「天下大亂，形勢大好」　2019半導體/通訊機會中見挑戰

歷經兩年高度成長的全球半導體產業，2019年前景較為保守。但是，在AIoT應用需求的帶動之下，儘管面臨挑戰，新興的產業機會並未消失，而是在落地的過程中，出現高度不確定性，因此廠商須體認此一現況，積極掌握機會並靈活調整，尋求制勝之道。

2017年全球半導體產業演出驚艷表現，至2018年延續高檔的景氣，熱門應用如5G、物聯網(IoT)、人工智慧(AI)等持續發燒，各項需求維持高檔，也推動2018年整體高科技產業持續成長，根據產業研究機構的調查，繼2017年全球半導體產業出現超過20%的高成長率，帶動產業規模一口氣突破4,000億美元，2018年在此高基期下，再度成長10.1%，整體產值成長至約4,583億美元，本文將從半導體與通訊產業深入觀察，並解析未來的趨勢重點。

反觀台灣半導體產業，因為記憶體低宕多年，所以沒有跟上全球半導體業的跳空性成長，而是憑藉獨霸全球的晶圓代工產業，展現相對穩健的表現，根據工研院IEK Consulting研究指出，2018年台灣IC產業產值將可達新台幣2兆6,343億元，較2017年成長7.0%。而2018年通訊設備的產值則較2017年微幅衰退2.6%，預計為新台幣1兆387億元(圖1)，但在5G、AI、邊緣運算、低功耗廣域網路(LPWAN)等明星應用的帶動下，2019年將重拾成長，產值將成長2.1%，達新台幣1兆610億元。

先進製程門檻高不可攀

日前國際半導體產業協會(SEMI)發表年終整體設備預測報告指出，2018年全球半導體製造新設備銷售預計將成長9.7%，達621億美元，高於2017年所創下的566億美元紀錄，再次刷新歷史新高。SEMI預測，2019年半導體設備市場將微幅下滑4%，但2020年恢復成長20.7%，達到719億美元的新天價。新興應用所帶動的需求，正是這一波半導體產業成長最主要的動力，工研院IEK Consulting資深產業分析師劉美君認為，科技產業的發展將從過去的技術推動(Technology Push)，逐漸轉變到未來應用拉動(Application Pull)的模式。

先進製程與異質整合封裝成為未來半導體製造發展的主軸，現今半導體晶圓代工二哥GlobalFoundries於2018年中正式宣布放棄7奈米(nm)與更先進的製程技術開發、投資，引發市場一陣驚呼；劉美君表示，10奈米製程成為半導體廠投資的分水嶺，10奈米以上成熟製程，由大部分晶圓廠分食，並以台灣的台積電(TSMC)、美國的Intel、GlobalFoundries、韓國Samsung領軍，形成台、日、韓三大陣營。

10奈米以下先進製程，因GlobalFoundries宣布退出，Intel也在10奈米製程卡關，現階段只剩下台積電與Samsung有能力生產，包括華為海思、蘋果、聯發科、NVIDIA、Xilinx、高通(Qualcomm)、AMD的訂單都集中在台積電，呈現一枝獨秀的狀況。劉美君觀察，台積電在量產初期採用深紫外光(DUV)微影，利用沉浸式曝光與多重曝光技術平穩轉進7奈米製程；與10奈米FinFET製程相較，台積電的7奈米FinFET可在電晶體數量相同的情況下使晶片縮小37%，或在電路複雜度相同的情況下降低近40%功耗。

台積電規畫，在DUV製程穩定後，將再轉換到極紫外光(Extreme Ultraviolet, EUV)微影技術，採用EUV的技術，晶片面積可再縮減10~20%，功耗也可以再降低10%。而台積電主要對手Samsung則是直接在7奈米採用EUV，更計畫進階到6奈米EUV；其7奈米EUV製程產品，2018年下半年試產，預計2019年放量，6奈米技術2020年也會緊接著量產。

