智能应用 影音
世足赛的科技足球
4年一次的第22届世界盃足球赛(下称世足赛),于2022年底在卡塔尔风光落幕,阿根廷在足球巨星Lionel Messi的带领下,夺得阿根廷队史第三座世足赛冠军,仅次于巴西的5座,以及德国及意大利的4座。此次世足赛除了入围的32支队伍的精彩演出外,另一个吸睛的焦点是那颗科技感十足的足球。媒体也大幅地报导在比赛前那颗足球要先充饱电,才能上场。举凡比赛时,该足球在场内运动的3维轨迹,如座标、速度、角速度及加速度等都会被完整记录,而且是实时将数据传送到数据库及信号处理器上。在葡萄牙对战乌拉圭的那场球,葡萄牙大将Cristiano Ronaldo将队友传球,用头锤应声入网。大家都以为是Ronaldo建功,但事后分析数据显示球只些许碰触到Ronaldo的头发,该进球最后是判给其队友。如果读者还有印象,在1986年阿根廷夺冠的世足赛,八强赛中阿根廷对上英格兰,Diego Maradona用头锤进了关键一球,以2:1气走英格兰。事隔多年后,Maradona承认当时是用左手拨进那颗球,并被称之为上帝之手(The hand of God)。如果那时就有如此先进的足球,很容易就能够真相大白了。这颗足球是如何做到有如此的神奇功能?原来足球内含了一个惯性量测单元(inertial measurement unit;IMU),以及超宽频无线传输系统(ultra wide band;UWB),加起来重量不到15克。IMU是由三轴陀螺仪及三轴加速器所组成,使用矽基板的微机电技术(MEMS)所制作。矽基板除了是集成电路制作上最关键的材料外,矽原子间是以共价键作为键结,本身也具有非常优异的机械特性。试想一个12寸的晶圆,直径的长度是30厘米,而厚度却不到0.1厘米,在此长度与厚度比值超过300的基板上,头尾的平整度却能够维持在1个原子差距内,可见其机械强度的优越性。因此在1980年代,学术机构开始利用矽基板及半导体的微影制程,制作出各式微机械元件,如微小型的齿轮、轴承,滑杆等。再加上使用的是矽基板,很自然地可以将相关的信息以电信号传送出来,所以统称为微机电。由于是将力学信息转换为电信号,因此也被称为传感器(sensor)或传感器(transducer)。IMU的制作是利用半导体的制程,在矽基板表面先制作出一个感应膜(membrane),其下方是被掏空的,而感应膜是以精巧的悬臂与矽基板相连接。传感膜的设计,可以用来侦测不同方向的直线加速或旋转的力量,藉由感应膜的位移、偏移或转动,随之改变传感器的电阻值或电容值,间接地也得知受力的方向及强度。由于是微小化的传感器,所以才能放置在足球内。UWB与其他无线通讯系统最大的差异,在于其使用的是脉冲式无线电波,就如同雷达般,除了可传输数据外,更能够精准地量测物件的位置,再加上低功耗特性,近来开始使用在传感网络(sensing network)、物联网(IoT)应用。如果在足球场的周围架上十几个UWB的相位天线,一来可以接收由足球所传来关于球运动轨迹的信息,另一方面也可以实时精准定位足球;甚至球队在训练时,让每一位球员都戴上UWB发射器,教练就可以完全掌握住每位球员的跑位,以及足球运动方位的信息。除了IMU及UWB外,此次世足赛也采用表面有微凹结构的足球,如同高尔夫球的表面一样。由于球在运动时,球的后方会产生一个气压较低的区域,形成扰流(turbulence),增加足球阻力,也增加运动的不稳定性。这些表面的微凹结构,能够有效减少此后方低气压的区域,增加球速及稳定性,同时也增加守门员的挑战,不过这些都是球迷所乐见的。足球是世界上运动人口及球迷最多的运动,也是资源投入最多及市场规模最大的运动项目。现代的科技无所不在,运动市场是科技业很好的合作平台,不仅拥有庞大商机,同时也造福广大球迷。 
2023/2/2
王志强
从星链计划看低轨道卫星商机(3)
王志强博士2022年中推出的第二代星链(Starlink)卫星,本体长度为7米,重量1,250公斤为第一代的5倍重。第二代的设计规格考虑到SpaceX新的发射系统「星舰号」(Starship)直径为9米,长度7米的衞星刚好可以躺平、叠放在舱内的衞星发射架上。本文还是从第二代Starlink卫星的火箭发射谈起:火箭发射第一代Starlink与台湾的福卫五号卫星,都是由「猎鹰9号」(Falcon 9)发射到低轨道– Falcon 9的第一节火箭(Booster)使用9具Merlin液态火箭。载运第二代Starlink卫星的「星舰号」(Starship)所使用的「超重型火箭」(Super Heavy Booster, B7)安装33具SpaceX自行研发的「猛禽引擎」(Raptor)(注一)。 大部分的液态火箭的燃料是采用精炼煤油RP1,优点是常温下为液态、容易储存,缺点是燃烧后产生「焦化污渍」(Coking)。因为过去大部分的火箭是一次性使用,所以焦化不是问题,但是如果需要重复使用火箭引擎,清理引擎上的「焦化污渍」会是个头痛的问题。