手機
- Advertisment -
三大應用領域需求看漲 半導體異質整合勢不可擋
觀察這些應用領域需求可發現，若將晶片需求分為小體積、低延遲、低成本、高效能、低功耗等五大需求，對於半導體晶片的功能與規格皆不相同，如穿戴裝置主要著重在小體積、低功耗、低成本等需求，對於效能及延遲性要求相對較低；資料中心則為了因應高速運算的需求，因此較著重在高效能、低延遲的快速反應能力。
資策會MIC產業分析師黃馨
手機/醫材/自駕車 晶片需求大不同
針對上述所提到的五大晶片需求，以下將以手機、智慧醫療器材及自駕車等三個應用領域產品作為舉例，透過這三大應用領域的需求剖析，可發現未來晶片的發展不僅將朝向更多元件的整合，且隨著產業需求的不同，未來晶片將朝向客製化的走向發展。
手機著重RF模組整合
為因應不同通訊階段的頻譜要求，手機內整合的元件也有所不同，特別是在RF射頻模組的整合。RF前端模組主要包含功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA)、濾波器、開關和被動元件等，讓訊號能夠在不同頻率下進行收發。隨著未來頻段的要求變多，RF模組除了需要有更高的整合度外，未來面對5G毫米波的興起，為了滿足高頻寬、低延遲及大量連線等需求，天線和RF模組必須整合，也因此未來通訊相關模組的元件整合將變得更加多元且大量。
醫療影像器材體積減小/元件增加
以腸胃鏡為例，過去腸胃鏡長度達200公分，對於彎曲的小腸檢視無法輕易達成，且易造成病患不適，膠囊內視鏡應運而生。相較傳統腸胃鏡，膠囊內視鏡大小僅有長2.6公分、寬1.1公分，膠囊內包含微型照相鏡頭、光感測器、影像傳輸器、迷你相機等元件。
未來，生物學家更提出微生物組療法，透過在細胞中植入感測器及記憶體組件方式進行疾病診斷，因此可發現，醫療影像器材體積逐漸減小的同時，整合元件數卻將持續增加。
自駕車整合感測元件/處理器/記憶體
為了賦予自駕車具備感知外界環境的能力，現階段自駕車的發展著重於搭載各種感測器做為感知媒介，包含光達、雷達、相機等。隨著未來自駕車等級的進步，對於自駕車中的電腦系統要求，將從現在的駕駛輔助到未來的完全自動化駕駛，效能要求的遞進不僅使得未來自駕車元件模組增加，同時配合自動化回應的趨勢，感測元件必須將感測內容，快速傳遞至處理器並迅速做出反應，因此感測元件與處理器及記憶體的整合，將成為未來的發展重點。
未來晶片趨向異質整合/客製化
從上述的三大應用領域需求可發現，未來晶片的發展不僅將朝向更多元件的整合，且隨著產業需求的不同，未來晶片將朝向客製化的走向。
隨著市場需求的發展，產品複雜度的提高使得整合元件數目隨之增加，若將處理器元件比作人類大腦，現階段產品需求，主要著重在創造更大容量且更快速運算的大腦。然而隨著通訊需求的提升，未來更重視提升大腦與外界聯繫的速度，以及透過加入眼、耳、口、鼻、手等感測元件進行感知，甚至增加大腦在感知後自動判別並執行反應等功能，因此處理器加上各式元件的做法，將成為未來產品發展趨勢。
終端產品逐漸走向多晶片且客製化的方向前進，晶片製程因為摩爾定律趨緩，開始走向透過封裝方式進行異質晶片的整合。
過去，半導體產業以摩爾定律作為主要依循的準則。根據摩爾定律定義，每隔18個月，積體電路上的電晶體數量將成長一倍，受惠於摩爾定律持續的發展，2018年，整體半導體產值達到4,800億美元的收益。
儘管台積電等晶圓代工龍頭持續挺進5nm、3nm的製程，但仔細觀察近年來摩爾定律節點成本的改變，在14/16nm之後，晶圓生產成本持續變高，摩爾定律將無法達到過去規模經濟的效益。此外，終端需求對於成本、效能、體積以及整合程度的要求日漸提高，在面對成本日益增加、終端產品走向高複雜化的情況下，晶片的整合成為半導體產業界越趨重視的方法。
晶片功能整合方式主要可分為系統單晶片(SoC)以及系統級封裝(SiP)兩種。
SoC整合度與成本皆高
系統單晶片是透過電路設計的方式，將數個功能不同的晶片整合在同一個晶片上，這樣的晶片整合程度相當高，效能表現也很好。然而由於SoC的功能整合僅限於使用同一製程技術的晶片，對於整合元件中，因考量製程成本而採用較低階製程的感測元件或MEMS等功能元件，將無法與採用先進製程的處理器、記憶體進行SoC晶片整合。