AI晶片為兵家必爭之地

除了製造之外，從應用角度上來觀察，由智慧化與聯網貫穿的各式應用，將是產業發展的主軸，AIoT的邊緣運算與雲端運算，可建構高效與功能強大的物聯網解決方案。晶片將著重在更高運算效能與更低功耗上，包括GPU、DSP、ASIC、FPGA與神經元晶片透過先進封裝並導入深度學習演算法，賦予裝置更多智慧化的功能。穿戴、伺服器與車用等三類半導體是未來成長幅度最高的領域，而這三者與AI的關係都非常密切。

物聯網與雲端運算創造許多數位資料，工研院IEK Consulting產業分析師范哲豪說，在資料洪流的時代，每個人每天網路流量預計達到1.5GB，自駕車的網路流量將達4TB，無人機每日網路資料流量約5TB，每座智慧工廠每日網路流量5PB，而平均每項影音串流日流量更高達750PB。相較之下，2016年一般消費者每日使用PC、手機、穿戴式裝置產生的數據僅650MB左右，未來處理器對於資料的運算力與運算量將是技術發展的重點。

AI晶片儼然成為國際大廠下一個搶進的灘頭堡，范哲豪進一步說明，未來AI晶片的硬體架構與演算法都將改變，趨勢包括提高演算法的準確度與降低演算法的模型大小，也就是所謂神經網路的剪枝(Pruning)。而未來AI晶片的硬體架構技術發展，將更著重提高硬體執行能力與每瓦效率；架構上的發展包括：可以執行大量矩陣運算的加速器、降低記憶體存取瓶頸、直接在記憶體執行運算、類神經架構等。

而AI晶片在未來幾年預計將出現三波變化，目前AI邊緣運算(Edge Computing)晶片以GPU與ASSP為主，2022年將以ASIC為主力，2024年以後神經型態晶片(Neuromorphic Chip)因為神經網路運算效率更高，將逐漸成為主流，加上幾乎所有晶片業者都投入開發，市場熱鬧非凡。范哲豪觀察，現階段積極發展相關解決方案者如：MCU廠商瑞薩(Renesas)、意法(ST)，Intel的Movidius Myriad X是視覺處理器(VPU)，Google的Edge TPU與其AI框架TensorFlow Lite完美整合，NVIDIA更有從雲端到終端的全系列產品與開發環境，另外，Intel的Mobileye、Xilinx的深鑑科技(Deephi)、寒武紀(Cambricon)、Arm、Cadence、Synopsys、CEVA、耐能(Kneron)、IBM等都有解決方案。

5G帶動通訊產業典範轉移

AIoT的另外一大重點就是通訊。依循每十年一個大通訊世代的節奏，2020年5G時代將正式啟動，預計也會成為未來幾年通訊產業發展的最大驅動力道。台灣的通訊產業目前還是以網通類產品為主力，未來幾年，LPWAN、AI、5G、邊緣運算、機器人、無人機、自駕車的趨勢，將帶動更多商機。其中5G手機將從2019年開始出貨(圖2)，經過幾年的發展，預計於2026年成為主流。

5G過去幾年著重在標準的研議與制定，工研院IEK Consulting產業分析師陳梅鈴指出，2017年12月提出的5G NSA架構，是基於4G LTE RAN與核心網路，讓4G可以快速升級到5G，以有效減輕電信商設備投資的資金壓力。2018年6月3GPP R15版本拍板，5G獨立式(Standalone, SA)新無線電(New Radio, NR)象徵無線通訊新世代的起點，2019年12月的R16 Phase版本，將讓5G的基礎技術架構更臻完善。

未來幾年5G商轉成為發展重點，世界各國也從2018年開始啟動頻譜釋照工程，南韓、英國、澳洲率先啟動，日本、美國、中國大陸與歐洲各國也計畫在2022年以前進行6GHz以下中低頻段5G頻譜的拍賣。陳梅鈴表示，累計至2018年7月，全球已經有154個5G智慧聯網試驗服務案例，高速聯網將會是首波應用的重點，美國Verizon已於2018年10月推出5G固定式網路服務(Fixed Wireless Access, FWA)；另外，全球首個5G行動網路服務可能花落南韓。

