電子工程導論與專業倫理 IC 設計領域與產業介紹

1. Tsung-Chu Huang (黃宗柱) 2011/10/06 T305@NCUE 電子工程導論與專業倫理IC設計領域與產業介紹

2. Outline • 本系系統晶片設計(SoC)領域(組)簡介 • 電子產業發展史– 以IC設計業為例 • IC設計產業歷史背景 • IC設計與製造流程 • IC設計業與上游供應商 • IC設計與下游價值鏈 • 全球與台灣主要IC設計相關產業概況 • IC設計產業特性 • IC產品應用領域與IC設計主要競爭者 • 台灣IC設計產業：現況與挑戰

3. 電子系暨電信所領域分組

4. 電子系暨電信所 電子工程學系在職碩士班 (進修部) 系統晶片設計領域 光電與半導體領域 微波與半導體領域 電子工程學系碩士班 電信工程所 電子工程學系學士班 (大學部) 系統晶片設計領域 光電與半導體領域 微波與半導體領域

5. 師資介紹 黃其泮 老師 國立彰化師範大學電子工程學系副教授 台灣科技大學電子工程博士

6. 師資介紹 黃宗柱 教師 國立彰化師範大學電子工程學系副教授 成功大學電機工程博士

7. 師資介紹 張孟洲 老師 國立彰化師範大學電子工程學系副教授 台灣大學電機工程博士

8. 師資介紹 陳勛祥 老師 國立彰化師範大學電子工程學系助理教授 清華大學電機工程博士

9. 師資介紹 吳宗益 老師 國立彰化師範大學電子工程學系副教授 清華大學資訊科學博士

10. 電子產業的重要性

11. ( 億美元 ) 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 21世紀的重要產業 GNP 電子產品 汽車 半導體 鋼鐵 1980 1990 2000 2010 年 資料來源：Dataquest，Toshiba，工研院經資中心ITIS計畫

12. 無所不在的半導體 • 是連續性發展的技術 • 電子產業的“原油”、“稻米” • 是電子產品的 “神經系統”

13. IC設計發展簡史

14. IC發展史 • 1947年聖誕前夕, AT&T 的 Bell 實驗室的 John Bardeen 及 Walter Brattain 展示第一個由鍺所製成的點接觸式電晶體. 當電流訊號施加於鍺晶體接點, 輸出功率會大於輸入功率. 並於1948年公諸於世. • 1949年 William Shockley 發表雙載子電晶體運作理論. 並預測接面式雙載子電晶體(BJT)將出現. • 1950年第一個單晶鍺電晶體生產, 並取代電子產品中的真空管. • 1952年Gordon Teal發表第一個單晶矽電晶體. • 1955年 Shockley 在舊金山南方成立 Shockley Semiconductor Lab. 帶動矽谷的成立. • 1956年 Shockley, Bardeen, Brattain 共同獲頒諾貝爾物理獎. • 1957年, Gordon Moore 和 Robert Noyce 離開 Shockley 公司, 成立 Fairchild Semiconductor 公司. • 1958年積體電路時代來臨 (整個五O年代為分離式IC元件的天下). • 1966年, Gordon 和 Robert 離開 Fairchild 並創立 Intel (濃縮Integrated electronics). 世界上第一個電晶體(1948, Bell Lab)

15. Braun invents the solid-state rectifier. DeForest invents triode vacuum tube. 1907-1927 First radio circuits de-veloped from diodes and triodes. 1925 Lilienfeld field-effect device patent filed. Bardeen and Brattain at Bell Laboratories invent bipolar transistors. Commercial bipolar transistor production at Texas Instruments. Bardeen, Brattain, and Shockley receive Nobel prize. Integrated circuit developed by Kilby and Noyce First commercial IC from Fairchild Semiconductor IEEE formed from merger or IRE and AIEE First commercial IC opamp One transistor DRAM cell invented by Dennard at IBM. 4004 Intel microprocessor introduced. First commercial 1-kilobit memory. 19748080 microprocessor introduced. Megabit memory chip introduced. 2000 Alferov, Kilby, and Kromer share Nobel prize 電子元件技術 Milestones