此外，SoC的開發成本卻也相當高，如台積電7nm的系統單晶片開發成本已接近3億美元，未來進入5nm世代後，更上看5億美元，也因此SoC主要用於生產量大且生命周期較長的產品，目前全球能夠投入先進製程的IC設計業者，也只剩下少數龍頭與系統大廠。
SiP異質整合超越摩爾定律
為因應SoC所面臨的製程瓶頸及開發成本過高的挑戰，系統級封裝的概念開始被半導體業界廣泛採用，更被定義為是超越摩爾定律的重要方式。SiP突破SoC的整合限制，將數個功能不同、製程不同、來源不同的晶片，透過封裝整合在同一個基板上，成為一個具備多元功能的晶片，這類的整合概念就是現在所指的「異質整合」。
隨著近年來系統級封裝技術的演進，晶片堆疊封裝使得晶片面積有效縮小，開發成本也較SoC來得低，晶片整合上更具彈性，也因此近期被廣泛應用在上市時間較短的消費性電子產品上。
3D封裝提升晶片傳輸速度/效能
異質整合的晶片模組發展越趨複雜且多樣化，技術難度也越來越高。從傳統的2D平面封裝逐漸朝2.5D封裝邁進，2.5D的封裝方式是讓晶片並排，並採用中介層(Interposer)和重分部層(Redistribution Layer, RDL)的設計進行晶片整合，透過晶片與基板間的中介層連接，大幅提高封裝接腳的訊號密度，提高傳輸速度及效能。
近年來，將多晶片垂直堆疊的3D封裝更逐漸成為業界發展重點，透過晶片間矽穿孔(Through-Silicon Via, TSV)的互聯技術傳遞訊號，TSV的串接使得晶片間的距離更短，晶片傳輸速度更快、效能更佳，整體的晶片整合度也更好，目前最廣泛的應用在多顆高頻記憶體與處理器的堆疊上。
隨著製程難度的提高，異質整合面對的挑戰也將趨於複雜。首先，異質整合使得晶片在同樣面積下，堆疊多個晶片形成多層3D架構，當晶片堆疊的緊密程度提高，晶片間散熱面積也將隨之減少。此外，晶片距離的縮短及單一晶片中越來越多的運算單元，將使電磁干擾的問題越趨嚴重，異質晶片整合度也將面臨巨大挑戰。
過去半導體產業鏈各自分工，現今隨著製程發展，面對日益增加的異質整合技術挑戰，未來半導體上中下游的價值鏈將須緊密合作，以通力解決異質整合問題(圖1)。
圖1 異質整合挑戰與半導體產業鏈關係改變
異質整合的立體堆疊架構下，多維度雜訊將比過往的訊號干擾更加難以處理，因此除了EDA廠商須提供IC設計廠更多樣化的模擬工具進行多類型訊號模擬外，在產品設計之初，整體產業鏈也需有更多的上下游溝通，包含訊號完整度、電源完整度等技術，未來皆需以產業鏈偕同模擬的方式進行。
與此同時，多層的3D架構使晶片散熱面積減少，不只須仰賴材料及設備廠提供更多創新的材料來克服發熱問題，產業鏈也需透過熱模擬的方式，找出功耗較低、散熱效能較高的晶片及導熱效果較佳的封裝架構。
產業鏈緊密串連必不可缺
異質整合晶片來源、製程的不同，使得整合難度上升，晶片必須透過系統級的完整分析及3D模擬，避免系統分割時區塊不夠精確的問題。另外，晶片的厚薄與晶片的精準堆疊也是異質整合相當關鍵的成功要素，也因此，未來上下游協同設計將成為產業發展的趨勢。
面臨異質整合的技術挑戰，未來半導體產業鏈關係將需要透過更緊密地協同設計、協同模擬等方式進行合作。
然而由於看好異質整合的發展效益，產業鏈中的IC製造廠及EMS廠紛紛依循自身優勢投入IC封測產業，面對這樣的產業鏈分工重組，未來IC封測廠將會有部分產品及技術與IC製造廠或是EMS廠重疊的情形，因此產業鏈競合關係將有所改變，面對封測業務市佔將被瓜分的IC封測廠而言，在未來垂直應用領域的客製化市場中找尋快速商用化的模式將是IC封測廠未來的利基。
(本文作者為資策會MIC產業分析師)
Gartner預測2019年全球裝置出貨量將下滑3%
國際研究暨顧問機構Gartner預測，2019年個人電腦(PC)、平板和手機等裝置全球出貨量將達22億台，與去年相比下滑3.3%；手機市場為所有裝置中表現最弱者，出貨量比去年減少3.8%。
