台經院總監劉佩真:台灣半導體業未來10年的機遇與挑戰

台經院總監劉佩真:台灣半導體業未來10年的機遇與挑戰
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究竟未來10 年台灣半導體業所面臨的商機、技術變革、全球競合、機會與挑戰為何?以下將作一深入探討。

文:劉佩真(台經院產經資料庫總監、APIAA理事)

鑑於疫情持續產生變種,再加上美中兩強於科技層面的對抗情勢難解,甚至地緣政治變動詭譎多變,以及新興科技領域,對於半導體中長期結構性的需求浮現;皆讓我國半導體所面臨的經營環境呈現利多、利空因素並存態勢。更使未來中長期半導體業處於質、量皆出現變化的格局。

量能則以疫情所反映的現象最為明顯,因健康疑慮,半導體在醫療及數位生活轉型上產生突發新價值,需求量出現大增。質變的部分,則是由區域政治、系統複雜化、綠色製造、人力資源等因素所左右。而究竟未來10年台灣半導體業所面臨的商機、技術變革、全球競合、機會與挑戰為何?以下將作一深入探討。

新興科技領域,將成為未來台灣半導體業需求主要的驅動力

若以新興科技領域發展的商機而言,包括高效能運算、智慧汽車、5G、6G、物聯網、智慧城市、低軌衛星、生技醫療、工業4.0、元宇宙等,其皆是未來10年半導體業創新應用的熱門領域。

以近期掀起的元宇宙的新話題而言,預計中長期元宇宙將有機會階段性獲得實現;我國為全球第二大半導體供應國,且半導體業所扮演的角色則是在元宇宙底層技術架構下的後端基礎建設,此可為元宇宙大量的應用場景提供技術支撐。

雖然GPU技術優勢仍由Nvidia所掌握,甚至已超前部署推出Omniverse平台,展現Nvidia在AI及高效能運算領域的頂級技術。不過Nvidia的晶片仍是多由台積電以先進製程來為其打造,加上其他國際AI晶片、CPI、高效能運算等晶片,皆需搭配高階製程製造,故台積電有機會因掌握全球63%10奈米製程以下的先進製程產能,甚至搭配其CoWoS技術來進行異質整合封裝,而成為元宇宙議題下台灣最大的贏家。

其次日月光投控也將是高階封測訂單來源的受益者;至於聯發科則可提供AI引擎。而元宇宙所需的3D深度感測解決方案,威盛、義隆也能供應,鈺創則是鎖定3D深度影像控制IC。而新唐、驊訊、瑞昱則是音訊晶片,鈺太為MEMS麥克風概念股,凌陽旗下芯鼎則是可望以其在影像控制IC切入AR/VR鏡頭供應鏈,而順勢切入元宇宙供應鏈。

至於美、中、日、韓等國家現階段在元宇宙的布局含括層面較廣,包括場景內容入口、前端設備平台(虛擬主機、AI計算實體、AR/VR、穿戴式裝置、神經設備等)、底層技術支撐(區塊鏈、人工智慧、虛擬貨幣、往立即運算技術)、後端基建(5G、GPU、雲端運算、交互技術、物聯網等)等。反觀台灣,因過去科技產業強項多集中於電子零組件,因而仍是以後端基建硬體中的半導體產業未來的競爭力較為突出。

此外,值得一提的是車用電子未來中長期對於半導體業的驅動力,主要是由於運行百年龐大的全球供應鏈,在應對電動車市況變革下,被迫必須跟進調整供應鏈以及生產線效率,整體結構的變化也將牽動供應鏈的商機。特別是電動化、自駕化趨勢有助於帶動車用半導體需求逐步成長,顯然半導體業在全球汽車產業的重要性將明顯增加,且半導體對汽車產業轉型電動車時代將在變革性上扮演重要角色。

特別是全球由傳統燃油車轉向電動車的過程,後者對電子應用比率大幅提升,使過去全球汽車產業零組件由美歐日等傳統車廠獨占的地位鬆動。對於以電子零組件的製造立足世界的台灣來說,電動車的崛起等同於為台灣半導體廠開闢創新獲利路徑。

也就是由於車輛電子化程度越來越高,電子元件溝通也趨於複雜,為加速電子運算與控制的能力,高效能運算的需求也逐步提升,未來10年全球車用高效能運算市場規模將顯著擴大。顯然隨著車輛電子化、數位化與智慧化程度越高,車用高效能運算因提供更快速的資料處理能力,可降低成本及複雜度,而使其未來極具成長潛力。

由於車用高效能運算需要使用先進製程來為其打造晶片,而台積電因穩居全球高階製程的領導地位,因此在搶食未來車用高效能運算晶片的代工訂單上,具有絕對的優勢,特別是國際IDM車廠並不具備先進製程的製造能力與產能。