SpaceX的「猎鹰九号」(Falcon 9)使用的Merlin 火箭引擎就是使用RP1为燃料,每次回收后都需要花上数周的时间做清理。为了避免coking的问题,有些液态引擎采用液化氢为燃料(例如如太空梭主引擎),SpaceX则采用「液态甲烷」(就是液化天然气CH4),猛禽引擎使用CH4为燃料也是前所未有的创举。附带一提,Blue Origin开发的BE4引擎也采用甲烷为燃料。天然气燃烧后没有焦化的问题,这个优点使得快速清理Starship上的33具火箭引擎成为可能。第一代Starlink卫星Starlink最初的服务对象设定在没有基站的偏远地区,或是海洋中的船舰及空中飞行的飞机–要达到这个目标,Starlink衞星之间必需要能够「互相传讯沟通」(inter-satellite communication)。第一代Starlink卫星并没有这项功能,当时是依靠建立地面站来解决信号传输问题:除了在使用者自家安装19寸圆盘或20 x 12寸方盘天线外,还得靠附近的「地面接收站」(Ground Station),以及电信营运商既有的地面光纤网络。一般一个400平方米围篱的地面接收站设有9个直径2.86米的雷达天线(参见下图)。 以美国为例,共有32个「地面接收站」(Gateways),每一个接收站方圆800公里(500里)的用户,利用自家平盘天线,经由通过上空的䘙星和邻近的地面接收站连接;换句话说,地面接收站和自家天线必需锁住同一颗衞星,因为第一代Starlink衞星之间没有互相沟通的功能。用户上传或下载的信号都需要透过现有的地面/海底的光纤网络传输,再依赖靠近住家附近(800公里内)地面接收站的Ka-band电磁波,传送到正在通过上空的某颗Starlink衞星,这颗Starlink卫星再将信号传到用户的天在线,这也是为什麽在海洋上没有Starlink网络的原因。第二代Starlink卫星Starlink卫星从第1.5代就开始就有inter-satellite communication 的能力,第二代Starlink卫星(注二)间通讯是利用雷射光作信号传输(Laser Inter Satellite Link;LISLs);光在太空中传播速度要比在光纤上更快,大约快30%,在真空中以光速直接传输,比起经由地面站、透过光纤网络,信号延迟可降低50%,而且由于当前技术可以有效控制雷射光束精度,更可以大大的增加通讯带宽。第二代Starlink卫星在2022年中已经出现,它的功能比第一代至少增强5倍。第一代与第二代同样使用四片「相控阵列天线」(Phased Array Antenna)(注三),其中两片用来跟「地面站」(Gateways)连系,另两片用来跟地面用户连繋的。Starship可运载150公吨荷载到「近地轨道」(LEO),一次可运载110~120颗第二代Starlink卫星。这个数目的衞星刚好可以一次布满一个轨道面,而「星链星座」(Starlink Constellation)在53度倾角,550km高度的「壳层」共有72个轨道面。根据SpaceX说法,当第二代Starlink卫星开始量产,再加上Starship的巨大运载能力,第二代Starlink卫星的成本将会比前一代更低,可以预期前一代的Starlink卫星会被淘汰,猎鹰9号的Starlink发射任务也将终止。看完本系列的三篇文章,读者是否可以看出Musk要在低轨道建立起6G通讯网络的商业版图? 台湾厂商曾经帮助Tesla开创出电动汽车市场,「星链计划」所衍生的庞大商机,不正是台湾ICT产业的强项,台湾厂商又怎能缺席!注一:SpaceX的「猛禽引擎」(Raptor)注二:「星链计划」(Starlink)现况注三:星链(Starlink)相控阵列天线
Motorola的诞生与发展(下)
最早以调频技术(Frequency Modulation;FM)研制的无线电对讲机(Radio Receiver/Transmitter)系于1940年,由摩托罗拉(Motorola)研发成功。当时设计的对讲机是放在背包,可背着边走边说,因此被昵称为「Walkie-Talkie」。早期对讲机的研发,主要人物是Daniel Earl Noble(1901~1980)Noble在学生时期就钻研无线通讯,一手设计并建立美国康涅狄格州(State of Connecticut)的双向警用无线电系统。这是全世界第一套双向FM 无线移动电话系统。1940年这套系统建置成功后,Galvin Manufacturing的老板Paul Galvin见猎心喜,力邀Noble加入其公司。于是,Noble担任Galvin Manufacturing的研究部门主管,其第一个任务是为美国通信兵(U.S. Signal Corps)建置无线电对讲机,成果丰硕。1949年后,Noble为Motorola设立第一个半导体研究室。这个实验室发展出和无线通讯相关的晶体管如功率晶体管(power transistors)及射频晶体管(radio frequency transistors)1940年Galvin Manufacturing设计的对讲机研发团队由Noble领军,定调采用FM技术。