16. 台灣電子產業發展簡史

17. 台灣IC發展歷史 • 民國63年2月(懷寧街小欣欣豆漿店) • 行政院秘書長費驊 • 經濟部長孫運璿 • 交通部長高玉樹 • 電信總局長方賢齊 • 工研院院長王兆振 • 電信研究所所長康寶煌 • RCA研究所所長潘文淵

18. 支出：十大建設(2580億) 收入：出口衰退 • 民國63年7月26日(經濟部) • 通過潘文淵提「積體電路計畫草案」 • 成立「工研院電子工業研究發展中心」 • 主任：康寶煌 • 副主任：胡定華 • 民國64年2月 • GI、Hughes 、 RCA擇一 • 4億移轉費 • 民國64年4月20日由孫運璿授旗成行

19. 劉英達 曾繁城 戴寶通 史欽泰 曹興誠

20. (35) (29) (30) 顧問 前清大科技學院院長 (32) (32) 副董事長 福華微電子 (32)

21. 簡史 1958-1970 • 1958 : 創立交通大學 - 電子研究所 • 1964 : 交大成立半導體實驗室 • 1965 : 交大凌宏璋、張俊彥及郭雙發共同製作出台灣第 一顆 IC • 1966 : • 高雄設立加工出口區 • 高雄電子公司成立，開始做『電晶體』的裝配 • 1967 : • 高雄電子公司開始做『積體電路』的裝配 • 1969 : • 飛利浦建元電子公司開始做『積體電路』的裝配 • 台灣通用器材開始生產『二極體』 。 • 環宇電子公司成立開始做『電晶體』 ，『積體電路』的裝配

22. 簡史 1970-1971 • 1970 : • 德州儀器公司開始做『積體電路』的裝配 • 菱生精密開始做積體電路的裝配 • 交大成功製作出台灣第一片晶圓 • 三愛電子成立??、交大畢業生成立萬邦電子 • 1971 • RCA 與台灣安培開始做『積體電路』的裝配 • 華泰電子公司開始做『積體電路』的裝配

23. 簡史 1972-1974 • 1973 • 萬邦電子公司開始做『積體電路』的裝配 • 菱生公司與三菱公司開始做『電晶體』的裝配 • 1974 • 由潘文淵撰寫計劃書，成立工研院電子所，接著成立電子技術顧問委員會 • 該會決定自美國引進IC製造技術，並決定以CMOS 技術為主。 • 該會成立評選委員會，委員有方賢齊、胡定華、杜俊元、溫鼎勳及張俊彥。 • 鴻海塑膠成立 • 州際電子公司開始做二極體之裝配 • 集成電子公司開始生產電晶體

24. 簡史 1975-1976 • 1975 • 台灣光寶電子開始裝配發光二極體 • 新美化精機開始製造焊線機 • 1976 • 電子技術顧問委員會評選後與 RCA 簽訂 MOS 技轉合約，並派人受訓，合約保證良率 17% • 台灣東京晶體開始裝配『電晶體』 • 萬邦電子公司開始製造 GaAsP 發光二極體 • 同欣電子公司開始製造厚膜混合積體電路 • 大同公司成立矽晶中心開始籌備生產矽晶片 • 欣賢電子公司開始製造層流台 • 宏碁電腦成立

25. 簡史 1977 • 1977 • RCA 受訓人員返國後建立工研院積體電路示範工廠，結果、建廠後六個月、良率達 70%，遠超過 RCA 之預期。 • 電正電子開始做整流二極體 • 高雄日立電子開始做電晶體裝配 • 大聯半導體開始做 IC 裝配 • 光源電子開始裝配太陽電池 • Apple發展出 個人電腦 Apple II。

26. 簡史 1978-1979 • 1978 • 工研院示範工廠首次接受客戶委託設計 IC • 工研院決定、以RCA 技術轉移後成立的晶圓廠，成立一公司。 • 電子所與電信所合作雙極積體電路 • 台灣東京晶體開始裝配二極體 • 1979 • 電子所與工業局簽訂第二期計畫與電腦技術發展專案計畫 • 電子所第一批雙極積體電路試製成功 • 聯華電子公司成立籌備，該公司即為聯電，由杜俊元出任第一任總經理 • 萬邦電子開始製造 GaAs紅外線二極體，光電晶體及光電耦合器

