半導體盛世，從摩爾定律到AI時代：由人工智慧至智慧製造，跨越科技巨頭的策略與合作，解鎖全球晶片產業的未來

1.1.1　半導體積體電路一直所處的策略領地
　　（1）底層運算邏輯與其本質結構有關
　　所謂半導體，是指一種導電效能介於導體和絕緣體之間的材料，它的電阻比導體大得多，但又比絕緣體小得多，其電學效能可以人為加以改變。許多電氣和電子裝置有兩種狀態：關閉或開啟（例如電燈開關），真空管和電晶體都是如此，以0和1來代表開關的斷開和閉合。邏輯是數位電路的精髓，所有的功能歸根究柢都是邏輯功能，而邏輯的基本構成元素是邏輯0和邏輯1。透過半導體材料製造出的電晶體恰好具備這種功能──透過電訊號來控制自身開合，這使電腦可以理解兩個數字：0和1，並在其中完成所有二進位制模式的算術運算。二進位制是機器語言，電腦使用它來處理、讀取和寫入數據，半導體這一屬性奠定了整個數位時代的運算基礎。
　　物質基本的結構屬性在相當程度上決定了運算的規則，比如人類計數最為常見的十進位制和電腦基於半導體屬性的二進位制。
　　在人類的語言中，廣泛使用0～9這10個數字元號進行記數，這也是我們日常生活中使用最多的進位制──十進位制。在各個古文明中都有使用十進位制記數的歷史，例如，從中國古代西元前13世紀的甲骨文中，就找到了十進位制的記數符號。為什麼人類使用十進位制而電腦語言使用二進位制呢？這可能源於人類十指的生理結構特點，原始社會的人類學會使用簡單工具進行捕獵獲得生存，但還只會使用簡單的語言交流，計數是交流中的重要內容（比如獲得的獵物數量或剩餘的食物數量等），那麼輔以手指來計數是最自然的。電腦的二進位制也跟「矽基生命」的「生理結構」有關，如上所述，是半導體的開關形成了0與1的特徵，所以就有了二進位制。二進位制在半導體出現後，成為電腦的底層運算語言並獲得了廣泛認知，但二進位制在中國歷史上同樣歷史久遠，0和1如同中國古代《易經》提出的陰和陽兩種狀態，透過陰和陽的兩兩組合，又形成了《易經》的六十四卦象。《易經》的這些符號，引起了數學家萊布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz）的興趣，他在1703年就發表了《論只使用符號0和1的二進位制算術，兼論其用途及它賦予伏羲所使用的古老圖形的意義》（Explanation Of Binary Arithmetic, Which Uses Only The Characters 0 And 1, With Some Remarks On Its Usefulness, And On The Light It Throws On The Ancient Chinese Figures Of Fuxi），使用現代數學語言的方式闡述了二進位制。隨後又過了200年，在1904年，全球第一個基於二進位制特徵的電子管才在英國被發明出來。技術的進步是人類文明發展的根本動力，其發展的過程與突破都遵循一定的邏輯與規律，或許未來隨著新材料結構的發現，人類可以發明出更低能耗、更小空間占用，卻有更大規模和更高效率的新進位制演算法。
　　（2）半導體的科學探索
　　半導體產業的發展經歷了科學探索與技術發明這兩個過程。
　　（3）半導體的技術發明與中國事件
　　當人類的科學探索達到一定的階段，應用其成果進行技術發明就應運而生。為了有一個新的視角一覽中西的發展歷程，表1-2簡單羅列了世界半導體技術發明的重大事件，和當時中國重要事件的對照。這個對照告訴我們，科學探索與技術發明都有歷史的脈絡與進展，既需要勇於探索的精神，也需要堅韌的意志，當然還需要時間。很多半導體積體電路產業的專業人士也反覆強調，發展晶片是一個長期的過程，容易發現的都被發現了，容易發明的也都被發明了，難以發現和發明的只會難上再難。
　　（4）半導體、積體電路與晶片的關係
　　在業界，半導體、積體電路與晶片經常混用。老牌公司經常愛稱自己為半導體公司，顯然這是一個更為悠久而廣泛的疆界；而新一代公司卻樂於稱自己是元宇宙公司，他們更願意暢想未來無限的可能。半導體與積體電路有時候稱為產業，有時候又稱為行業，晶片又經常作為積體電路的統稱。