Gartner研究總監Ranjit Atwal表示，目前全球手機出貨量為17億支，與2015年的19億支相比，降幅約10%。若手機未具備特別突出的新功能、更高效率或更佳的體驗，使用者將不願換新機，手機使用年限將會持續拉長。
手機使用年限延長的趨勢從2018年開始持續蔓延至2019年。Gartner預測高階手機使用年限將從現在的2.6年延長至2023年的2.9年，且估計2019年手機出貨量將減少2.5%，面臨至今最嚴重的跌幅。
5G手機市占率將於2023年達51%，2019年初，美國、南韓、瑞典、芬蘭、英國等國已推出5G服務，但若要將該服務擴展至主要城市之外，仍須再等待一段時間。
Gartner預估2020年時，7%的全球行動通訊服務供應商能提供商用無線5G服務，對比2018年時還在印證5G概念可行性、建構商用5G網路的情境，這算是相當大的進展。
2019上半年已有幾間手機廠商推出支援5G的手機，亦有更多廠商預計在2020年供應價格較平易近人的5G手機，以改善衰退的手機銷售量。Ranjit Atwal表示，2020年5G手機銷量將占手機市場的6%，而隨著5G服務範圍逐漸增廣，使用者經驗可望提升，連帶影響售價跟著調降。Gartner預測2023年將是市場躍升的一年，屆時5G手機的市占率將達51%。但Gartner也建議，產品經理若欲做出差異化，應確保高階手機與其他裝置的整合性，而非一味仰賴5G硬體設備的演進。
雖然2019年全球PC出貨量達6,300萬台，較去年成長1.5%，但2019下半年的PC市場仍充滿不確定性。Gartner預測2019年度PC出貨量為2億5,700萬台，較2018年減少1%。僵持不下的中美貿易戰及潛在的關稅政策，都可能影響2019年PC市場。
暨今年第二季Windows 10帶來強勁的商用PC換機潮後，Gartner分析師認為2021年初，75%商用PC安裝的基本作業系統將轉移至Windows 10。Ranjit Atwal指出，產品經理仍須持續宣導Windows 7於2020年終止支援的消息，提升消費者升級至Windows 10的動力。
2018年台灣通訊產業產值達新台幣1兆387億元
根據產業研究機構工研院IEK Consulting研究指出，2018年台灣通訊設備產業產值為新台幣1兆387億元，較2017年衰退2.6%，2019年將恢復成長，成長率達2.1%，產值回升至新台幣1兆610億元。
在網路通訊設備部分，WLAN產業的Wi-Fi Mesh規格受到國際市場所接受，輔以智慧家庭、建築等物聯網將持續帶動出貨成長。Wi-Fi新一代802.11ax資料傳輸量增加擴展應用範圍。Ethernet Switch隨著資料中心100GbE高階交換器陸續出貨，加上國內ODM業者與國際品牌、第三方網路軟體業者合作開發SDN白牌網路交換器的商業模式逐漸成熟，對於高階網路交換器以及開源白牌交換器需求將穩定成長。
在手機產業方面，全螢幕、AI晶片、生物辨識(如螢幕下指紋辨識與3D結構光)、HDR等技術滲透率提升，帶動高階產品在視覺或語音智能應用，有助刺激買氣及提升單價，對代工業務將拉高產值(年成長5%)；在品牌業務銷售下滑，及Google委託代工轉向EMS，成長率萎縮，是2018年產值衰退的主要原因。
2020年物聯網裝置將突破300億個
物聯網產業持續發展，跟據國際電信聯盟(ITU)的定義，物聯網為：各個獨立的物件可以實現互通、互聯的現象。而隨著元件、設備成本下降，越來越多聯網裝置與裝置聯網，根據產業研究機構資策會MIC研究顯示，2015年全球每人平均擁有約三個聯網裝置，如手機、計算機等；到了2020年會成長到將近七個，代表有越來越多物件進行相互通聯，實現更複雜、更多元化的使用經驗，並將產生更多數據資料。
以全球角度來觀察，資策會MIC進一步指出，2015年IoT裝置總數估計約154億1000萬個，最近幾年將穩定成長，2017年裝置數量已經突破200億個，達到203億5000萬個左右，2018年將達231億4000萬個，到2020年將突破300億大關，達到303億7000萬個左右，這些裝置也會導入邊緣運算的功能或架構，賦予物聯網裝置更多智慧化的功能。