。

　　內閣總理大臣岸田文雄出席了開幕式並發出了如下的號召：
　　「不用說，半導體是支撐著數據化、脫碳化，同時確保經濟安全的關鍵技術。
　　是支援新資本主義的重要物質，讓綠化、數位等社會課題得以轉換為成長能源，並以實現能持續性的經濟社會為目標。
　　我們要克服新冠肺炎、推進社會經濟活動的正常化，同時利用日圓貶值的優勢。為此，針對支持社會的半導體，我們要戰術性地支援擴大國內投資，推進強化經濟構造。
　　引進至熊本的TSMC半導體工廠，據估算，在地方上，十年間會產生超過四兆日圓的經濟效果以及雇用超過七千人。
　　為了進一步推動與活化地方相關的投資，在前幾天成立的補充預算中，編立了一．三兆日圓。據此，在全國展開半導體國內投資的同時，也推進了開發次世代的半導體。
　　我們必須要直視現實，亦即要在單一國家中維持半導體的供應鍊是很困難的。關於政府支援的半導體開發企劃，也要強化與全球間的合作。
　　Rapidus公司負責量產將來次世代的半導體，昨天，該公司宣布與IBM締結共同開發夥伴關係。而且在與歐洲的imec合作的同時，以實現二○二○年代後半量產為目標。
　　希望今後，可以由日本來提供最尖端的半導體，以支援全球大幅進化中的數位經濟，像是AI以及量子等高度計算的系統、自動駕駛以及次世代機器人等。」

2東大動了起來──敏捷靈活！

　　五神理事長站在「平安廳」的舞台上。五神是在從東大的校長轉任至理研的理事長時，帶來了半導體與量子運算的戰略。
　　我是在二○一九年的五月遇見了五神校長。安田講堂位在滿是耀眼新綠的本鄉校園，講堂的正面玄關在三樓。我給守衛看了身分證明文件後就進去，走下階梯，逆時針繞著走廊走後，出現了一個宛如祕密基地的空間。
　　五神校長問我，要復興日本的半導體產業需要些什麼？
　　我回答：「需要有效開發高效能專用晶片，實現3D集成的技術。」
　　我同時還加上了以下的說明。

　　「創造數據驅動型社會Society5.0所需要的是高度的量子運算。這與能源並列，對日本來說同是最需要的資源。
　　量子運算的課題就是提升能源效率。資料中心的消耗電力會在十年後急遽增加十倍。若不解決能源危機，就無法持續發展數據驅動型社會。
　　造成能源危機的原因其實就在於AI。為了更高度分析爆炸性增加的數據資料，在過去十年內，AI的運算量增加到了四位數。另一方面，負責運算的通用處理器電效率，在這十年內卻只提高了一位數。
　　提升能源轉換效率的技術就在半導體的精細化以及3D集成。在精細化上，日本大幅落後了世界的最尖端技術，所以這部分應該要向國外學習。
　　另一方面，在日本各處則都有在3D集成上必要的素材以及製造裝置的優秀技術。我認為應該要掌握住3D集成的關鍵。若能因3D集成而大幅縮短數據資料移動的距離，應該就能大量消減花費在移動數據資料的能源消耗上。
　　進行3D集成的封裝工程，比起進行精細化所施作的晶圓工程在投資上少非常多，所以3D集成可以提高投資的效果。
　　另一方面，關於設計技術，除掉多餘線路的專用晶片與通用晶片相比，則是能大幅節約能源。GAFA以及特斯拉等已經開始進行開發專用晶片。通用晶片的時代是資本競爭的時代，但專用晶片的時代是知識競爭的時代。換言之，就是在追求設計開發的創新。
　　專用晶片的開發愈形困難，近年來，即便匯集了一百名設計者，在一年間也要花費一百億日圓的費用。若是需要這麼長時間與龐大的費用，人們對專用晶片的關注度就會降低，設計人口也會減少。日本就已經對此失去了關注度與能力，這麼一來，即便有能建造、製造新工廠的能力，也無法馬上強化產業力。
　　AI技術是日新月異的，會像軟體程式那樣，每個月都進行升級更新。在數位經濟，創造出高度融合晶圓與軟體的創新，以高速循環重複改良是關鍵，但若兩者的開發速度相差甚鉅，就會變得很困難。可是，若能製造出可以編譯程式並自動設計晶片的矽編譯器，就能快速（敏捷地）開發晶圓。
　　當然，自動設計出的電路性能與設計者花時間設計出最適恰的電路相比，做出的成果只有八十分，但這樣也夠了。這也就是所謂的八十分主義。活用「帕雷托法則」（又稱八二法則）就可以在提高五倍開發效率這件事上找出附加價值。
　　再加上透過再利用設計資產，就必須要抑制設計規模爆炸性的增大。所以接下來，分拆成小晶片（Chiplet）就很重要。在組合、封裝小晶片中會完成系統，所以在這點上，3Ｄ集成會成為關鍵。」