　　半導體主要由四個部分構成：積體電路、分立裝置、光電裝置、感測器。由於積體電路又占了裝置80％以上的市占率，因此通常將半導體和積體電路等價。積體電路按照產品種類又主要分為四大類：模擬裝置、邏輯裝置、微處理器、儲存器。通常我們統稱它們為晶片，晶片是由電晶體組成的，嚴格意義上講，電晶體泛指一切以半導體材料為基礎的單一元件，包括各種半導體材料製成的二極體、三極體、場效電晶體、可控矽等。電晶體有時多指晶體三極體。
　　英特爾是積體電路發展史的代表，讓我們來簡單回顧一下：
　　•1971年，英特爾推出了它的第一款處理器：4004，它使用10微米製程，是一款4位元的處理器，整合了2,250個電晶體，每秒運算6萬次，關鍵是成本得以控制在百美元之內。它雖然弱小，但意義重大。它被時任英特爾公司CEO的戈登．摩爾稱為「人類歷史上最具革新性的產品之一」，實現了從0到1的突破。
　　•1978年，英特爾推出了一款16位元的處理器：8086。
　　•1979年，英特爾又推出了8088，它是第一個成功應用於個人電腦的CPU。
　　•1982-1989年，陸續推出了80286、80386、80486微處理器。
　　•1993年3月，英特爾正式釋出了自己的第五代處理器Pentium，並有一個響亮的中文名「奔騰」。這顆俗稱586的處理器，可以讓使用者更簡單地處理語音、影像和手寫任務。於是我們迎來了微軟的Windows 3.x的視窗作業系統，從此行業裡面有了WinTel（Windows+Intel）聯盟一說。
　　•1995年，「奔騰Pro」釋出，內建550萬個電晶體，專為32位元伺服器和工作站應用設計，可以大大提速電腦輔助設計、機械工程和科學運算。
　　•2005年，酷睿（Intel Core）走進大眾的視野，酷睿i3、i5、i7成為個人電腦的主流。
　　•從第一顆CPU算起，50年後的2021年，英特爾最新的12代酷睿CPU採用7奈米工藝，整合了數十億個電晶體，比4004提升了近五萬倍。
　　•2022年，英特爾釋出了英特爾Core i9-12900KS桌面異構微處理器，擁有30MB快取記憶體，可提供8個效能核心和8個效率核心。效能核心（P-core）支援超執行緒，可同時處理24個執行緒。效能核心的頻率最高可達5.5 GHz（Turbo Boost Max 3.0）。
　　（5）又長又寬的積體電路產業
　　積體電路作為半導體產業的核心，技術錯綜複雜，產業結構高度專業化。隨著行業規模迅速擴張，產業競爭加劇，分工模式不斷細化。半導體產業的整個價值鏈有著明顯的區域專業化特徵，也反映了各國在積體電路領域的競爭比較優勢。
　　•美國由於擁有頂尖的大學和大量優秀的工程人才，設立了很多研究機構並建立了完善的產業鏈生態，商業模式也非常健壯，有大量晶片設計軟體公司、晶片設計公司。
　　•東亞大部分地區擁有良好的基礎設施、成本效率和熟練的工人，加上政府的補貼，可以在晶圓製造和材料生產上發力。
　　•歐洲則在尖端的研發密集型領域發揮著重要作用（例如，荷蘭的ASML公司處於世界領先地位，英國的ARM公司是晶片智慧財產權的核心），並有強大的基礎研究（例如，比利時的IMEC、法國的CEA-Leti、荷蘭的TNO和德國的Fraunhofer等研究中心），還與大學建立了廣泛的研發聯盟。
　　由於半導體涉及的技術過於廣泛，其產業的專業化與資源能力分布的全球化明顯，隨著產能的不斷攀升，其整個全球價值鏈上的公司之間的依賴性也愈來愈強。例如：ASML EUV光刻機需要超過10萬個零配件，而且很多還是訂製的；美國的F-35隱形戰機需要超過20萬個零配件，整機擁有超過3,500個積體電路和200種不同的晶片。

1.1.1　半導體積體電路一直所處的策略領地
　　（1）底層運算邏輯與其本質結構有關
　　所謂半導體，是指一種導電效能介於導體和絕緣體之間的材料，它的電阻比導體大得多，但又比絕緣體小得多，其電學效能可以人為加以改變。許多電氣和電子裝置有兩種狀態：關閉或開啟（例如電燈開關），真空管和電晶體都是如此，以0和1來代表開關的斷開和閉合。邏輯是數位電路的精髓，所有的功能歸根究柢都是邏輯功能，而邏輯的基本構成元素是邏輯0和邏輯1。透過半導體材料製造出的電晶體恰好具備這種功能──透過電訊號來控制自身開合，這使電腦可以理...