27. 簡史 1980 • 1980 : • 科學園區成立，聯電第一家登記，生產電子錶、計算機與電視用 IC。 • 統一企業成立電子事業部籌備製造雙擊功率電晶體及太陽電池 • 大王電子公司成立開始籌備製造MOS 功率電晶體 • 光達電子公司成立開始籌備製造 LED 及整流二極體

28. 簡史 1981 • 1981 • IBM 發展出 PC ，很成功。 • 美國Osborne 發展出可攜型電腦，又貴又大台，不成功。 • 中美矽晶開始生產矽晶片 • 電子所四位元單晶片微電腦 IC 研製成功 • 電子所開始提供半客戶委託設計 IC 服務 • 電子所完成光罩自製系統 • 電子所自行完成開發 N 通道矽閘 MOS 製程技術

29. 簡史 1982 • 1982 • 聯電量產，11月損益平衡，營業額一億九千萬，員工380人，隔年六月，月銷售額達一億元，全年營業額暴增至11億，員工610人。 • 太欣半導體設計公司成立 • 工研院接連開發計時器、電話機、音樂記憶體、閘排列、語音合成、微電腦、計算器、音響、類比/數位轉換 IC 成功。

30. 簡史 1983 • 1983 • 工研院與國科會合作開始 MPC 計畫、建立大學內 IC 設計與 CAD 研究能力。 • 工研院專案，成立經VLSI 實驗工廠，以促進台灣 IC 設計工業的發展， • IC 相關公司開始萌芽(合德 IC 設計、日月光、華旭封裝)。(1983-1985)

31. 簡史 1985 • 1985 • 工研院院長張忠謀提出將 VLSI 實驗工廠轉移民間成立代工公司之構想， • 工研院開始電子束精密光罩製作服務 • 工研院成立共同設計中心，推廣 IC 設計服務 • 工研院與華智公司發展成功1.5微米CMOS 256K DRAM。 • IC 電路公司接連成立(其朋設計、漢磊製造、Motorola封裝)。 (1985-1987)

32. 簡史 1986-1987 • 1986 • 益華 CAD 公司成立、(設計：通泰、普盛　制造：國善) • 1987: • 台積電成立，張忠謀提出將 VLSI 實驗工廠轉移民間成立代工公司之構想實現，後來張忠謀直接轉任為董事長。 • Toshiba 發展出 T1000型筆記型電腦，6.25磅，不太成功。 • 廣達成立 • IC 設計：大智、矽統、揚智、瑞昱、詮華、華展、群立、普騰成立 • IC 製造：天下、台積、華邦、華隆微

33. 簡史 1988 • 1988 • 台積電進入量產階段，IC 製造公司增至六家 • IC 設計：一華、華麥、飛虹成立 • IC 製造：合泰、臺灣光罩、偉智 • IC 封裝：福雷、立衛

34. 簡史 1989 • 1989 • Compaq 發展出LTE/286的筆記型電腦，七磅，成功。 • IC 製造廠大量成立，達 13 家 • IC 設計：勁傑、偉詮 • IC 製造：旺宏 • IC 封裝：華特、巨大、微矽 • 草擬晶片保護法 • 規劃次微米製程發展計畫，由 ERSO 與業者共同合作進行。 • 台灣光罩公司成立 • 偉詮公司進入園區，從事數位/類比 IC 專業設計

35. 簡史 1990 • 1990 • 新台科技成立，使台灣的光罩公司增為兩家 • 景氣衰退，多家廠商進行人力結構調整，並積極與國外技術合作。 • 偉智與合泰建廠落成啟用，加入 IC 製造行列。 • 巨大與矽品購裝廠進行策略聯盟。 • 半導體技術列入台灣未來十年的十大新興產業。 • Intel 與台積電、聯電合作生產記憶體。 • 裕創公司進入園區，專業為次微米計畫進行記憶體生產。 • IC 設計：凌陽、矽成 • IC 製造：德碁

36. 簡史 1991 • 1991 • 華邦成功開發國產首顆 64K SRAM • 鑫成科技完成 SMT 封裝廠 • 天下電子發生財務危機，尋求資金紓困 • 旺宏與日本 NKK 策略聯盟。 • 茂矽、華智首開 IC 廠合併先例，於 10/22 簽約。 • IC 設計：鈺創、民生 • IC 製造：茂矽 • IC 封裝：鑫成