　　東大的動作很快。
　　首先，在校園中開放進行社會合作的中心，於二○一九年十月開設d．lab。d．lab的「d」有如下的意思：在利用數位技術讓每個人都閃閃發光的時代（digitalinclusion）中，以數據資料（data）為起點，從軟體到設備（device）都一致化，進行設計（design）領域特定型系統的研究。而且為了讓年輕世代繼承這些技術，辦公室是設在學生宿舍（dormitor）。
　　其次是在十一月時，發布了做為全世界的先驅，將與TMSC一同由全學校．全公司來進行半導體技術的共同研究。TSMC董事長劉徳音以及負責的研究人員史丹佛大學教授黃漢森出席了共同記者會，與東大校長五神真以及當時的副校長、現任校長的藤井輝夫緊握住了手。
　　同時，在隔年的二○二○年八月，設立產官學合作以資訊管理為基礎來進行的技術研究組合RaaS。RaaS是尖端系統技術研究組合（Research Association for Advanced Systems）的簡稱，以Research as a Service為目標，所以稱為RaaS。
　　現在d．lab的贊助會員有四十間公司，參與RasS的企業則累計有十二家。
d．lab與RaaS的目標，就是將能源轉換效率發揮到十倍且開發效率也提升至十倍。
　　Rapidus也有相同的目標。
　　而方法則是與Rapidus一同補足不足處。
　　也就是說，為了改善能源轉換效率，Rapidus會深入研究精細化，而東大則是深入研究3D集成。同時，為了提升開發效率，Rapidus會縮短製造期間，東大則是縮短設計期間。

3More People──吸引來全世界的菁英吧

　　加上技術，培育人才也是很緊急的課題。技術是因人而異的。
　　因此，在二○二二年四月，開始了半導體民主化據點的Agile-X。
　　所謂的敏捷，意思就是「快速」「機敏」。所以要建構能將開發專用晶片時所需時間與費用縮短至十分之一的開發系統平台，吸引來全球的菁英。其結果就是，只要設計專用晶片的人口增加到十倍，就能將半導體民主化。這就是Agile-X的目標。
　　以民主化為目標的背景中，有著「集體大腦」這樣的想法。這樣的發想就是透過交織更多人的創意誕生出技術的革新。
　　例如飄浮在南太平洋的各島嶼上，可以看到使用在漁業上的道具種類以及島民人口間有著很強的關連。換句話說，愈多人的島嶼使用的道具愈多。
同樣地，也有說明指出，儘管智人比尼安德塔人的腦容量較小，但卻會發明、利用各種道具的原因正是在於智人形成了較大的集團。
若能有更多的人來參與開發自己的晶片，應該就會產生出更多的創意。以這樣的想法為基礎，半導體的民主化運動便靜靜地在世界上開始動了起來。
　　TSMC董事長劉徳音以如下的談話總結了二○二一年國際會議ISSCC（國際固態電路研討會）的主題演講。
　　「創新發明是在想法自由交流中所產生的。透過更多的人來經手自己的半導體，就能將創新發明民主化。」
　　一九五九年，物理學家理察．費曼（Richard Phillips Feynman）在演講上提到了「There’s plenty of room at the bottom」意即「奈米及領域還有許多很有趣的東西」，因為這句話，全世界開始深入研究微細元件。最終誕生出微電子學，發展出納電子學。
　　在逼近微細化的界限中，透過微細化更深入研究摩爾定律的More Moore研究現正持續中。
　　最近，也開始了目標為創造新價值的More than Moore研究，以取代微細化。3D集成的研究有很高的投資效果，所以匯集了全世界的投資。
　　我吟味著費曼的話後，說出了「There’s plenty of room at the TOP」這句話。
　　我們很接近實現集成度超過一千億電晶體的晶片。英特爾CEO派屈克．格爾辛格（Patrick Paul Gelsinger）預言說，二○三○年前，我們能在封裝中集成一兆個電晶體。
　　為了能讓更多人參與進來，創生技術革新，More People的研究就變得很重要。
　　所以只有大企業能開發專用晶片，是因為產業系統最適合工業化社會的大量生產。
　　在知價社會中，比起性價比，時間性能是更為重要的。因為時間就是金錢，所以時間性能中就包含了性價比。
　　研究人員比所有人都更知道迅速的價值。發表論文都是爭分奪秒的。半導體透過向研究人員靠攏，對科學的發展將有所貢獻，這點很重要。
　　推進半導體民主化，吸引來全球菁英。目標是做大餡餅，而不是搶餡餅。
　　培育人才是學界的任務。而人才正是日本的資本，能開拓日本的未來。