前言（節錄）
　　親愛的讀者朋友，您好！
　　非常幸運與您一起踏入半導體製程與AI智造新世界！無論您是半導體積體電路產業或工業軟體行業的從業人員，還是政策的諫言者或制定者，或是企業高級主管與專業人士，以及正加入到這一產業的投資者，希望本書可以幫助您一窺產業全貌，做出正確的決策。事實上，從2022年開始，無論是政府、投資機構，還是從業者，對新一代資訊技術如何賦能半導體積體電路的發展都給予了高度關注和厚望。
　　從全球各國的科技與貿易博弈來看，美國近年一系列新的半導體產業發展政策相繼發表，正試圖把美國拉回先進製造大國的行列。數位化時代先進製造的代表就是晶片，而美國發展這一產業的大量投資源頭便是中國，因為在過去的五年（2017-2022年），中國已成為世界最大的晶片消費國，為美國貢獻了鉅額的利潤。製造與消費本是一對完美的上下游組合，但美國為了霸占科技鰲頭並把持最為豐厚的產業利潤，與其盟國在晶片領域持續對抗中國，凸顯晶片產業自主可控的策略意義不言而喻。
　　從發展歷史來看，半導體積體電路產業最初是在1960年代由軍工需求帶動而迅速發展。根據IC Insights的統計，在近30年的時間裡，半導體產業一直推動著全球GDP的成長。全球資本與產業智慧凝結於人類科技皇冠──「晶片」，它也成為全球科技戰與貿易戰的中心。晶片難，難於在全產業鏈進行資源的配置與協同，其中晶片製造更在產業鏈中處於投資規模最大、建設週期最長、尖端技術最密、良率要求最高的高價值一環。缺失了先進製造能力的晶片產業鏈就如「鐵嘴豆腐腳」──在全球產業鏈競爭中容易被對手「卡脖子」，跑不出應有的速度。
　　從軟硬體的組合來看，半導體積體電路是數位時代的硬體底座，而支持硬體智造與智慧終端產品使用的軟體大致可分為兩類：作業系統的基礎平臺和各類應用程式。工業軟體作為積體電路的靈魂，最初也是隨著軍工需求與硬體同步發展起來的。如今，毋庸置疑的是，以「數據科技」（大數據）和「運算科技」（AI）為代表的新一代資訊技術，正成為按下第四次工業革命快轉鍵的新生力量。在晶片智造中，除了我們熟知的工藝、裝置、材料等必備條件外，難以突破的還有工業軟體。工藝研發離不開專屬軟體，先進機臺裝置都內嵌智控軟體，材料研發也需要透過軟體來分析、配比和更新。而打通這三類生產要素形成智慧一體化的穩定生產環境，也同樣離不開工業智造軟體。隨著晶片的工藝製程不斷微縮並朝著原子級尺寸邁進，無論是晶片的製造廠商，還是晶片的裝置廠商，都在大量運用新一代資訊技術助力前瞻科學研究、產品的設計研發和製造。新型資訊技術正發揮著至關重要且愈來愈重要的作用，這是一條已在國際先進製造業獲得廣泛驗證、認同、推崇的必經之道，因此也被業界媒體稱為神祕的「黑武器」。但「黑武器」並不容易掌握或獲得，由於半導體及積體電路與國防軍工密切相關，西方在產業背後建立了強固的政治貿易壁壘；加上行業競爭異常激烈、技術壟斷與霸權盛行，各廠商對核心技術研發和應用都是退藏於密；再就是專業領域知識的緘默性與抽象性提高了效仿和學習的門檻，使對手難以觸及和掌握。試圖開啟這扇「晶片的新一代資訊技術智造之門」正是本書的價值所在。
　　從新時代雙循環的格局來看，要參與全球競爭，勢必要先發揮自身優勢建立內部的閉環。在半導體積體電路產業的閉環格局建設中，與國際對手正面的競爭是無法迴避的，這是國家持續、堅定、大力支持發展工藝、裝置、材料方面自主可控能力的原因。但我們也要看到正面戰場的局限性與被動性。由於受《瓦聖納協定》（Wassenaar Arrangement）、總體產業投資規模及目前尖端人才短缺等諸多方面的客觀限制，在傳統賽道的後發跟跑策略並不能令人獲得領先優勢。所謂以正和、以奇勝，透過數據科技和運算科技進行賦能，則可以充分借力並發揮新資訊技術方面自主可控的優勢，特別是近年已累積的大量數據及不斷精進的深度學習AI演算法，可以對晶片的製造特別是先進製造造成「四兩撥千斤」的效果。
