超詳解!半導體產業鏈：從技術到市場，解析影響全球的科技命脈

前言——這時代沒有人能說「半導體跟我無關」

第1章 從半導體製造商到器材製造商——半導體行業的關係圖①
1-1 半導體產業存在哪些行業，它們又各自負責何種業務？
1-2 半導體製造商（IDM）是半導體業界的中心
1-3 大型科技公司專注於打造自用的半導體
1-4 生產設備的行業分成「前段」與「後段」2種
1-5 日本企業在零件、材料行業是全球最強

第2章 無廠半導體公司與晶圓代工公司的興起——半導體行業的關係圖②
2-1 沒有工廠的「無廠半導體企業」的躍進
2-2 扮演製造者角色的晶圓代工公司與OSAT
2-3 從EDA供應商、IP供應商到半導體商社
專欄 半導體產業分工化的起點與巨人TSMC的躍進

第3章 半導體都用在哪裡，用來做什麼？
3-1 半導體是「產業的米糧」
3-2 電腦與手機——半導體的應用領域和具體例子
3-3 汽車——半導體的應用領域和具體例子
3-4 家電、電子遊戲、IC卡——半導體的應用領域和具體例子
3-5 社會基礎設施、產業方面的應用
3-6 產業最前線的半導體
3-7 在軍用領域一爭長短的先進半導體
專欄 AI晶片 vs 神經形態晶片

第4章 半導體的歷史是如何發展的？
4-1 20世紀最重要的發明「電晶體」
4-2 積體電路的發明與發展
4-3 摩爾定律、登納德縮放定律
4-4 說來都是淚的「半導體手工業」時代
4-5 用手工研磨鏡面——茶褐色的煙霧與刺鼻的惡臭
4-6 全球與日本的半導體產業演變——35年的日本半導體製造商凋零史
4-7 設備廠商與材料廠商的奮鬥
4-8 「日美半導體協定」是衰落的開始
4-9 台積電的助力與Rapidus的挑戰，能讓日本半導體東山再起嗎？
專欄 在全球興起的半導體工廠「建廠狂想曲」

第5章 說起來「半導體」到底是什麼？
5-1 依照材料的電學特性分類
5-2 什麼是能帶？
5-3 固態矽的3種存在形態
5-4 雜質半導體的製造方法
5-5 單晶矽晶圓的製造方法
5-6 良率提升與大口徑化
專欄 矽原料的主要生產國及其優勢

第6章 組成電子回路的「半導體元件」是什麼？
6-1 電子電路與電路，兩者有何不同？
6-2 被動元件「電阻器、電容器」是什麼？
6-3 主動元件「二極體」是什麼？
6-4 主動元件「電晶體」是什麼？
專欄 為什麼CMOS型也有耗電問題？

第7章 什麼是積體電路（IC）？
7-1 積體電路是什麼樣的電路？
7-2 積體電路有哪些種類？
7-3 記憶體的結構與運作原理
7-4 DRAM、SRAM、快閃記憶體是什麼？
7-5 邏輯電路的結構與運作原理
7-6 邏輯閘陣列、MPU等邏輯電路
專欄 AI的歷史

第8章 積體電路是如何製造的？
8-1 製造積體電路的整體工序
8-2 從設計到製作光罩——製造工程①
8-3 半導體的製造工廠
8-4 前段工程——製造工程②
8-5 後段工程——製造工程③
專欄 關於IC的「製造良率」

第9章 半導體產業的未來與日本的定位
9-1 半導體的技術展望與課題
9-2 預測半導體市場的未來
9-3 日本半導體產業的定位與未來
9-4 最新趨勢與日本半導體產業的去向

附 錄 半導體業主要製造商的特徵
①三星電子——以飢渴精神為支柱
②台積電——靠委任供應夥伴和開放PDK攻城掠地
③NVIDIA——在GPU界爭霸全球
④雷泰光電——靠精準的洞察力取勝
⑤美光——被推入鱷魚池的第二代CEO
⑥艾司摩爾——靠最新的曝光機搶下100%市占率
⑦應用材料——設備行業的巨人
⑧東京威力科創——從代理商進軍製造業
⑨SUMCO——世界第二大的晶圓製造商
⑩英特爾——正在摸索生存之道的王者

 

前言

這時代沒有人能說「半導體跟我無關」

　　從新冠疫情開始流行的2020年春季開始，日本的電視台等主流媒體開始頻繁地報導「半導體短缺」的消息。

　　但對一般人而言，即便看到新聞上成天喊著「半導體、半導體！」，老實說大概也只會覺得「雖然聽過半導體這個詞，但根本不知道那是啥玩意兒」、「半導體跟我們的生活有多大關係啊？」，感到事不關己吧。這是因為一般老百姓雖然都曾近距離看過或買過汽車與家電等產品，卻從來不會直接上街購買半導體。所以，大多數人無可厚非地會站在旁觀者的立場來看待這件事。