射频工程师(RF engineer)是波兰人Henryk Władysław Magnuski(1909~1978)。Magnuski早年贫苦出身,帮波兰军队修理收音机来养活自己和妹妹。1934年Magnuski在华沙的公司Panstwowe Zaklady Tele i Radiotechniczne工作。1939年其被公司送到美国进行一项无线电接收器的研发计划。没多久德国入侵波兰,Magnuski回不了家,只好待在美国落地生根,大战之后也不再返回波兰。Magnuski的儿子彰显老爸在无线电专业的贡献,在伊利诺伊大学的电机信息工程系设立一个讲座来纪念父亲。Motorola于1946年开始生产「车用电话」,可让人在车上打无线电话到公共电话网络。当时通话效果很好。然而,用户增加后,却面临无线线路不足,无法服务大量用户。后来贝尔实验室发明蜂巢式移动电话技术后才解决。1983年,美国FCC批准Motorola DynaTAC 8000X,这是全世界第一支商业化移动终端设备(Cellular Device),号称「黑金刚」,由Martin Cooper带领的研发团队完成。当年移动电话是昂贵的奢侈品,只有派头十足的有钱人和黑道角头老大才用的起,因此有了「大哥大」封号。Cooper于2007年还曾来台北参加COMPUTEX 展览。
2023/1/12
王志强
从星链计划看低轨道卫星商机(2)
Elon Musk的核心商业理念着重在:「垂直整合」(Vertical Integration)、降低营运成本、持续改良,将这套核心商业理念应用到太空事业,就不难理解为什麽SpaceX会从开发液态火箭引擎起步。火箭发射发展太空事业的三大重点就是:LV、LV、LV – LV就是「火箭发射器」(Launch Vehicle;LV) 。没有「火箭发射器」(LV),设计再好的卫星都无法进入太空轨道;如果委托火箭发射营运商代为发射,卫星的总营运成本(Total Cost)就无法降低,难以具备市场竞争力。Musk看明白这一点,亚马逊(Amazon)创始人Jeff Bezos也明白这一点,所以Musk的SpaceX与Bezos的Blue Origin,都从开发自家使用的液态火箭引擎起步。在SpaceX与Blue Origin成功开发出火箭前,世界上的火箭多半是倾国家之力开发,例如国内的长征火箭(注一)、法国的亚利安(Ariane)火箭(注二)、以及俄国的联合号(Soyuz)火箭(注三)。火箭引擎Musk要创造出「价格负担得起」(affordable)的火箭,就必须降低成本 – 非必要的零组件不使用军规,尽可能采用现成的商规成品,再加上模块化的软件,可重复使用的硬件(即火箭回收),从而建立起一套「垂直整合」(Vertical Integration)的创新商业模式。SpaceX发展的第一枚火箭Falcon 1是两节的单引擎液态火箭,总共投资将近一亿美元;经历三次发射失败,SpaceX几乎破产,终于在第四次才发射成功。Falcon火箭的灵魂就是SpaceX自行开发的液态火箭引擎Merlin,使用的燃料是从煤油精炼出来的RP1喷射机燃油,氧化剂则是低温液态氧。Merlin 液态火箭引擎经不断地改良,现在已经进入第四代。为求增加火箭总体运载能力,SpaceX开发出「猎鹰九号」(Falcon 9)– 「9」代表Falcon 9的第一节推进火箭(Booster)有9具Merlin液态火箭引擎,第二节火箭仅使用Merlin单引擎;这十具火箭引擎由三组独立又互相监控的电脑系统控制,达到三重安全保障。Falcon 9 的起飞推力,大约等于12架波音787客机的推力总和。 SpaceX应用「垂直起降技术」(Vertical Take Off and Landing;VTOL),成为火箭VTOL回收的始祖,第一节火箭在海拔100公里左右脱离,它会自动返航降落在指定的陆地定点、或是外海的无人平台上;第二节火箭回收不符合经济效益,因为第二节火箭的分离速度约为第一节火箭的4倍,而且离开发射点已经很遥远。按照据Musk的说法,Falcon 9 的大部分组件可重复使用100次,目前火箭回收已超过十数次,这种纪录在十多年前是难以想像的。火箭与卫星第一代(v1 、v1.5)Starlink卫星的重量约为250公斤,每颗卫星造价25万美元,由SpaceX「猎鹰9号」自行发射、分批次运送到440公里高度的低轨道上,连同发射费用每颗衞星总成本约60万美元。第二代Starlink卫星在2022年中就已经出现,卫星本体长度为7米,重量1,250公斤为第一代的5倍重。第二代的设计规格考虑到SpaceX新的发射系统「星舰号」(Starship)直径为9米,长度7米的衞星刚好可以躺平、叠放在舱内的衞星发射架上,Starship前端有一窗口,可以把卫星像提款卡一样、一片一片的推入轨道(参见下图)。 