技術競賽/商業模式丕變　物聯網開創半導體業新局面

物聯網是建造智慧城市的重要基礎，其引發的革新風潮，正逐漸在半導體產業發酵。尤其是技術層面，物聯網裝置對長時間待機的要求，使低功耗成為廠商開發新產品的最高指導原則，將牽動一波大幅度的半導體晶圓製程和晶片電路設計變革，包括晶圓廠、電子設計自動化(EDA)工具、晶片商和相關研究單位，無不加緊腳步開發下世代超低電壓(ULV)製程，以順利將現有行動裝置等級的系統單晶片(SoC)耗電量降至十分之一，更進一步滿足物聯網裝置數週或數月才充一次電的設計需求。

與此同時，物聯網多元紛雜的應用模式，亦將刺激無晶片(Chipless)商業模式更加蓬勃發展。主因係物聯網裝置不同於PC和行動裝置，其應用遍及城市、汽車、工業、家庭和穿戴式電子領域，且標準陣營林立，導致晶片商面臨極大開發挑戰，因此利用IC設計服務打造客製化且更具價格彈性的物聯網晶片之Chipless商業模式，正快速在市場上崛起，並逐漸擴大影響力。

物聯網改變晶片生態　Chipless商業模式興起

圖1　新思科技總裁暨共同執行長陳志寬提到，新思科技具備嵌入式軟體除錯工具後，將能結合旗下IP、EDA方案，提供更完整的設計支援。

新思(Synopsys)科技總裁暨共同執行長陳志寬(圖1)表示，物聯網設計熱潮興起，正逐漸改變半導體產業生態，不論在技術或商業模式方面，供應鏈業者皆積極尋求新的突破點。

從半導體商業模式來看，由於家庭、工業、汽車和穿戴式電子等物聯網應用，各有各的系統設計和元件選用考量，導致晶片商面臨更嚴峻的研發時程及成本管控壓力；再加上物聯網發展初期，系統廠也要求客製化方案，更加重晶片商管理多樣、小量產品的困難度，而難以即時滿足市場開發需求。

陳志寬認為，種種因素加總之下，系統商轉向自行開立晶片規格，再尋求IC設計服務、矽智財(IP)和EDA業者協助的Chipless商業模式正逐漸加溫，未來將大有可為。

Chipless一般泛指不負責生產與銷售，僅專攻設計的IC設計服務商，過往業務主要集中在PC和行動裝置的記憶體輸入/輸出(I/O)、傳輸介面及影音協同運算等系統周邊元件；近來在物聯網風潮帶動下，此商業模式也開始在嵌入式裝置SoC、特定應用積體電路(ASIC)設計領域擴大影響力，成為一門新顯學。

陳志寬強調，物聯網呈現發散式的發展，供應鏈業者除須建構一個包含處理器IP、無線射頻方案、嵌入式軟體，以及周邊I/O和感測子系統的通用設計平台，還要提升多樣產品製造的經濟效益，才能快速因應各式各樣的設計。換句話說，未來想做晶片的業者不一定要投入大筆資金開設IC設計部門，而是串連IP、IC設計服務和EDA廠商，就能在通用平台的基礎下增加客製化功能，兼顧產品成本和獨特性。

事實上，從PC時代的整合元件製造商(IDM)，到行動世代的無晶圓廠(Fabless)，每個應用世代皆有一個具代表性的商業模式。陳志寬認為，隨著物聯網發展日漸成熟，Chipless亦將成為該市場重要的商業模式，產值可望明顯攀升。

看好Chipless的商機潛力，IC設計服務業者--世芯電子已於近期集資上市，積極切入系統單晶片(SoC)、影像顯示和通訊晶片設計服務；與此同時，EDA廠商--新思科技則加強與AMD合作，吸納更多IP設計資源，並計畫推出嵌入式軟體除錯方案，期打造物聯網通用設計平台(圖2)，迎合Chipless趨勢。

圖2　物聯網通用設計平台將結合IP Sub-system和嵌入式軟體除錯工具。

除了新興的半導體商業模式備受矚目外，新技術的導入更是延續物聯網發展動能的關鍵。從技術層面來看，由於物聯網裝置必須導入感測器、資料轉換器、無線射頻(RF)和嵌入式處理器等多種半導體元件，同時還要兼顧功耗和占位空間，因此包括晶圓代工廠、EDA工具商、IC設計公司和IC設計服務業者均致力改良SoC製程與電路架構，從而發揮系統電源最大利用率，進一步滿足上述各種面向的系統設計要求。

