Category Archives: 電的旅程

「第十七章：晶片工業的變遷」

        ＜亞洲來的競爭者 ( 3 )＞……續上

        日本的DRAM比英特爾及其他美國公司生產的更便宜，品質更優越。記憶體是當時英特爾的主要產品，現在遇上了外來的強大對手，在業務上受到極大的擠壓，公司利潤開始下降。幸好此時，在經過幾年艱苦發展之後，英特爾微處理器業務開始高速成長，個人電腦市場大規模起步。1986年，英特爾做了最後決策，宣布退出DRAM市場，集中發展微處理器業務。

在當時，這個消息在美國電子工業界很有震撼性，一時風雨欲來，好像日本電子工業就快擊潰美國了。但結果不是這樣，電子工業的高速發展不是一個「零和」現象，可以有很多贏家，各家公司在困難中求變，尋找自己的優勢。英特爾把精力集中在各款微處理器及微控制器業務上，促成並介入了個人電腦及各種智慧型產品的飛速發展，商機無限。…… (待續)

「第十七章：晶片工業的變遷」

        ＜亞洲來的競爭者 ( 2 )＞……續上

        日本公司早期的市場目標是大型的DRAM記憶體。這個產品市場廣大，同時設計比較單一，產品換代時間較長。因為晶片上集積的電晶體數目浩大，如要達到高的良率，生產技術及品質管理必須達到很高的水平。日本在競爭上有潛在優勢，經幾年努力後，日本DRAM產品在1980年代初期追上了美國。…… (待續)

「第十七章：晶片工業的變遷」

        ＜亞洲來的競爭者 ( 1 )＞

        沒有人想到，矽和二氧化矽結合會帶來如此多不可思議的晶片功用。1970年代中期，正當美國電子工業突飛猛進的時候，一些新的因素出現了。首先是日本公司開始大規模進入半導體工業。日本的大財團資本雄厚，又有國家政策做後盾，優秀的技術人員也很多，在很短的時間內，很多設備一流的半導體工廠出現了。日本人做事認真，富有紀律，這種性格很適合大規模生產複雜的半導體產品，同時日本又吸收了新的「全面品質管理制度」TQM，似虎添翼。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜琳琅滿目的應用 ( 6 )＞ ……續上

        隨著技術的整合，很多完整的系統功能已可集積在同一枚晶片上，控制整個系統功能的軟體，也可儲存在晶片上的記憶體裡，這種軟硬體終端應用結合在一起的晶片，統稱「系統單晶片」（system on a chip），簡稱SoC。早期英特爾的4004晶片可稱是SoC的始祖，是「晶片上的微電腦」，後來德儀發展了「晶片上的計算機」和「晶片上的電子錶」，1990年代，洛克威爾又有了「晶片上的數據機」。近年的系統單晶片又更複雜了：把CCD顯像技術和電腦功能結合在一起，產生了「晶片上的攝影機」；把無線電通訊與電腦結合，產生了「晶片上的手機」；將MEMS加速測示器、GPS接收器與電腦結合，產生了「晶片上的導航儀」。

        最新的趨勢是把這些功能再高度集積，將多種完整的功能整合在一個晶片中。這些系統單晶片的科技含量很高，又極端複雜，設計花費昂貴，但是一旦順利量產，設計的成本可以分攤到幾百萬、甚至數千萬晶片的銷量上，所以每一枚晶片的成本還是大眾可以輕易負擔的。況且系統單晶片本身製造成本不特別高，應用時可靠度強，組裝簡易，大幅減少了產品在其他方面的造價，同時也把產業鏈下游終端電子產品設計「模組化」了，對電子工業的結構影響極大。…… (完)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜琳琅滿目的應用 ( 5 )＞ ……續上

        隨著摩爾定律的發展及元件性能進步，CCD的像素數目及感光靈敏度不斷提高，今日一千萬像素以上的CCD晶片已相當普遍，取代了傳統的照相底片。用新的高靈敏度CCD數位相機，在灰暗的室內不用閃光燈，也能拍攝出清晰的照片。

        2009年，鮑義爾及史密斯因為CCD的發明，獲得諾貝爾物理獎。

        在產業方面，日本的Sony公司自1970年代開始，一直大力開發CCD產品，發展出一系列高性能電視攝影機，進一步強化了Sony在消費電子業的地位。近年來除CCD外，業界又發展出CMOS顯像技術，生產成本及耗能更低，已大規模應用在手機裡的照相機中。

        晶片的製造技術高度精確，在1990年代研究員利用光刻、乾蝕及薄膜材料等技術，在晶片上製造了會「動」的各類微型機械部件及系統，甚至示範了可高速轉動的超微型馬達，開啟了晶片功能的一個新領域。這種技術稱為微機電系統（micro-electro-mechanical system），簡稱MEMS。MEMS已成功應用在微型的加速測示器、羅盤、影像投射、麥克風及記憶體等產品上。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜琳琅滿目的應用 ( 4 )＞ ……續上

        矽晶片還有一個重要的應用，就是感光成像。矽可以高效吸收陽光中的可見光。1969年，貝爾實驗室的鮑義爾（Willard Boyle）及史密斯（George Smith）在研究p型矽與二氧化矽的接面性質時，發現加了正電壓後，可在電極下面的矽與二氧化矽接面的「能槽」中儲存自由電子，然後用連續性變壓方法，可把這些電子一組一組有順序的移動及測示。這個元件名為「電荷藕合器」（charged coupled device），簡稱CCD。

        鮑義爾與史密斯原來研究的目的，是想用CCD做成一種新的記憶體，但是後來發現，CCD無論在儲存資料的密度及耗電量上都無法跟DRAM競爭。CCD的特色更適宜應用在顯像上。

