半導體超進化論：控制世界技術的未來

世界的未來將由半導體所主宰 半導體就是國家！ 半導體民主與半導體戰爭是一體的兩面， 現代國家已無可避免地正爭奪著半導體技術的霸權。 　　晶片製造廠商，圍繞著下一世代的晶片生產，展開激烈的競爭。 　　半導體也成了龐大的技術集合體，已非一個企業或國家所可以完全掌握……。 　　日本半導體產業關鍵人物東大教授黑田忠廣， 　　透過本書全面講述如何「共生」與「共進化」的半導體「超進化論」！ 　　當設計半導體晶片變得像為晶片編寫程式碼一樣簡單…… 　　世界將會發生一場革命…… 　　 　　達爾文所主張的進化論認為適者生存。歸根結底，這個世界就是競爭。可是，如同最新科學所闡明的，生物們所隱藏的進化機制不止有競爭，還有相互支援、通力合作的規則，也就是「超進化論」。 　　最尖端的科學正試圖闡明生物們隱藏的進化機制。也就是說，除了展開嚴苛的生存競爭，另一方面又跨越了物種，複雜地相互連結在一起、相互幫助。那就是「共生」與「共進化」。而敏捷就掌握了這關鍵。 　　資本競爭正愈形激烈，這樣的半導體產業又有什麼樣的未來等在前方呢？我們能否不去爭奪霸權，而是做到推進民主化、生產出多種多樣的晶片，將世界導向繁榮？ 　　創造這種動力的三個變化：1行業主導地位的變化；2市場浪潮；3技術範式轉變。變化將使設計半導體晶片變得像為晶片編寫程式碼一樣簡單。軟體程序員，然後……蘋果將會出現。簡而言之，半導體策略的關鍵是對小型化技術的積極投資。 　　晶片製造廠商圍繞著下一世代的晶片生產展開激烈的競爭。可是，半導體已成了龐大的技術集合體，已非一個企業或國家所可以掌握。我們應該要把它想成是人類的共有財產。 　　所以我們不是要煽動半導體戰爭，而是要建構晶片網。技術愈漸複雜化了。因此我們不可以見木不見林。培育森林，也就是打造豐富的產業生態系，正是世界接下來的課題。 　　要豐富「半導體的森林」，重要的就是要找出「花」來！ 　　本書指出半導體的新世界、快速變化的環境以及應對措施。提出「半導體的超進化論」： 　　．以More Moore與More than Moore的觀點來說明如何製造高性能半導體。 　　．以創新的觀點，也就是More People的觀點來思考可以利用高性能半導體來創造出什麼。 　　．我們是否能找到半導體的「花」，以從半導體競爭的時代前進到共生．共進化的時代呢？半導體要成為全球公域，需要金錢以及超越摩爾定律的東西。那就是吸引來許多人。就是More People。

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） 　　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。黑田是東京大學教授，也曾經是東芝半導體的工程師，產學經驗豐富，可謂日本半導體學界第一人，現在負責台積電的東大實驗室。他的理論和解決方案，已經落實為日本政府的政策，體現在吸引台積電赴日投資和Rapidus設立等案件上。──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