　　日本要向世界學習More Moore，而且要能透過More than Moore以及More People對世界做出貢獻。
　　然後在日本建構出高度運算的基礎設施。加上從前的位元，將量子位元與神經元組合成混合動力，同時透過融合軟體與電腦硬體，就能具備高度計算能力，完善從全國各地都能發訊的通信網。這就是日本應該致力於建設的數位社會基礎設施。

I　否極泰來　Prologue
1晚餐會──舞台是轉動的

　　二○二二年十二月四日的晚上──。
　　在大倉久和飯店的大宴會廳「平安廳」充滿了四百人的熱氣。虛擬主持人出現在大螢幕上，人們終於落了座。
　　VIP們並列坐在最前排的中央席次。
　　有自民黨半導體戰略推進議員聯盟會長甘利明、經濟產業大臣西村康稔、理化學研究所理事長五神真，還有經濟產業省傷物情報政策局長野原論、總務課長西川和見、課長金指壽以及室長荻野洋平。
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目錄

推薦序 陳添枝／清華大學台北政經學院教授、前中華經濟研究院院長
閱讀本書前先要知道的便利用語集
序　寫給臺灣的讀者們

I否極泰來Prologue
1 晚餐會──舞台是轉動的
2 東大動了起來──敏捷靈活！
3 More People──吸引來全世界的菁英吧
4 半導體森林──共生與共進化
II捲土重來Game Change
1 半導體戰略──先發制人
顛覆傳統
典範轉移
綠色成長戰略
2 從通用晶片到專用晶片──半導體產業的Game Change
通用晶片的時代與專用晶片的時代
Game Change──GAFA開始自行開發專用晶片
思考知識密集型社會中的製造業
3從產業糧食到社會神經元──後新冠時代的半導體
消費龐大能源的遠距社會
從產業米糧到社會的神經元
打造數據文明
4 從水庫到半導體──數位社會的基礎建設
八田水庫與TSMC
數位社會的基礎建設
廣井勇的教導
【專欄】Rapidus的戰略
III構造改革More Moore
1腦、電腦與積體電路的簡短歷史──以及整合的未來
大腦、電腦與積體電路的誕生
積體電路的成長與界限
從通用到專用，從2D到3D
2微縮方案──極大的驚異之處
理想的微縮方案
實際的微縮以及其副作用
我們無法直觀指數的驚人之處
3晶片的構造改革──減少漏電
電晶體的構造改革
配線的構造改革
界限說的趨勢
4 AI晶片──向大腦學習
誕生自數學的電腦
向大腦學習的AI晶片
大腦與矽腦
【專欄】LSTC的戰略
IV百花齊放More than Moore
1從2D到3D──積體電路的下個半世紀
大規模系統的接續問題
矽穿孔與電感耦合通訊
活用不連續技術的時代
2半導體CUBE──從橫向到縱向
薄餅型與切片麵包型
從記憶體CUBE到系統CUBE
The best thing since sliced bread
3將大腦連接上網路──Internet of Brains
在劍橋看到的神祕景象
擴展顯微術以及與之相反的方法
若大腦與網路做了連接
4同步與非同步──晶片的節奏
晶片的同步設計
再次思考非同步設計
自然界的節奏
【專欄】集體同步的模型
V民主主義More People
1時間性能──Time is money
性價比與時間性能
「後5G（Post 5G）」時代所要求的半導體
運用電腦
2敏捷開發──AI時代的晶片開發法
從瀑布式模型到敏捷式模型
晶片的敏捷開發
分治法（Divide and conquer）
3矽編譯器──像寫程式設計那樣製作晶片
矽編譯器1．０
矽編譯器2．０
文藝復興
4半導體的民主化──敏捷X
敏捷X
對科學的發展做出貢獻
SPICE存在於大腦中
【專欄】國際菁英巡迴
VI超進化論Epilogue
1巨大集積──There’s plenty of room at the TOP
2豐富的森林──生態系的力量
3超進化論──培育多樣性的機制
4發芽──前往下一個世代
【專欄】imec強大的祕密

結語
更深入的解說，給想知道更多的人

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推薦序 陳添枝／清華大學台北政經學院教授、前中華經濟研究院院長
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I否極泰來Prologue
1 晚餐會──舞台是轉動的
2 東大動了起來──敏捷靈活！
3 More People──吸引來全世界的菁英吧
4 半導體森林──共生與共進化
II捲土重來Game Change
1 半導體戰略──先發制人
顛覆傳統
典範轉移
綠色成長戰略
2 從通用晶片到專用晶片──半導體產業的Game Change
通用晶片的時代與專用晶片的時代
Game Change──GAFA開始自行開發專用晶片
思考知識密...