5G晶片眾廠鴨子划水

5G商轉既然箭在弦上，5G商用晶片也成為通訊大廠近期角力的重點，Qualcomm、Intel、紫光展銳、華為海思、Samsung與聯發科無不鴨子划水積極投入。其中，龍頭Qualcomm最新的Snapdragon 855平台甫於2018年12月發表，搭配其X50數據機，可支援5G NR；積極於5G領域尋求突破的Intel更是搶先在2018年11月宣布推出5G NR的多模商用數據機晶片XMM 8000系列，雖然不如Qualcomm完整，也具體顯示其投入5G的決心。

智慧型手機一哥Samsung素來以涵蓋上下游完整的產業鏈為核心競爭力，其5G數據機晶片已於2018年5月送樣，搭載Exynos Modem 5100晶片的設備預計2019年第一季問世；聯發科則於2018年6月推出5G數據機晶片M70，2019年底到2020年初推出5G SoC晶片。中國廠商也在5G展現強烈的企圖心，紫光展銳計畫2019年底推出8核心5G手機晶片；華為海思則宣布2019上半年，將以Kirin 980搭配5G聯網晶片Balong 5000，整合為其5G解決方案。

高整合AiP勢在必行

除了處理器與數據機技術，5G帶來的變革還影響了射頻前端模組的設計，工研院IEK Consulting產業分析師楊啟鑫說，RF前端模組是是由天線接收類比訊號，再經由交換器(Transceiver)、濾波器及降低雜訊等過程，將類比訊號轉為數位訊號，接下來的處理才交給數據機與處理器。隨著5G朝向更高頻的毫米波訊號發展，因為須降低訊號由天線傳送到RF前端與交換器的高頻訊號損失，所以透過系統級封裝(SiP)整合這三類元件的AiP(Antenna in Package)，以維持高頻訊號的完整性，並符合經典的Shannon Theory框架。

未來高速通訊因其高頻RF損失較3G/4G嚴重，楊啟鑫認為，現行RF模組將大規模採用SiP整合(圖3)，除了以載板進行多晶片之SiP封裝之外，扇出型(Fan-Out)封裝因能整合多晶片且效能較載板基礎之SiP更佳，而被賦予高度期待，晶圓級扇出型封裝之封測大廠如台積電與大陸長電科技積極布局，然成本仍是封裝之重要考量，因此日月光、力成的面版級扇出型封裝具備成本優勢，未來更有機會導入5G射頻前端之晶片整合封裝，以達低成本高效能晶片整合功效。

掌握機會/彈性應變勝出有望

另外，LPWAN因為技術難度低，應用領域廣泛，發展前景也備受矚目，工研院IEK Consulting產業分析師陳佳滎指出，未來公用網路將以NB-IoT、LTE-M為主流，LoRa較適合對服務延遲性、不間斷性要求不高的專網應用，Sigfox則適合低成本、低傳輸量與遠距離的物聯網應用。未來相關產業也需要克服驗證與互通性測試問題、不同LPWAN技術競爭、成本、創新應用場景與網路安全等問題。

展望未來，新興科技與產業的應用依然帶領整個科技產業的發展，不過在這些新興科技落地的過程中，機會與挑戰並陳卻會出現某種混亂的情況，如後摩爾定律時代，先進製程的技術挑戰，異質整合封裝的技術突破之道，同時兼顧高效能與高準確性的AI技術等，正所謂「天下大亂，形勢大好」，能在這樣的混亂中掌握稍縱即逝的機會，並展現彈性應變能力的廠商毋寧是贏家的條件之一。同樣地，已經錯過幾波產業趨勢的台灣，如何在新機會底下再度掌握，也同時考驗產、官、學、研各界。