　　從總體來看，目前在晶片領域積極推廣和應用「數據科技」和「運算科技」的智造能力，已有了良好的政策、產業、技術與資本的基礎。
　　首先，2015年後，大數據及AI政策頻出，工業製造領域在利好形勢的引導和支持下，開始重視並挖掘數據科技和運算科技的巨大應用價值，跨界創新應用層出不窮，開啟了「數智化」時代，一貫嚴謹保守的半導體產業也參與了進來。這並非只是一場技術革命，它與策略融合，已成為行業或企業頂層設計的重要部分。
　　其次，數位化轉型在工業領域已走過數個年頭，工業製造領域已打下了電腦／現代整合製造系統（Computer/Contemporary Integrated Manufacturing Systems，CIMS）的堅實基礎。產業數位化需要依靠企業實現，產業數位化聚焦的是傳統產業的核心生產場景，提高的是整個產業的競爭力和經濟水準。
　　半導體軟體領域的投資規模超前，速度驚人。雖然一、二級市場隨著行業週期與中美博弈而出現震盪，但沒有人否認半導體積體電路將成為未來最為重要的數位化基建，它將推動全球從「數位化」到「數智化」再到「元宇宙」的發展程序，新技術、新概念、新機遇將層出不窮。
　　數據科技、運算科技與產業應用場景的深度融合，即半導體積體電路的產業數位化，是積體電路半導體企業本身技術發展的訴求與投資方向。此外，對於前瞻性的、行業共性的攻堅難題，也可以納入政府的專項中來，一方面可以立足於AI大數據等新資訊技術專項，另一方面也可以立足於晶片先進智造專項。多年以來，半導體積體電路與AI是科技興國策略發展的兩條線，新資訊技術在半導體積體電路產業的加速應用，推動了兩條策略路線的融合。在半導體產業，工業智造軟體的投入，與重型基礎設施的投入比起來只是九牛一毛，而可能產出的價值卻是巨大的。基礎科學研究不僅可以在工藝、裝置、材料方面發力，也可以將生產要素與數據科技、運算科技融合起來，從而有望開創出一條更能發揮軟實力競爭優勢的、因地制宜的、揚長避短的、事半功倍的，對企業、產業甚至國家產生更大協同價值和溢位價值的新技術路徑。
　　工業智造軟體歸屬於工業軟體，但為了聚焦晶片智造技術的闡述並與國際產業界的統稱接軌，本書將使用工業軟體作為切入點，但更多會使用「智造軟體」來展開本書的主要內容。工業軟體作為一個應用廣泛、包羅永珍的集合，其中能轉化成商用的部分只是冰山一角，更具核心價值的「專用技術」往往祕而不宣（例如，美國波音公司研製了8,000多種工業軟體，進行商業化向市場開放了不到1,000種）。本書聚焦於龐大的晶片智造工業軟體體系中，更具核心價值的部分，期望掀開其神祕面紗。第四次工業革命已經來到，工業軟體也迎來智慧時代，傳統工業軟體是必備的生存之本，而智造軟體才是發展的致勝之道。對於產業界來說，由於採取不同技術路線的試錯成本太高，非指標性廠商極少開闢自己獨有的技術路線，一般做法就是沿襲指標性廠商的成功做法並進行二次創新。因此，了解這一維度的發展歷史、價值起源、應用現狀與未來趨勢對於晶片製造廠商來說意義重大。

前言（節錄）
　　親愛的讀者朋友，您好！
　　非常幸運與您一起踏入半導體製程與AI智造新世界！無論您是半導體積體電路產業或工業軟體行業的從業人員，還是政策的諫言者或制定者，或是企業高級主管與專業人士，以及正加入到這一產業的投資者，希望本書可以幫助您一窺產業全貌，做出正確的決策。事實上，從2022年開始，無論是政府、投資機構，還是從業者，對新一代資訊技術如何賦能半導體積體電路的發展都給予了高度關注和厚望。
　　從全球各國的科技與貿易博弈來看，美國近年一系列新的半導體產業發展政策相繼發表，正試圖把美國拉回...