催生下世代物聯網SoC　ULV製程功耗大降十倍

半導體廠除已加緊投入先進奈米製程外，亦同步投入另一個技術研發路線--超低電壓製程；相較於現今電壓約1伏特(V)的標準製程，超低電壓製程可降至0.7或0.3～0.4伏特，讓SoC動態功耗縮減一半甚至十分之一，以滿足物聯網應用對更低耗電量的要求。

工研院資通所生醫與工業積體電路技術組低功耗混合訊號部組長朱元華(圖3)表示，由於晶片動態功耗與其工作頻率、電壓平方值息息相關，因此晶圓代工廠、IP和IC設計業者正紛紛投入布局超低電壓製程，並分頭從製程控制和電路設計著手，期加速實現以更低電壓運作，且效能及良率穩定的物聯網SoC。

圖3　工研院資通所生醫與工業積體電路技術組低功耗混合訊號部組長朱元華認為，超低電壓製程將成為半導體產業新的技術競逐焦點。

據悉，台積電日前發布的超低耗電(ULP)技術平台，就是由超低電壓製程的設計概念衍伸而來。該公司率先將標準SoC製程大約落在1、1.2、1.5或1.8伏特電壓的水準，降低至0.7伏特左右，大幅縮減一半以上的晶片動態功耗，藉此發展出0.18微米到16奈米鰭式電晶體(FinFET)等一系列超低耗電製程，協助客戶打造更低功耗且整合度更高的系統元件。

儘管SoC電源效率可望再提升一倍，但台積電董事長張忠謀不諱言，這樣的規格與物聯網要求還有一段差距，從行動世代跨入物聯網時代，半導體產業至少須達成功耗僅十分之一的製程技術，方能滿足下游IC設計、模組廠，以及系統業者提升產品電源效率的殷切需求，促進萬物聯網的願景加速來臨。

對此，朱元華指出，針對超低功耗物聯網SoC，半導體廠除了朝更先進的20、16奈米製程邁進外，亦須基於晶片動態功耗與電壓平方成正比的通用算式，進一步投資發展0.3～0.4伏特超低電壓製程，以設計出工作電壓僅0.3伏特，動態功耗也隨電壓下降，等比例降至約十分之一(0.3伏特平方約0.09伏特)的SoC。

朱元華強調，目前一線晶圓代工廠、EDA工具商、IP供應商和IC設計業者皆加碼展開超低電壓製程研究，足見該技術已蔚為顯學。為協助台商接軌此一設計潮流，卡位物聯網商機，工研院資通所亦馬不停蹄投入布局超低電壓製程控制、設計方法、晶片電路和邏輯架構等專利，並已將位準轉換器(Level Shift)、鎖相迴路(PLL)等SoC周邊電源管理方案納入考量，全力推動超低電壓製程商用腳步。

除搶布專利，幫助台商掌握先機外，資通所更致力打造超低電壓製程晶片的創新應用，期吸引更多國內半導體廠聚焦，進而拱大技術發展規模。朱元華透露，資通所已從三個層面著手，分別勾勒出超低電壓微控制器(MCU)、能源採集(Energy Harvesting)器和資料轉換器的設計概念。

以MCU為例，目前業界雖可藉由軟體實現多元省電模式，但實際上MCU在各種工作頻率下，仍以相同電壓運行，因此還是有一定的動態功耗；朱元華認為，未來晶片商導入超低電壓製程，才能在硬體設計層面就大幅降低動態功耗，發揮更大的節能效益。

此外，資料轉換器在物聯網裝置不定時擷取到外界資訊時，必須不斷開啟、關閉以解析資料再休眠，若透過製程改善，讓資料轉換器以更低的電壓和頻率啟動，對節省系統電源將有莫大助益。

