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2022年9月17日

黃伯農

台灣半導體業成功靠異質性R&D網絡

台灣是全球半導體先驅。為什麼台灣半導體業發展如此成功?本文綜合過去20年南韓、馬來西亞、德國、中國大陸和台灣學者對此課題發表的研究成果,提出台灣成功也取決於「研究及發展」(R&D)策略中的「異質性網絡」(heterarchical network)。

台灣發展成就驕人

自1980年代首批半導體製造企業──聯華電子(1980年)、台積電(1987年)、華隆微電子(1987年)和華邦電子(1988年)──在台灣成立至今,半導體業發展取得巨大成功。例如在2016年,各類半導體企業已有480家。按產值計算,台灣半導體產值816億美元,佔當年全球半導體產值的23%,是僅次於美國的世界第二大半導體生產地。

在半導體產業鏈中,台灣的晶圓製造、封裝和測試長期居世界首位,設計居第二位,動態隨機存取記憶體(DRAM)居第四位。現時半導體業是台灣最重要產業,產品出口額由2011年的564億美元,飆至2017年的923億美元,年均增長8.9%。出口佔比也由2011年的18%,升至2017年的29.1%。2017年,半導體業佔台灣整體產業的附加價值比重超過50%,佔GDP高達14%。

全球前50大半導體廠商中,台灣佔8家,包括晶圓製造的台積電和聯華電子,DRAM製造的南亞科技,IC設計的聯發科技和聯詠科技,封裝測試的明光科技、矽品精密工業和力成科技。在半導體次產業中,台灣晶圓製造居世界第一,市場佔有率超過70%。專業封裝與測試代工亦居全球第一,市佔率55%。在全球十大專業封測企業中,台灣企業佔超過一半。IC設計居世界第一,市佔率約二成。DRAM製造全球第四,市佔率12%,僅次於南韓、美國和日本。

如今,台灣IC產業充分利用垂直分工的產業體系和上下游企業的集群效應,向物聯網應用和人工智能產業鏈邁進。國際訊息、通訊及晶片領導大廠(如蘋果、高通和博通)均選擇台灣晶圓製造及封測企業提供服務。

制度與科技同時創新

學者的共識是,台灣半導體業的成功取決於能兼顧科技創新和制度創新的「科技趕超」(technological catch-up)進程;制度具二重性,一方面能限制科技創新,另一方面也可促進科技創新。受英國社會學家Anthony Giddens的結構化行動理論(structuration theory)影響;學者認為,為了維持科技的持續創新,制度也要恒常改革創新,半導體業才可永續促進科技創新。

為維持制度和科技創新的動力,R&D必須於企業內外進行。研究發現,台灣政府一直組織R&D聯營會社(R&D Consortium)去持續推動產業創新。台灣半導體業中的三維晶片(3DIC)可提供合適個案。三維晶片是互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)的一種。跟美國半導體R&D聯營會社SEMATECH一樣,台灣對CMOS技術的R&D也是用異質性網絡方略。

1964年,美國科企通用儀器(General Instrument)在台灣建設製造晶體管(transistor)廠房,台灣半導體業也正式開始。1973年,台灣政府成立工業技術研究院(Industrial Technology Research Institute),簡稱工研院。1980年代,台灣政府集中扶持中小型半導體設計企業,這是因為台北當局相信勞工密集的組裝和測試工序無助台灣發展自家半導體業。

異質性網絡策略

工研院便肩負着支援中小企和透過新竹科學園區(舊稱新竹科學工業園區)去組織異質性R&D網絡。以新竹科學園區為實體基地、多家科企所構成的「知識網絡集群」(knowledge network clusters),工研院利用新竹科學園區組織台灣的國際R&D聯營會社。

1990年代,南韓政府成立的R&D機構電子通訊研究院(Electronics and Telecommunication Research Institute)所獲得的DRAM技術專利數量較南韓科企的少。

相比之下,台灣工研院的DRAM技術專利數目則持續高企。要到1995年,台灣科企的專利數目才超過工研院的專利數目。然而,工研院專利被引用次數則持續多過科企專利。這數據反映國立研究所對台灣半導體R&D的重要性比南韓更大。可以說,台灣R&D側重依賴國立研究所的領導,而南韓則讓科企帶頭統籌R&D,並由國立研究院協調。

以三維晶片為例,台灣政府組織跨國異質性R&D網絡。三維晶片將多夥晶片進行三維空間垂直整合,以因應半導體製造受到電子及材料的物理限制。一般來說,三維積體電路封裝是指堆疊不同的晶片成為一個單一封裝以節省空間,但並未整合進單一電路內。晶片間的溝通方式採取off-chip訊號,彷彿它們被安置在一塊正常電路板上。三維晶片則是單一晶片,使用晶片訊號層上的所有組件(無論是垂直或水平)。

1975年,台灣政府使工研院推動有關CMOS的R&D。幾十年來,在工研院的領導下,台積電和聯華電子已成為世界主要CMOS及三維晶片的鑄造廠。台積電於1987年成立。經過往後十多年的收購合併和聯營,已成為當今世界提供IC晶圓鑄造服務的領導者,也是全球第三大半導體供應者,僅次於美國英特爾(Intel)和南韓三星。

除了統籌新竹科學園區之外,工研院也與鄰近頂尖大學(例如國立清華大學和國立交通大學)合作,發展長期R&D夥伴關係。1999年,台灣只有18家無晶圓企業。到2012年增至250家IC設計企業,僅次於美國。

2008年,工研院牽頭成立「先進堆疊系統與應用研發聯盟」(Advanced Stacked-System Technology and Application Consortium, Ad-STAC),目的是建構一個跨產業的立體堆疊晶片研發平台。作為跨國跨企業的異質性R&D網絡,Ad-STAC旨在推廣三維晶片科技的發展,以及使三維晶片供應鏈在台灣本土生根。

無疑,三維晶片是工研院最重要的R&D項目。國際重量級企業和研究機構也加盟Ad-STAC,包括美國應用材料(Applied Materials)、德國休斯微技術(SÜSS MicroTec)和東京大學。2010年,工研院成立「三維晶片研究實驗室」,旨在領導三維晶片技術的國際R&D,並在台灣完備三維晶片供龐鏈。

除Ad-STAC之外,工研院也成立其他異質性R&D網絡,包括於2011年成功組織20家科企的「寬能隙電力電子研發聯盟」(Wide Band Gap Power Electronics Consortium),旨在推動與綠色能源工業有關的半導體產業。

總結

總括而言,台灣在全球半導體產業所達到的巨大成就,實有賴工研院領導下的各項R&D項目。而成立國際化異質性R&D聯營網絡則為國際學界共識的核心措施。

英國巴斯大學政治、語言及國際研究系副教授

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