讚譽
前言
第1篇　機遇篇：半導體晶片全球發展與智造機遇
第1章　積體電路推動全球GDP成長與工業革命
　　1.1　積體電路推動全球GDP成長三十年
　　1.2　工業革命與不死摩爾定律
第2章　美國科技制裁與中國自主替代
　　2.1　美國科技長臂管轄45年
　　2.2　美國白宮科技智囊與半導體軍工組織
　　2.3　憑使命改宿命、靠替代對制裁
第3章　積體電路與新資訊技術交叉融合的智造機遇
　　3.1　智造工業軟體生逢其時
　　3.2　智慧2—晶片與AI的交叉賦能
　　3.3　AI應用於積體電路的投資報酬分析
第2篇　技術篇：積體電路與New IT的跨界融合與智造技術
第4章　智造軟體持續加碼全球半導體製造
　　4.1　開啟先進半導體智造之窗
　　4.2　半導體智造軟體的極致力量
　　4.3　智慧學習倉庫與數位對映
　　4.4　智造軟體提升晶片製造的KPI
第5章　智造軟體為半導體產業提供全程價值
　　5.1　龍頭半導體廠商對AI應用的洞察
　　5.2　半導體服務廠商的智造方案
第6章　來自世界龍頭半導體製造廠商的智造驗證
　　6.1　英特爾20年的AI智造之路
　　6.2　台積電11年的AI智造與大聯盟OIP
　　6.3　中芯國際的10年智造之路
　　6.4　其他知名半導體廠商的智造實踐
第7章　來自世界龍頭半導體裝置廠商的智造驗證
　　7.1　艾司摩爾是卓越的工業軟體公司
　　7.2　應材的軟硬一體
　　7.3　泛林的裝置智慧
第3篇　管理篇：未來科技與產業發展借鑑
第8章　未來科技與半導體智造
　　8.1　超級人類與未來科技
　　8.2　半導體智造的遠景方略
第9章　半導體產業展望及工業4.0創新
　　9.1　美國半導體行業組織管理借鑑
　　9.2　半導體工業4.0轉型中的關鍵管理
　　9.3　半導體產業工業4.0轉型的框架應用
結語
致謝

讚譽
前言
第1篇　機遇篇：半導體晶片全球發展與智造機遇
第1章　積體電路推動全球GDP成長與工業革命
　　1.1　積體電路推動全球GDP成長三十年
　　1.2　工業革命與不死摩爾定律
第2章　美國科技制裁與中國自主替代
　　2.1　美國科技長臂管轄45年
　　2.2　美國白宮科技智囊與半導體軍工組織
　　2.3　憑使命改宿命、靠替代對制裁
第3章　積體電路與新資訊技術交叉融合的智造機遇
　　3.1　智造工業軟體生逢其時
　　3.2　智慧2—晶片與AI的交叉賦能
　　3.3　AI應用於積體電路的投資報酬分析
第2篇　技術篇：積體電路與Ne...