37. 簡史 1992 • 1992 • 電子所與聯電，台積電簽訂次微米製程技術授權合約，並成立次微米製程技術使用者同盟會 • 旺宏 與 MIPS 簽訂 R3000 RISC 技術授權合約 • 茂矽華智由太平洋電線電纜接手經營，胡洪九接任董事長 • 漢磊科技新廠完工，生產 Bipolar IC。 • 華邦 VLSI 二廠落成，合泰擴廠 • 電子所加速進行 MCM 技術開發，自 PMC 公司引進五層導體 MCM 量產技術 • 各半導體廠陸續進入 0.6 微米製程。 • IC 設計：巨華、冠林、沛亨

38. 簡史 1993 • 1993 • 次微米實驗室落成，是國內第一座八吋晶圓廠 • 國科會晶片設計製作中心成立 • 台灣茂矽與日本 OKI 簽訂合作協議，將轉移 4M DRAM技術 • 日本住友工廠爆炸，造成環氧樹酯缺貨 • 台積電三廠動工，德碁斥資16億提升設備 • IC 設計：宇慶、台晶 • IC 封裝：矽豐、大眾

39. 簡史 1994 • 1994 • 矽豐公司進軍高腳數 IC 測試市場 • 華邦完成亞洲首顆 MPEG 標準的影像壓縮 IC • 聯電、華邦開發完成 0.5 微米製程 • 南亞與 OKI 簽訂技術轉移契約 • IC 製造：世界先進、力晶、嘉蓄、南亞 • IC 封裝：華新先進、福懋、致福、日生科技。

40. 簡史 1995 • 1995 • 華新先進公司成立 • 德碁生產 4M DRAM。 • 南亞 DRAM 廠動土 • 台積電四廠動工、世界先進二廠動工，德碁二廠動工、茂矽三廠動工 • 南亞科技公司成立 • 旺宏推出 16M Flash IC。 • 大眾電腦 IC 測試暨封裝公司啟用 • 聯電與 S3、alliance合資成立八吋晶圓代工廠(聯誠) • 聯電與 Trident、ATI、ISSI合資成立聯瑞公司 • 台積電宣布將在美國成立八吋晶圓廠 • 華邦與東芝策略聯盟

41. IC設計產業歷史背景

42. IC設計產業歷史背景 • 電子元件技術 • Tube -> Transistor -> Integrated Circuit • Moore’s Law • MSI -> LSI -> VLSI ->… • 數位化資訊時代 • IC被廣泛地應用於電腦、通訊、消費性電子、工業電子等諸多用途 • 台灣在半導體產業的發展 • 2003年超過190億美元（全球1,664億美元） • 系統單晶片（System-on-Chip or SoC）

43. Moore’s Law ?

44. Moore’s Law • 早期： • Moore's Law describes an important trend in the history of computer hardware: that the number of transistors that can be inexpensively placed on an integrated circuit is increasing exponentially, doubling approximately every two years • 每18個月增為兩倍 • 每15年增加一千倍

45. “More than Moore’s Law”

46. Device Feature Size • Feature size reductions enabled by process innovations. • Smaller features lead to more transistors per unit area and therefore higher density.

47. 5 CommandmentsIEEE Spectrum December 2003, pp. 31-35. • Moore’s Law : The number of transistors on a chip doubles annually (modified to 18-24 mo. later) • Rock’s Law : The cost of semiconductor tools doubles every four years • Machrone’s Law: The PC you want to buy will always be $5000 ($500-1000 now) • Metcalfe’s Law : A network’s value grows proportionately to the number of its users squared • Wirth’s Law : Software is slowing faster than hardware is accelerating

48. IC設計業佔半導體產業營收比率與台灣IC設計業全球佔有率IC設計業佔半導體產業營收比率與台灣IC設計業全球佔有率

49. IC設計與製造流程

50. IC設計與製造流程 • IC 產品分類 • IC 設計流程 • IC 設計產業分工結構變遷 • Videos on Process Technology • Wafer Process at Texas Instrument, 2000 (9 min) • Semiconductor Technology at TSMC, 2011 (8 min) • Chip Manufacture Process, 2008 (10min) • CPU Manufacture at AMD, 2009 (11min)