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科技產業的隔代創新

隔代創新給了半導體業者一個整裝待發的機會,在經濟效益上,也能延續了上一代技術開發所投入的資源。法新社

創新是科技業生存的不二法門,然而從創新的想法到實際技術及產品的開發,卻需要投入及耗費掉相當的資源,因此持續的創新就不見得符合經濟上的效益。再加上為了滿足應用上的需求,每隔一段時間就須開發出下一代的產品。為了在創新與效益上尋找出一個平衡點,因此科技業就演進出了隔代創新的商業模式。而新一代的創新技術,通常也會有相當的餘裕,可以繼續使用在下一代的產品上。

另一件有趣的是,每一代新的技術在效能上的提升,通常是以2倍當作一個節點,比如說2倍的速度,2倍的密度等。在現實世界中2倍是相對容易實現的,若一次要提升10倍難度是很高,而且2倍的提升也足以說服使用者採用下一代的產品。

先以半導體製程的創新來說,在元件的微縮上都是以0.7的比例縮小,當作下一代節點的目標,因為在一維尺度上縮0.7,以面積而論就是縮成一半,也就是密度翻倍,而成為原先的2倍。這十多年來的進展,半導體從28奈米開始,技術上導入了high-K以及金屬閘極,這是一個相當大資源的投入。所以到了20奈米的節點,就在此架構下,持續做元件的微縮,而沒有重大創新技術的投入。

半導體製程到了下一個15奈米的節點,魚鰭式電晶體(FinFET)被提出,取代了傳統平面型電晶體,半導體元件進入了立體的時代,這又是一個劃時代的改變。在下一個節點10奈米,因循15奈米的平台。再隔一代7奈米時,微影技術開始導入極紫外光(EUV),取代使用了20多年的深紫外光(deep-UV)的光源。5奈米依舊延續7奈米的平台,但是到了3奈米世代,元件結構又將作重大的改變,電晶體的通道被閘極給全包覆(gate all around),並開始做電晶體的堆疊。所以隔代的創新,給了半導體業者一個整裝待發的機會,在經濟效益上,也能延續了上一代技術開發所投入的資源。

無獨有偶,在光通訊領域也有相同隔代創新的商業模式。光通訊中最重要的效能就是數據傳輸的速度了,越高的速度就能處理及傳送更大量的資料。在100G傳輸速度的要求下,業者開始使用多通道的架構,這可以是4根光纖,利用多工及解多工器(mux, demux),讓同一波長的雷射光在4根光纖內進行,每個通道傳25G。100G也可以使用1根光纖,而內含4種不同波長的雷射光,每一波長雷射光傳25G的訊號。200G的系統基本上是沿用,只是把雷射開關速度增加1倍。

再隔一代400G的系統就有顯著的不同,因為每個通道要傳100G的訊號。過往雷射訊號的波包(wave packet)就是開與關,亦即0或1,1個位元,現在需要增加波包的位元數到2個位元,亦即00、01、10、11。同時為了解決封裝上的複雜度,開始使用矽光子 (Si photonics)技術。800G的系統目前尚未問世,但基本上會以增加通道數目來實現。

但是到了尚在討論中的1.6 Tera系統,coherent的同調架構就開始上場了。在半導體雷射開關速度達到極限的情況下,科學家們就開始在調變(modulation)下功夫。這與在無線通訊系統所使用的技術相同,除了振幅上的調變外,得再加上相位的調變。比如說16QAM的調變,就是在每一個波包上能呈現出4個位元,若再加上水平及垂直的偏極化,因此在不改變雷射開關的速度下,傳輸的數據量增加了8倍。

無線行動通訊系統也有隔代創新的相同模式,畢竟每一代的系統開發及建置是非常耗費資源的,這包括了頻譜的競拍、手機的更換及基地台的建置。所以在第二代2G行動通訊中,業者引進了數位式的TDMA以及CDMA的多工技術,有別於第一代的類比式,增加了載波頻率的使用效率,以服務更多的客戶需求。到了3G時代,基本延續了上一代CDMA架構,只是開始數據端的傳輸大於語音的傳輸。4G的行動通訊是個大的演進,採用了全封包(packet)的通訊及交換協定,傳輸的量也由每秒Kbit推進到Mbit。在天線上也採用多重MIMO智慧天線,更進步增進頻率的使用效率。所以業界流傳了一個說法,就是偶數世代:2G/4G比奇數世代:1G/3G表現的好。

照理說5G應該是個讓大家能喘口氣的機會,可沿用在4G上所建立的基礎,然而事實卻非如此,到底發生了什麼事?其一是中國以華為及中國移動為首的業者,在4G發展之初就開始佈建5G,準備彎道超車。當西方世界意識到時,中國已經建立起5G相當完整的布局,這也就引發了一連串科技及商務戰爭,而爭相投入5G的戰局。另外頻譜也就是電磁波,不會無中生有,更無法靠人類的努力創造出來,而現有可利用的頻譜,多半都被軍事、航太、海事等通訊所佔用。5G時代甚至使用到了毫米波,這很可能是無線行動通訊系統,在頻譜上的最後一片淨土了,也再次地凸顯了5G的重要性。

有句廣告詞說「科技始終來自於人性」,科技界在每一代創新上中,也需要休養生息好整暇以待,同時也期望在先前所投入的資源,要能獲利極大化。所以隔代創新的做法,是不是很人性呢?

感謝陽明交通大學光電系陳智弘教授,在關於光通訊技術上的討論。

曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。