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後摩爾定律時代,將使半導體製程進展所遇阻力日趨加大

隨著未來半導體市場應用趨勢,將朝向人工智慧、物聯網、智慧汽車、高速運算等應用,晶片對於IC製造業的要求將聚焦於多工、高速執行與存取、低功耗等項目。然而在先進製程逐步進展到一定程度,製程微縮所面臨的瓶頸逐步浮現,特別是複雜的圖形造成曝光次數增加,光罩成本也隨之倍增,讓摩爾定律發展速度也所減緩。

事實上,摩爾定律前進的困難處,包括穿隧效應造成的嚴重漏電流與功耗問題,也就是在採用現有片材料的基礎上,電晶體中的電子就容易產生穿隧效應,使半導體元件失靈,為晶片的製造帶來巨大的挑戰。

所以現階段全球半導體業者對於先進製程的IC製造技術將有3種策略來因應,首先是延續原有CMOS技術的發展概念,如藉由EUV製程的導入來進行延展,但之後所遭遇的物理極限問題會日趨嚴重,如先進曝光機、刻蝕機等設備研發技術難度大。

其次則是藉由類摩爾定律的異質整合來達成,意即由應用需求驅動未來晶片設計功能的多樣化,跳脫摩爾定律對集積度的執著,只從應用看整合。如透過3DIC等封裝技術來整合電源、感測促動器、無線電、高頻元件、無線充電、生物晶片等功能進入到晶片的設計與製造當中,即創造橫向應用來克服摩爾定律失效的問題。

最後則是跳脫原有以矽為基礎的CMOS元件製程,以新材料(如奈米碳材、寬能隙材料)、新技術來創新更高性能、低功耗、相容於現有製程,同時具備成本優勢的製造型態。而光+電整合新時代—矽光子元件的發展、Micro LED應用於矽光子晶片的可能性、量子電腦技術的實現均將是Beyond Moore’s Law此作法中重要技術的突破點。

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美中兩強於科技層面的較勁,將持續牽動未來10年全球半導體業的競合

中長期來說,美中兩強於科技領域互相爭霸的態勢將不易扭轉。其中美國力促全球供應鏈從中國撤出,且中國積極進行去美國化。

但以半導體產業角度來看,除中國半導體自給率2025年也恐僅邁向40%的關卡而已,況且由於2019年美國半導體業銷售額來自於中國的比重仍達3成以上,加上中國市場規模,對於美系半導體業者仍是難以割捨的收入來源,且美商撤離中國回到美國或盟邦進行供應鏈的建立也至少要5~8年,因此短期間台灣半導體業面對美中兩強的壓迫仍有因應的時間。

不過美中兩強科技面的對抗,恐使全球半導體上中下游面臨投資區位移轉、供應鏈重組的變化,顯然世界形成美規及中規兩大體系的可能性升溫,各國選邊站的壓力再次浮現,屆時台灣企業如何有效槓桿兩大體系及市場將是重要的課題。

而面對美中關係的不確定性,我國半導體業需透過全球布局來降低風險,且進行體系內的轉型升級。政府對於半導體產業政策更需有長期策略與方針、完善的資本市場體系、完整的人才培育系統,以求在美中貿易衝突情勢趨向長期化之際,台灣半導體業仍可穩中求進。

未來10年台灣半導體業的競爭優勢,仍顯突出人才需求缺口則需積極補齊

在未來10年全球變局下,台灣半導體業仍是有機會呈現穩中透強的態勢。畢竟台積電先進製程仍有機會將技壓群雄,甚至技術進步將會從系統和應用層面帶來更廣闊的經濟利益。

但值得注意的是,有鑑於區域集中風險、地緣政治盤根錯節、人才短缺和基礎研究不足等問題,加上為了強化全球半導體供應鏈的韌性,各國政府正在思考在不同區域打造產能、拓展生產基地和關鍵材料的供應來源,並輔以大規模資金的投入。如近期中、韓、歐、美、日、印度分別祭出44兆、12.6兆、4.5兆、1.5兆、515億、280億台幣不等的補助。

而在全球意識到分散半導體製造業據點、自身國家完整供應鏈建立的重要性時,是否動搖未來台灣半導體身為全球生產重鎮的角色。而中長期台灣又該如何持續作為國際半導體價值鏈上的要角,人才需求缺口方面該如何補足,將是產官學亟需思考的重點,畢竟高素質理工人才的供給狀況,將是攸關未來10年台灣半導體產業能否持續壯大的關鍵因素之一。

本文經思想坦克授權轉載,原文發表於此

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責任編輯:彭振宣
核稿編輯:翁世航


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