        如果把一張圖片投射在一枚二維的CCD晶片上，因矽吸收光而產生的電子，會被儲存在該位置（像素）電極之下的矽與二氧化矽接面的「能槽」中，每一電極下電子的多寡，與吸收光的強度成正比，所以在感光週期內，在CCD的各個像素下，光的明暗圖形轉換成了一個電子數量分佈的圖形，這個二維的電子分佈圖像，可以極快的轉變成一維的串性電流訊號輸出，再用顯示器或印表機，又可重顯原來的圖像。CCD擁有卓越的顯像功能：靈敏度高、噪音低、速度快，又不需掃描。CCD的基本生產技術與其他晶片相同，可以一起生產，優點甚多。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜琳琅滿目的應用 ( 3 )＞ ……續上

        隨著摩爾定律的進展，電晶體愈做愈小，運轉速度也愈來愈快，漸漸的，類比型電路及數據轉換器的速度都到達了無線電波通訊頻率，微處理器的運算速度也達到了同樣的水平。因此，整架複雜的數位型無線收發器已可廉價的集積在單一晶片上。這個新發展引發了近年各種無線通訊市場的大規模發展與普及，包括便宜又輕巧的多功能手機、WiFi及藍牙等產品。

類比型晶片在1970年代還因市場的需要，發展出了獨具一格的高功率電晶體。電晶體在有些應用中，需要承受高電壓及高電流；譬如說，早期電視機中CRT的電子掃描控制電路裡，電晶體需承受一千多伏特的電壓，而在高功率的喇叭擴音器應用中，電晶體必須能控制幾十個安培的電流，在這些產品的發展過程中，高功率電晶體及晶片形成了一套獨特的元件技術。現代的高功率矽電晶體及晶片，大規模應用在電網分布、電氣化火車和電動車上，新發明的高功率電晶體技術，更把數位技術帶進了電氣工業，直接促成了先進的「變頻馬達」，在節能減碳運動中起了重要作用。半導體電子元件不斷的發展，最後衝擊了已有百年歷史的電氣與電機工業。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜琳琅滿目的應用 ( 2 )＞ ……續上

        在英特爾發展了微處理器後，電腦的功能開始鑲嵌到很多智慧型產品中去。為了應用電腦獨特的訊息處理功能，各種輸入的類比訊號必須先「數位化」（digitize），就是用二進制的0和1來代表訊號中的所有訊息。所以無論輸入的訊息是達文西的畫或貝多芬的音樂，在數位世界中都不過是0與1的組合而已。電腦將輸入的數位訊號，照軟體指示的方法與程序處理好後，再把0與1的新組合轉換成類比訊號式的答案輸出。將訊號在類比與數位之間互相轉換的電路，統稱「數據轉換器」（data converter），是電腦和外面世界的橋樑。

        英特爾微處理器的出現，使高性能的數據轉換器成了迫切的需要。於是各公司開始把類比及數位技術結合起來，開發了「混合訊號」技術，很多數據轉換器晶片產品應運而生，競相把數據轉換的功能達到快速而準確。有了數據轉換器在其兩端，微處理器的價值如虎添翼，加速了各種數位型智慧產品的誕生。現代的微處理器已將數據轉換功能集積在同一塊晶片上，數位和類比兩個世界已天衣無縫的合而為一。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜琳琅滿目的應用 ( 1 )＞

        矽與二氧化矽的完美組合，再加上平面製程技術及CMOS元件設計，促成了晶片技術的高速發展。早期半導體工業發展了用在電腦中的邏輯型晶片，然後又推出了記憶體晶片。在1971年，英特爾把邏輯及記憶的功能在同一個晶片上結合起來，創造了微處理器這個重要產品。邏輯及記憶體都是數位型晶片，輸入及輸出的訊號都是0或1，充分利用了電晶體高速「開關」功能。

        除了數位型晶片，矽晶片的種類與功能琳琅滿目，還包括類比型（analog）、混合訊號型（mixed signal）、高功率（power IC）、感光顯像（imager chip），甚至於微機電系統（MEMS）。

人和自然界接觸（聽覺、視覺、觸覺等）用的訊號都是類比型的。在電晶體發明後，一個主要市場就是用電晶體取代真空三極管在收音機、電視機及儀器中訊號放大的類比型功能。快捷半導體和National等公司很早就發展了類比型晶片產品，包括各種訊號放大器、調頻器、可調頻過濾器等。在類比型晶片技術上，集積的元件數量不需要像數位型那麼多，但對每一個元件性能的要求更嚴格。所以數位和類比技術在晶片工藝上相輔互助。數位型市場較大，但類比型晶片產品市場仍舊可觀，不過產品的種類較分散。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜晶片上的電腦 ( 6 )＞……續上

        費金得到公司經費後，重新設計了一系列更先進的八位元微處理器（4004是四位元設計），包括「8008」與「8080」，在市場上一炮而紅，開啟了英特爾在微處理器上的業務，引發了以後不斷改良發展的產品系列。這些微處理器晶片把電腦的功能帶進了普通電子產品中，創始了各種數位化的智慧型產品，更直接引發了1970年代中期的個人電腦革命。IBM在發展個人電腦時，選用了英特爾的微處理器晶片，為英特爾開創了無限商機。

        英特爾早期微處理器晶片都由費金負責設計，後來他獨行俠的性格作祟，離開了英特爾，創始Zilog公司，發展出Z-80等名震一時的產品和英特爾競爭，可惜後繼乏力，無法長期和英特爾抗爭。德州儀器、快捷、摩托羅拉和AMD等雖先後進入過這個市場，但始終無法和英特爾匹敵。今日只有AMD還支撐著，帶給英特爾一些必要的競爭。…… (完)