Starlink卫星发射超过3,000颗(计划发射42,000颗),卫星设计就已经从第一代进入第二代,重量从250公斤增加5倍,发射系统从Falcon 9改为Starship(为登陆火星设计)– 这一切举措都非常符合Musk「持续改良」的核心商业理念。福卫五号台湾的「福衞五号卫星」在2017年8月25日就是搭乘Falcon 9火箭,从美国加州范登堡空军基地升空,进入720公里高度的「太阳同步轨道」(Sun Synchronous Orbit),相较于「地球同步轨道」(GSO)的高度约为36,000 公里。 台湾国家太空中心(NSPO)利用「福衞五号卫星」为发展平台(注四),与国内产业界及研究单位合作发展遥测卫星关键元件,包括指令与数据管理单元(CDMU)、电力控制与分配单元(PCDU)、飞行软件(Flight Software)、遥测酬载电子单元(RSI EU)、CMOS型聚焦面组合(CMOS Type FPA)等五项。下一篇会继续介绍「星链计划」(Starlink)现况(注五),包括2022年推出的第二代Starlink卫星及所衍生的商机。注一:长征系列运载火箭(维基百科) 注二:亚利安火箭(维基百科)注三:联合系列运载火箭(维基百科)注四:福尔摩沙卫星五号注五:「星链计划」(Starlink)现况
Motorola的诞生与发展(上)
Motorola创始人Paul Vincent Galvin(1895~1959)出生于美国伊利诺伊州的一个小镇,父亲是爱尔兰籍调酒师。由于家境贫困,Galvin并未完成大学教育。不过,Galvin是天生企业家,最先将收音机整合 于汽车。1928年Galvin与兄弟Joseph于芝加哥成立Galvin Manufacturing Corporation,第一项产品是收音机的交流电转接盒(Battery Eliminator)。1930年公司改名为Motorola。这个字是由 「Motor」(汽车)及「Victrola」(彼时最有名黑胶唱片机的品牌名称)2个字组合而 成。当时Galvin正在生产汽车用收音机,因此想到借用「Victrola」这个品牌名称。Galvin第一任太太丽丽莲(Lillian Guinan)是Galvin的高中甜心,小俩口于第一次世界大战后结婚。1942年,丽丽莲不幸在家中被谋杀,警察一直无法找到凶手,成为悬案。1945年,Galvin数次邂逅年轻的薇吉妮亚(Virginia Galvin Piper)后,闪电结婚。1955年,Motorola将公司企业识别改成很时尚风格的「M」,由2个三角尖拱成M,代表一波波接续的领导风格。Galvin于1959年去世,而Motorola的业务持续蒸蒸日上。1960年,Motorola推出全世界第一部19寸大屏幕电视机。1974年再推出全世界第一支彩色电视映像管,同年Motorola将电视事业卖给Panasonic。Motorola于1991年在德国展示第一支GSM 手机;1995年推出第一套双向呼叫系统(Two-way Pager )。2000年Motorola发展出第一支GPRS手机,并且和思科( Cisco)合作贩售第一套 GPRS移动网络系统给英国 BT Cellnet 。Motorola在无线通讯领域颇有一席之地,但在电信等级的交换机,则较无作为。2014年1月,Motorola Mobility被并入国内联想集团。虽然Motorola在手机市场已不如往日雄风,读者们若上网查找,仍可看到相关产品。尤其是Motorola最早发明的双向对讲机「Walkie-Talkie」,仍然是防灾应急必备,有通用对频对讲机、军工对讲器、儿童户外小机、迷你饭店工地万能手台、避难对讲机等,让我回忆起当年摩托罗拉的全盛时期。 
2023/1/6
王志强
从星链计划看低轨道卫星商机(1)
王志强博士谈低轨道卫星商机前,必须先了解Elon Musk是如何起家,他的商业模式以及星链计划(Starlink)版图全貌为何。Elon Musk起家Musk从电子商务支付系统PayPal赚得创业第一桶金,再以eBay在2002年以15亿美元买下PayPal的资金,设立SpaceX以及其他几家新创公司,其中包括生产电动车的Tesla。Tesla能够成功打开电动汽车市场,供应高达75%零件(注一)的台湾厂商居功厥伟,例如马达动力系统(富田电机、和大、中钢)、车电系统(和硕、台积电、亚光、同欣电)等。商业模式Musk的太空事业版图是,提供衞星发射服务开始,SpaceX的核心商业理念在于:实现「垂直整合」(Vertical Integration),提供一条龙服务,降低营运成本,并持续改良演变 。SpaceX从开发「猎鹰九号」(Falcon 9)液态火箭引擎(注二)起步,逐步进入通信卫星产业星链计划(注三)。 亚马逊(Amazon)创始人Jeff Bezos的Blue Origin所推出Kuiper衞星计划(注四),与SpaceX的星链计划(Starlink)的商业模式如出一辙。