不僅技術發展路線和商業模式開始產生變化，物聯網的興起也將使半導體產業競爭出現新的變數。為在行動、物聯網裝置的半導體供應鏈中，取得更多發言權，中國大陸政府已於2014年中公布「國家集成電路產業發展推進綱要」，將透過設立產業投資基金等補助措施，構建從先進晶圓製造到SoC、軟體開發和終端設計應用的完整產業鏈，以逐步實現晶片自給自足的最終目標，並降低國內企業受到國際晶片供應商箝制的風險。

陸商挾資金優勢崛起　IC設計戰場殺出程咬金

中國大陸國家集成電路產業發展推進綱要明確列出幾個方向，首先是成立人民幣1,200億元的投資基金，用以補貼先進製程、封裝技術和SoC設計生產，並設定2015年實現32/28奈米大規模量產、中高階封測營收占全球總收入比例達到30%以上，以及本土積體電路產業銷售收入超過3,500億人民幣等目標。

中長期目標則是到2020年，進一步推動16/14奈米製程量產，並成功構築行動裝置、網路通訊、雲端運算、物聯網和巨量資料(Big Data)等重要應用領域的晶片供應生態體系，以大幅拉近與國際廠商的技術差距。

陳志寬表示，中國大陸近期宣布將投資1,200億人民幣扶植本土半導體產業，加上陸資企業密集在台以高薪挖角的動作時有所聞，不僅將牽動全球IC設計產業的版圖變化，對台灣半導體廠商更是形成一股強大的壓力。

新思科技董事長葉瑞斌則指出，中國大陸挾其資金規模與全球最大行動裝置市場的優勢，以一波東方海嘯的態勢崛起，短期看來，對整個IC設計市場，特別是台灣部分將帶來顯著衝擊；但就長期的市場發展而言，市場競爭終將回到正軌，廠商在資本、技術、人才、市場和應用領域等各個競爭力評比象限的布局缺一不可，所以大陸本土晶片商會是一波短暫的海嘯，還是持續性的大浪還有待觀察及時間的檢驗。

葉瑞斌進一步分析，中國大陸雖在資金和市場兩大象限取得優勢，但台灣半導體產業結構完整、先進製程技術領先，且穩固發展30年，所創造的群聚效應和完善周邊支援難在短時間內遭取代，因此，預料大陸與台灣未來走向互補互利的局面可能性較大，而非全面性的產業競爭。

事實上，亦有業界人士提出中國大陸大動作的投資恐將雷聲大雨點小的看法。以今年全球半導體支出將上看600億美元，而中國大陸市場占比約達四分之一的數據為基準，中國大陸要實現晶片自給自足的願景，等於每年至少須投入150億美元資金，而非一次性設置1,200億人民幣(約200億美元)的基金就能順利達陣。

多元需求引爆龐大商機　物聯網賦予半導體新光芒

圖4　2013～2020年各領域物聯網半導體營收成長趨勢

隨著物聯網刺激更多技術發展需求，以及產業界擴大投資動作，半導體產業的發展將更加欣欣向榮(圖4)。GSA總裁薛裘蒂(Jodi Shelton)(圖5中)表示，物聯網大數據時代正加速來臨，未來行動聯網裝置將透過各式各樣的通訊連結在一起，並支援上千個應用程式和網路服務，包含擴增實境(Augmented Reality)、語音控制和3D顯示等先進功能，因此業界對半導體的需求將與日俱增。

根據GSA最新半導體全球影響報告指出，在物聯網如火如荼發展的帶動下，半導體產業總體年營收，將從2012年的2,900億美元，大幅成長至2017年的4,000億美元規模，短短5年間的漲幅將達到約三成，足見將創造更多工作機會，大幅增進產業的影響力。

薛裘蒂進一步強調，除了正值高速發展的智慧型穿戴式電子、聯網汽車、智慧能源和遠距醫療照護等物聯網明星應用，顯著刺激半導體需求外，下一波由分子科學、虛擬實境，以及智慧機器人所帶動的創新應用發展，更將仰賴先進的半導體科技才能實現，將持續為產業注入新的活水，並為供應鏈業者帶來商機。

圖5　GSA總裁薛裘蒂(Jodi Shelton)(中)提到，半導體科技名列人類重大發明第四位，與印刷機、電力和盤尼西林齊名，足見其重要性。左為GSA亞太區主席暨鈺創科技董事長盧超群，右為GSA亞太區執行長王智立