　　然而，直到人們準備更換熱水器和對講機等跟日常生活直接相關的產品，或是要購買新車、家電產品、電腦、印表機等物品時，被告知「目前市場上大缺貨，需要排隊半年」，開始疑惑「真糟糕，為什麼會缺貨呢」——才發現大多數的原因都是「半導體短缺導致」。

　　導致半導體短缺的原因和理由一點也不簡單。這是因為其背後牽涉到「社會、經濟、政治」等複雜的因素。本書不會逐一地深入講解每個因素，但簡單來說，同時期發生的新冠疫情導致的生活型態變化，換言之即是在家工作的比例上升，使許多人待在家中的時間增加，這點也加劇了半導體短缺的問題。

　　而到了2022年中期，半導體短缺的情況開始逐漸緩和，進入2023年後，多數產品的缺貨問題逐漸消退（車載用和工業機器用的除外），半導體市場整體甚至出現庫存調整等供應過剩的情況。

　　然而這波半導體短缺還有一個特徵，那就是它不只是對我們的日常生活造成很大的影響，更令人們重新認識到全球政治和經濟對半導體的依賴之深。在日益激烈的美中霸權之爭背景下，半導體作為一種對國家安全，特別是經濟安全的最重要物資，正愈來愈受到社會關注。

　　由此可見，半導體擁有許多不同的面貌，且跟我們的日常生活緊密相關，不論你是生意人、一般消費者、還是學生，對於生活在現代社會的人們來說，可以說半導體已經是「每個人都應該有最基本認識的常識」與「生活必需的教養」也不為過。

　　然而，即便想要「了解半導體」，由於半導體有各種不同的切入點和內容，因此用普通的方法很難學習。就連身為NEC主席技術長，一生都待在半導體業界，熟悉所有半導體領域的筆者，也很難用一句話講清楚什麼是半導體。

　　事實上，若要從理論面解釋半導體的原理，從根本說明「為什麼會發生這樣的現象」，就必須先了解「量子力學」。此外，想追蹤號稱每分每秒都在進步的半導體技術也並非易事。

　　而且雖然統稱半導體，但底下其實存在記憶體、CPU（MPU）、感測器等各種各樣的產品，且它們各自的功能、作用都不相同，用途和市場應用也非常多元。

　　即便只看製造層面，半導體也使用了多種不同的零件、材料以及生產裝置，其製造流程更是複雜之極，多達數百道工序。因此參與生產的廠商也因製程而異。

　　比如，相信多數讀者應該都聽過英特爾、三星等廠牌的大名，但你知道近年因為在熊本設廠而一度成為話題的台積電（TSMC）是做什麼的嗎？那靠著人工智慧（AI）席捲市場的美國輝達（NVIDIA）公司呢？還有軟銀集團旗下，2023年9月在美國那斯達克上市的英國安謀（ARM）？技術傲視全球的荷蘭艾斯摩爾（ASML）呢？以及日本的東京威力科創、信越化學工業……你知道這幾間半導體產業的大咖有何不同嗎？

　　由此可見，即便只是稍微解構一下半導體產業，也會牽扯出非常多層面的東西，發現這個產業是由無數互相關聯的行業組成，而且這些行業的產業結構也都非常錯縱複雜。這一大串供應鏈（supply chain）只要有一小處被切斷，就會導致許許多多的產品在全球短缺，相信大家應該已經從前幾年的大缺貨親身體會到了這件事。

　　本書將盡可能囊括所有跟半導體相關的領域，並以中學程度的知識即能理解的方式盡力介紹給讀者。但與此同時，本書並不會從頭到尾都只進行廣而淺的平面式解說，將貫徹書名中的「教養」一詞，對於生活在現代社會的我們必須了解的部分，也都確保了介紹的深度。比如本書中就分享了許多恐怕只有筆者這個年紀的人才會知道的經驗談。

　　因此，只要你從頭讀完本書，就能加深對整個半導體產業的理解；而若你出於個人興趣或為了獲取相關行業的知識而閱讀本書，也可以只適當地選讀你需要的章節和項目，相信如此便足以充分達成你的目標。

　　另外，在進入正文之前，還有一件事必須事先聲明。在報章雜誌、電視新聞、以及日常聊天中，人們常常混用「半導體」、「積體電路」、「IC」、「晶片」……等等各種不同的術語。雖然嚴格來說這些名詞的意義和內容並不完全相通，但一般來說都跟我們俗稱「半導體」是同樣的東西。因此本書在沒有必要特別區分的語境中，將依循這個慣例使用大眾在該語境下慣用的詞彙來說明，還望理解。

　　最後，筆者想在此鄭重對於筆者執筆本書時一直用溫暖的目光守候在旁，並不斷給予筆者鼓勵的松田葉子小姐表達感謝。