星链计划在星链计划(Starlink)进入卫星通信市场前,HughesNet 和Viasat是两家比较着名的全球「宽带衞星网络」(Broadband Satellite Network)营运商 – HughesNet有20多颗卫星,Viasat也有6颗卫星,上述两家公司的卫星全都分布在「地球同步轨道」(Geosynchronous Orbit;GEO)。一般GEO通信衞星都放置在飞行高度达36,000公里的GEO轨道上,好处是涵盖面积广,坏处则是信号传输距离远,会造成显着的「信号延迟」(latency);平均延迟时间约为100至300「毫秒」(ms)。一般来说,视讯串流(video streaming)与电子游戏是无法接受100~300「毫秒」(ms)的信号延迟。造成通信信号延迟的原因不只一种,本文所提到的延迟主要是因为距离所造成的「信号传播」(propagation)延迟。一般而言,手机的cellular信号延迟小于5毫秒,而衞星通讯信号延迟往往超过100毫秒,主要是因为地球同步卫星离地面太远、而且带宽较小。并不是世界上每个角落都设有基站,所以在偏远地区,以及一些第三世界国家没有「网格网络」(cellular)的基础建设,最便捷的通讯设备还是得靠衞星通讯。低轨道卫星通信Musk看准了这个商机,计划逐步在「地球低轨道」(Low Earth Orbit;LEO)发射4.2万颗小衞星,布建出一个低轨道通信卫星网(参见上图)。低轨道通信卫星网共分为三层:底层在340公里、中层为550公里、上层在1,110公里左右,目的就是要将信号延迟数字降低到25毫秒以下。在Starlink加入卫星通信战局前,全球发射的轨道衞星总数累计为12,480颗,目前大约只有4,900颗还在运作。Starlink目前已经发射超过3,000颗卫星到低轨道,Starlink能够快速布置低轨道卫星,就是靠SpaceX的火箭发射能力 。「猎鹰九号」(Falcon 9)火箭一次能运载60颗250公斤的小衞星到低轨道;Falcon Heavy甚至可以一次运送245颗卫星;而SpaceX的衞星制造工厂每个月可生产约120颗卫星。Starlink Internet目前的服务地区,局限于美国高纬度地区及加拿大、英国、丹麦、比利时、法国、德国、荷兰、澳大利亚及新西兰等地,估计到2023年底才能完整覆盖全球各国。在俄乌战争中,Musk对乌克兰无偿提供Starlink卫星通信服务,不得不承认他不仅是经营长才、科技天才,更是位市场行销高手。星链计划难道只是瞄准没有「网格网络」(cellular)基础建设的偏远地区与第三世界国家?当然不是,所以台湾厂商需要洞悉星链计划的商业版图全貌。下一篇会继续为读者介绍SapceX火箭发射器、Starlink卫星本体、用户端天线与相控阵列天线的演变及所衍生的商机。附注一:电动车产业卡位战 特斯拉75%零件MIT (Yahoo 新闻) 附注二:漫谈太空旅行(四)附注三:马斯克的「星链计划」(Starlink)附注四:不让马斯克专美于前!亚马逊旗下Kuiper计划明年发射首批低轨卫星,剑指SpaceX「星链计划」 作者王志强博士曾任美国麦道太空系统公司(MDSSC)空气动力学专家,1992年加入台翔航太(TAC)协助民航机产业发展;曾历任安达信 企业战略经理,国内和光集团战略长、富士康董事长特别助理、友达营销高端主管、林肯电气合资公司广泰执行副总、美世顾问台湾区总经理、上海佳格营运长等。
半导体产业在汽车业的机遇与挑战(二)
半导体产业要因应汽车产业趋势和现象所必要的变革,可从过去半导体产业的历史中取经。车用半导体有一小部分需要用到高端制程,譬如L4、L5的自驾芯片,其中具备的机器学习功能,所用的制程自然与GPU类似,需要最先进的制程;其余大部分的芯片则以较成熟制程对付即可。但这不表示这些芯片非属高科技产品-高科技产业需要持续的投入资金研发,不断创造新的经济价值。譬如功率元件(power device)虽然毋需精细制程,但是其元件的材料和结构仍然还在持续研发当中,以求提升耐压、高频、可靠性等性能。现在高压功率元件使用的是宽频隙(Wide Band Gap;WBG)半导体如碳化矽(SiC)、氮化镓(GaN),但是超宽带隙(Ultra Wide Band Gap;UWBG)半导体如钻石(diamond)、氧化镓(Ga2O3)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铝(AlN)等新材料,与使用这些材料设计的高压功率元件研发已然上路,所以车用半导体零件的高科技特性仍然稳固,这一点对如何因应产业环境变化的策略制定是很重要的基础因素。这2类汽车半导体对于汽车厂的需求与现象,也应该各自有策略性的回应。对于需要先进制程的芯片,代工模式仍然有明显的优势:集世界各式逻辑芯片需求之力,取得研发的规模经济;相较之下,汽车厂的内部垂直整合半导体制造模式难以施行,因为存在利益冲突。即使客户大如华为、Tesla,从来也只想自行设计,而非自行制造高端芯片。所以对于先进制程芯片,半导体产业所欠缺的只是区域供应链—Tesla计划在台积电美国厂用先进制程生产高端自驾芯片,其中当然有源于疫情期间武汉汽车零件供应断链事件,以及半导体产能不足问题取得教训的考量。