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

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。黑田是東京大學教授，也曾經是東芝半導體的工程師，產學經驗豐富，可謂日本半導體學界第一人，現在負責台積電的東大實驗室。他的理論和解決方案，已經落實為日本政府的政策，體現在吸引台積電赴日投資和Rapidus設立等案件上。 　　黑田形容台積電在熊本投資的效應，是日本產業發展的「黑船事件」。一八五三年美國的黑船（汽船）駛入橫濱港，逼迫日本幕府放棄鎖國政策，開啟日本現代化的序幕，使日本成為亞洲第一個工業化的國家。黑田認為台積電的投資，將使日本半導體產業由谷底翻身，重振雄風。他指出台積電的熊本工廠以及先前在橫濱設立的研發基地所提供的就業機會和開出的薪資，已經使日本年輕人重新燃起對半導體的熱情，這股熱情為日本半導體產業持續三十年的寒冬吹來春天的第一道暖風。他說過去他的學生，若有志於半導體的研究，常常遭遇家裡的反對，例如媽媽會說「研究甚麼半導體！最後不過跟你爸一樣坐在窗邊看報紙。」他說這種悲觀論現在消失了。黑田曾多次到台灣旅遊，他熟知八田與一的故事，他說台積電對日本半導體業的貢獻，將等同八田與一對台灣農業的貢獻。 　　黑田認為日本半導體產業由世界的高峰跌落谷底，是半導體的應用場域由物理空間轉移到虛擬空間的緣故。所謂物理空間是指家電、通信等提供生活便利性的物理功能，而虛擬空間指的是電腦、手機等虛擬世界的活動。日本人善於物理世界的創新，但拙於虛擬世界的想像，因而跟不上一九九○年以後興起的個人電腦和手機浪潮。黑田認為下一世代的半導體應用場域，將回到物理空間，包括自動駕駛、物聯網等，都是物理空間。這是日本人熟悉的領域，如龍回深淵，將不再為魚蝦戲弄。 　　伴隨著應用空間的改變，產業競爭的原理亦將改變。過去在電腦、手機的時代，講究計算能力和計算速度，因此電晶體越做越小，每顆晶片所含的電晶體數目越來越多，產業競爭的基礎是製造能力，因此專注於製造的台積電成為世界的王者，甚至超越提供電腦和手機核心引擎的企業，例如英特爾。黑田認為電晶體的微縮工程已經到達極限，未來在人工智慧的世代，產品的複雜度、整合度、歧異度都增加，半導體的競爭基礎將是產品開發的速度和耗能多寡，這將使產品設計的重要性凸顯。典範轉移，也將為日本帶來機會。 　　日本政府支持Rapidus設立，預期將投資數兆日圓在北海道設立晶圓廠，和熊本的台積電分制南北，而且直接切入2奈米製程。這個方案，日本學界多數反對，認為是土法煉鋼，躁進無謀，黑田是少數贊成者之一。他贊成的理由，在書中有明確的說明，就請讀者自參。這個公司的名字裡，隱藏了「速度」的密碼，可見黑田的見解和這家公司的成立，有密切的關連。 　　本書是作者為一般讀者寫的書，不是專業書籍。書中雖引用專業術語，但作者以深入淺出的方式說明，讀起來應無窒礙。作者的漢語造詣頗深，多處出現四字成語，例如一陽來復（否極泰來）、百花撩亂（百花齊放）等等，譯者楊鈺儀的功力亦佳，如綠葉襯托紅花，相得益彰，真如百花撩亂、春意盎然。 序 寫給臺灣讀者們 黑田忠廣 　　熱水中煮著的青蛙突然跳了起來！ 　　日本的半導體政策不正是像這樣展現在世界上的嗎？ 　　日本的半導體產業在這四分之一個世紀間，簡直就像在熱水中煮著的青蛙。一九八八年時，日本企業的市占率還是五○％，但之後就像從坡道上跌落下來般，成直線下降，至今只剩下一○％。在這期間，雖然推出了幾項產業政策，但仍止不住凋零。一直有聲音批判日本的政策是too little、too late。 　　但是，這隻青蛙突然跳了起來。 　　Rapidus以製造Beyond２nm為目標。國家下定決心，要認真致力於讓半導體產業再生。此次，日本的政策是large and quick，這讓世界大吃了一驚。 　　日本到底發生了什麼事呢？這正是本書的著眼點。 　　本書的另一個主體則是半導體的未來。 　　追求欲望，資本競爭正愈形激烈。半導體產業成了所謂的高血壓體質，這樣的半導體產業又有什麼樣的未來等在前方呢？我們能否不去爭奪霸權，而是做到推進民主化、生產出多種多樣的晶片，將世界導向繁榮？ 　　這個答案的提示就藏在地球的多樣性之中。關於自然界的規律，自達爾文提倡進化論至今已經過了一百六十多年，最尖端的科學正試圖闡明生物們隱藏的進化機制。也就是說，除了展開嚴苛的生存競爭，另一方面又跨越了物種，複雜地相互連結在一起、相互幫助。那就是「共生」與「共進化」。而敏捷就掌握了這關鍵。 　　本書是在論述半導體的超進化論。 　　二○二三年五月，本書在日本發售後，美國、中國、韓國也相繼提出了要翻譯出版本書。之所以會在臺灣出版，是透過了中華經濟研究院陳添枝先生介紹給出版社。對此我深表感謝。

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％。