是故,这类车用半导体所需要的改变只是生产设施接近客户,并且有分散来源及产能调配能力。这是目前半导体业乃至于电子业正在发生的事。其他类的半导体汽车零件就比较麻烦,如功率元件、MCU、传感器、通讯元件等。这类半导体零件,有个行之已久的半导体策略,因应区域供应链以及汽车产业内垂直整合的趋势与现象:制订产品统一规格、建立公用的测试验证平台。一旦产品有统一规格,产品的设计者与应用者无须另行繁复的沟通;而有公用的测试验证平台,产品也无须针对个别汽车厂,另外进行逐个内部冗长的验证程序。半导体中最大的次产业DRAM就是受惠于此发展策略。所有公司生产的DRAM的所有规格是一样的,并且可以互换使用,所以DRAM也被戏称为「大宗商品」。DRAM公司之间用以差别化彼此产品者,只有产品的推出时间、价格与可靠性等几个因素。因为有这统一规格的因素,市场形成完全竞争,产品价格大幅下降,在使用者端—在过去是电脑厂商,而后又加入手机厂商—倾向于大量使用以提高系统效能,此又进一步促成扩大DRAM市场,DRAM遂成半导体的最大次市场,相关制造业者也有能力累积足够资金,成为2000年以前整个半导体产业制程技术的推手,持续半导体为高科技产业的属性。此外,其主要的应用,如产业电脑和手机也得以快速发展,这是一个半导体产业与系统产业双赢的策略。将此策略施用于汽车半导体零件,很可能也会有类似的效应。事实上半导体的行业组织国际半导体产业协会(SEMI)正在先推动功率半导体的统一规格—因为电动车的量产会先行发生,期待此一措施可同时促进半导体产业及汽车产业的发展。笔者看到半导体之于汽车产业的图像,乃以下景况:半导体产业将分散制造厂址,满足区域供应的需求,这已经是现在进行式;但是仍会保持集中研发,以加大研发的规模经济,维持半导体产业的高科技属性,这是现在完成式也是未来式。在产品面上,汽车厂会保有自驾芯片的设计。这是汽车厂的核心竞争能力,无可让予。其他的零件则会逐渐建立统一规格、公用测试验证平台,这会提供汽车厂多元的、便宜的零件供应来源,而半导体产业也同时受益于市场扩大、交易成本降低以及规模经济的形成。至于汽车产业内垂直整合半导体制造的企图,这是过去已验证过的艰难道路,他们有我的祝福。
半导体产业在汽车业的机遇与挑战(一)
在地缘政治的影响以及疫情造成的断链之后,往昔的全球贸易正在重整供应链,可能的方向之一是区域供应链。对于台湾经济倚赖甚重的半导体而言,区域供应链也可能带来结构性的变动,也需要一些对策来因应这些变革,本文想探讨的主题。与半导体较紧密相关的产业分别是信息产业、汽车产业以及通讯产业。此3个产业也是现在与未来半导体产业的主要应用市场。车子卖出后 才是长期服务的开始台湾对汽车产业特别寄以厚望。一方面是汽车半导体零件市场目前的成长率较其他产业要高,预计到2030年,半导体有望占汽车制造成本50%;另一方面,由于台湾的半导体优势以及汽车产业中过去的「引擎障碍」消失,台湾有可能一圆当年在工业化过程所错失的梦。汽车产业远较消费性电子产品复杂。制造、销售完才是长期服务的开始。汽车的平均使用年限在美国平均近12年,如果计入统计的长尾,维修零件的备料要求可能长达20年。法律、基础建设、召回等市场环境及风险影响营运的重大因素,也非汽车厂能单独掌握的,这些都需要长期的部署。毋怪丰田在面对这麽许多的电动车、自驾车的后起之秀时,仍然气定神闲—这些部署都需要区域性而且是长期的努力。台湾有半导体产业的基础,固然有利于切入电动车乃至自驾车产业,但是要从中获利并非必然结果。区域化供应链会让从零件生产制造一路到维修的产品,需要有强而有力的当地因素,特别汽车产业具有前述的因素,台湾要以自有的品牌建立全产业链的区域化服务,近乎平地起高楼。如果只做半导体零件呢?毕竟这部分市场有机会占汽车制造成本的50%,在更长远的未来,更有可能攀升至70%。即使现在无法做品牌、整车的全流程服务,单只是半导体零件本身就是一个极其庞大的市场,可能大过电脑和手机的总和。但是在目前的状况是,部分车用半导体零件需要定制化,而其产品验证是一个极漫长的过程,保证供应期又远超过一般晶圆厂平常愿意承担的期限。车用半导体垂直分工 已是现在式从汽车厂的观点,如果产品主要的经济价值绝大部分由其他产业创造,则汽车厂有沦为装配厂的危机。另外,汽车厂在此次疫情也吃足传统汽车零件以及半导体零件供应短缺的苦头,所以汽车厂也开始考虑垂直整合进半导体设计、制造,特别是从电动车起就会开始使用的功率元件,譬如博世(Bosch)和比亚迪,目前都已拥有自己的晶圆厂设计、制造功率元件。这是个新的现象。这个考虑早在手机年代就开始浮现,像华为建立海思,掌握手机最主要加值的部分。Tesla以及通用汽车(GM)旗下的通用自动化巡航(Cruise)也开始自己设计L4、L5 高端的自驾(Advanced Driver Assistant Systems;ADAS)芯片,动机也是类似的,只是其企图到目前只止于芯片线路设计。设计公司、晶圆厂附属于汽车厂内部在芯片设计,在产品验证上拥有内部沟通的优势,可以大幅缩短时程。另外,近乎稳固的供给与需求对应关系也在发展早期容易生存。缺点是设计公司、晶圆厂不太容易有外部客户,可能存在的利益冲突难以避免。回顾半导体发展的历史,很多的系统公司都曾经历系统设计制造和半导体零件设计制造垂直整合的阶段,最早移转半导体技术给台湾的RCA(Radio Corporation of America)就是一个典型的例子。但是这些垂直整合的晶圆厂最后多以消散告终。主要原因之一就是前述的利益冲突使得其经营的规模经济无法成长,回过头来这也限制营业利润与可使用的研发资金,在需要持续投入资金做研发的高科技产业无异自绝前路。汽车产业电动化及自驾化,为半导体产业开创快速成长的新市场,但是区域供应链及汽车厂与晶圆设计、制造垂直整合的趋势与现象也对半导体产业构成挑战,策略性的因应这两个挑战将无可回避。
2023/1/4
佘日新
以工业元宇宙形塑新时代供应链
综观近年来物联网(IoT)、人工智能(AI)、5G等智能技术,在各个领域的导入风起云涌。不过,相较很多领域的蓬勃发展,智能制造在全球智能应用的统计「数据」中属于后段班的,显示其复杂度所导致的难度,远比其他领域困难。一场世纪疫情对供应链所造成的冲击,迄今尚未完全解除,加上各方对2023年经济情势的预估都偏悲观,「K型反转」态势将拉开业界胜败输赢之间的差距。预估在疫情逐渐解封后,K型走势也将出现在积极与消极布局布局的业者之间:口袋够深且危机入市的业者,可望在下一波复苏中加速成为赢家。相较2021年致力倡议元宇宙发展的MetaCEOMark Zuckerberg,近期裁员超过超过1万人,另一只K脚却在元宇宙的实践中,出现有趣的上行反差。富士康团队则提出「元制造解决方案」,整合将云端、地端进行整合服务,透过工业物联网完成软硬件互联、虚实整合,透过让AI、XR、5G打通数码孪生(Digital Twin)的各个环节,打造智能工厂与智能供应链,「工业元宇宙」一词甚嚣尘上,成为业者因应全球新保护主义的最佳利器。加上工业元宇宙的建构十分复杂且具挑战,高门槛一但被建置之后,竞争者将难望其项背,竞争力高下立分,也构成上行K脚的寡占优势。有调研研究机构推估工业元宇宙的风潮带动对智能制造的投资,全球市场规模于2025年将突破5,400亿美元。从德国2012年提出工业4.0倡议后,各国依样画葫芦地推出类似政策,殊不知德国以其雄厚的工业基础底气向上堆叠各种可能,此与工业基础不足的经济体所拥有的资源与可能发展的路径截然不同。无奈2022年一场俄乌战争重击德国的能源结构与工业发展的前景,加上美国在工业化的倡议吸引着更多美国与全球布局的想像。Siemens于2013年9月投产的成都智能工厂,是德国安贝格工厂的实体孪生(2座工厂的规划与机台完全相同),这个布局与数码孪生可谓相辅相成,因为只有智能机械不足以成事,即便数码化、智能化工厂都尚未能竟全功。思维架构必须以全面营运的观点,观照所有上下游供应链智能化。因此,Siemens的布局可谓既深也广,以其工业设备的既有优势,铺垫工业4.0的核心数码孪生,建构工业元宇宙的生态系与其竞争力。所有生产制造领域中,半导体产业在内的电子业具备高度标准化的特性,甚至在流程上已接近化工业的连续生产。不过,高度标准化的制造与营运流程并非所有产业的现况。目前智能制造的关键节点在于可程序化逻辑控制器,而且多数仍在撷取数据的Outbound模式。工业元宇宙的应用以「程序化逻辑控制器」(Programmable Logic Controller;PLC)为双向生产数据的转运站,将大幅提升单机、整线、与整厂的联网效能。若以每一台PLC作为一个IP节点,架构5G应用的工业元宇宙,情境本位的规划(Scenario-based Planning)可推估一个数码透通的供应链将大幅提升企业专网的应用价值,但前提是关键节点之间彼此的联通,以及从联通数据后所创造具有意义的管理价值。大处着眼、小处着手,依旧是联通成功的唯一路径。布局工业元宇宙除了技术面的挑战外,组织间的挑战更为严峻!挣脱信息孤岛的限制,长久以来都有赖软实力的发挥,部门之间、厂区之间、上下游之间,倘若信息全面透通,效益自不在话下,但有许多管理面的障碍需要克服。首先,以过去供应商与客户间在追求成本优势时的挤毛巾做法,遗留许多夥伴关系中不信任的变量。其次,等化(Synchronize)供应商与客户之间的智能化水准涉及重大投资,合理化相关投资报酬,方能通过董事会的决议。第三,组织间的文化与流程的异质性需要被理解与有效衔接,上述情境本位的规划才有机会实现。最后,信息安全这项大哉问,依旧考验新次时代供应的建构进程。面对各国新保护主义的新局,以科技创新突破政策桎梏,反映科学发展观,反制人为政策对市场经济的干扰,但在实践科学技术打开僵局之际,有待同步排除策略与组织面的障碍。台商在这一波工业员宇宙技术新布局阶段,除了新设备的投资外,全面翻新组织架构与企业流程,即可在下一波竞争中脱颖而出。
国内半导体产业发展,为何不如预期?
国内发展现代半导体技术迄今已超过30几个年头,国家资本对于产业的支持比日、韩、台早期发展时的政府支持,有过之而无不及,而资金支持及政策优惠在产业经发展已达4分之1世纪后,仍然是现在进行式,甚至力度还在增大之中。然而发展结果与预期并不相符,至少与产业性质稍似的国内面板产业的发展结果大相迳庭。主要原因自然是半导体产业的本质较复杂,但是我想讨论的,是因发展体制可能造成对于半导体产业成效的影响。国内半导体产业发展体制所影响的第一个因素,是因发展初期半导体厂资金需求相对庞大,国有资金无可避免的必须扮演主要角色。但是国有资金在其投入后并未功成身退。虽然后来半导体企业开始自公开市场募取资金,国有资金仍然保有主导权。纯粹利益取向的社会资金在半导体产业中无法促使企业天择淘汰,形成完全竞争。这项因素现在已经被清楚地意识到,国内官方新立的半导体研发项目在目前的规定中,对于国家资金的占比是有最高限制的,这也许能消弭部分过去所见的不利影响。但是国家资本因为地缘政治此时的介入,只能持续的投入。目前国内的一般社会资金仍视半导体为极高风险的产业,适宜进行半导体新项目投资的,似乎只有相关连的大企业,譬如汽车、手机、家电等相关企业,具有充足资金、并追求半导体零件与系统的垂直整合利益。然而,如此的投资模式在上世纪各国经历过长期考验,因为与晶圆厂客户存在利益冲突的可能,不利于晶圆厂规模经济的成长,企业本业的管理模式也未必适用于晶圆厂管理,这是可能有副作用的权宜之计。第二个因素是企业负责人的任命,这项因素与前项因素息息相关。由于国家资本占主导地位,负责人自然也由国家资本方指派。在过去的例子中,具有行政、管理、财务等专长的居多数。但是在高科技产业中,特别是半导体产业,负责人具有科技背景、产业经验绝对是企业成功的关键因素之一,至少此现象在统计上有极其显着的意义。此道理也很浅显,企业负责人要具有产业技术趋势的远景,才能做有竞争力的长期规划以及重要判断。这一点日前似乎也被关注到了。从最近重整后长江存储董事长陈南翔的任命即可以看出端倪。陈南翔具有半导体工程背景、长期产业经验。虽然此新任命案不能说一定是新趋势,但是至少这是一个新思维的开始尝试。再来是人力资源的配置。目前国内的半导体产业就业人口与计划需求还存在巨大缺口,还缺20万人以上的差距(2022年统计估为25万人)。但是在教育体系的供给面上,这并非是一个重大问题,国内近期微电子专业的本科生(即台湾所指的大学生)和大专生1年约有20万人左右毕业(2020年时人数约为21万人),这个缺口并非无法填补,要解决的是就职意愿的问题。在国内目前的经济环境下,许多薪资原先超过半导体的产业,如金融、银行、网络、房产等,在目前的经济发展状况有可能逐渐被半导体超越。但是这些就业人员的专业养成过程和专业配置,即使在国内内部也是具有争议性的议题。迟至去年(2021年),微电子才正式成为国内高校(大学)的基础分类系别。国内的半导体从业人口,绝大部分是微电子专业、少部分是物理系,这与其他国家的远较广泛的专业配置—包括电机、化工、机械、材料、物理、化学、资工等—截然不同。在目前半导体产业的增值手段已从单纯的制程微缩,变成较多元的制程微缩、先进封装、创新材料,甚至再加一点点的生命科学的多元趋势,如果人力资源过于集中于微电子专业,显然不利于国内半导体产业更长远的发展。另外,国内半导体产业2022年有80%的就业人口是本科/大专学历,硕博生比相对较低,这与高科技产业的特性—以持续的研发创造新经济价值—是有所扞格的。最后是产业规模经济的视角。高科技产业需要持续投入研发以维持获利竞争力,而持续的研发活动其经费自然是从营业利益中产生。要产生足够的独立自主研发经费,公司的营业额需要在其所在的次领域中至少占相当比例,这个比例粗略的来说大概是世界市场的15%。从严格的意义上,国内目前还没有先进的晶圆制造厂已进入了稳定的良性循环之中,世界市占比最接近此比例的是中芯国际和长江存储。这个产业宏观考虑最近似乎也进入国内产业调整思维之中,已有几个缺乏规模经济的个别公司有合并的想法。至2022年10月为止的统计,国内半导体自足率仅达16.7%。国内在半导体市场基础科研上具有相当的优势,检视过去体制、重新调整发展方向可能是国内半导体产业新发展阶段的有效手段之一。