臺灣晶片系統設計中心如何推動島內集成電路產業發展

張起燕

成立背景

芯片（臺灣俗稱晶片），是最常用的半導體集成電路制造材料。現代電子信息技術，尤其是計算機、通訊和各式消費性電子產品發展的驅動力，均來自于半導體元器件的技術突破。每一代更高性能的集成電路芯片問世，都會驅動其他信息技術向前躍進。建立在小小一片芯片之上的半導體產業，其戰略地位可與大工業時代鋼鐵工業的地位等同，被稱作信息時代的基礎產業和制高點。

半導體產業始自20世紀50年代，此后技術飛速更新，在全球蓬勃發展。1986年以前，全球1C業的發展重鎮幾乎全部集中于美國。自1987年以后，半導體產業重心逐漸轉移至日本、韓國和中國臺灣地區，從而間接地帶動了當地經濟的飛速發展。

臺灣的芯片產業起始于上世紀70年代。當時臺灣正處在社會經濟轉型的關鍵時期，島內資源匱乏，科技 基礎薄弱，民間企業難以從事自主技術開發和產業升級。時任經濟主管部門負責人的孫運璇通過對國際科技發展趨勢的考察了解，認為發展電子產業對實現臺灣工業現代化能起到重要作用。1973年，他積極推動成立臺灣工研院及電子工業研究所，并親自擔任負責人，指導其開展對集成電路芯片制造工藝的研發工作。

最初，臺灣通過與美國企業進行合作，投巨資引進集成電路制造技術，在電子研究所內設立示范工廠并開始試制集成電路，同時派出大批工程師去海外培訓 學習，終于在1977年制造出了最簡單的芯片樣品，由此奠定了臺灣半導體產業的基礎，同時也為社會培養出 許多科技人才。

1980年，臺當局建成新竹科學園區，投入大量資金用于園區公共基礎設施建設，頒布一系列優惠政策，采取工研院、大學和私人高技術公司“三角合作”的發展模式，并為新成立企業提供創業投資基金，后來又建立了風險基金，吸引民間企業來園區投資設立高科技企業。

當時國際上半導體生產技術和工藝已基本成型，產業內部分工協作和專業化逐漸形成，同時由于個人電腦等下游產品帶來的產能擴張，使整個產業的規模逐步擴大。在美日推行全球“縱向分工”戰略下，不少國際大型半導體制造企業優先發展利潤豐厚的集成電路組件，同時為了減少投資、降低生產力剩余的風險，而將上游制造技術與工藝基本成熟、利潤不高的芯片生產、集成電路設計、測試和芯片封裝等工序分拆出來進行外包加工，導致這一時期臺灣出現了一波半導體產業創業熱潮，許多民間企業紛紛涉足該領域，出現一大批如聯電、臺積電、華邦電子、茂德科技、力晶半導體、世界先進積體電路等半導體生產企業，并形成從上游晶圓制造，到下游電路測試和芯片封裝等整個半導體產業鏈。至20世紀90年代，臺灣開始在國際IC市場上占有一席之地，相關的生產企業發展到數百家，幾乎每年產值都維持在兩位數以上的成長。

不過，這些島內企業的一個普遍特點是都缺乏自己的專利技術。由于臺灣半導體企業大多規模較小，自身無力承擔在半導體科技研發，特別是芯片設計方面的技術研發成本，只好通過與外國企業合作的方式，每年花費巨資購買技術專利，或者完全淪為外國企業代工生產，導致許多臺灣廠商都背負著沉重的知識產權使用費包袱，同時面臨越來越多的國際知識產權糾紛訴訟。

為徹底扭轉這種局面，臺灣行政部門1992年5月決定設立“國家晶片設計制作中心”，1993年1月正式成立，地點位于新竹科學工業園區展業一路，緊鄰“太空計劃室”廠房大樓，由科技主管部門負責提供經費支持和日常管理。1997年7月，更名為“國家晶片系統設計中心”（以下簡稱臺灣晶片系統設計中心），其任務為運用官方力量，培育集成電路芯片及系統設計人才，提升集成電路芯片及系統設計技術，強化臺灣集成電路芯片及系統設計能力。

該中心的主要具體工作是協助島內企業建立集成電路芯片及系統設計環境，提供各界集成電路芯片及系統設計雛型品的實驗與測試服務，推動集成電路芯片及系統設計的產學研合作研究，并將學術界的研究成果推廣至產業界，推動島內外集成電路芯片及系統設計相關技術的合作與交流。

到2000年，該中心有研究人員35人，平均每年獲得臺灣科技主管部門經費投入新臺幣2.29億元，主要開展芯片及系統設計研發及服務，針對不同的設計需求，分別研發相關技術，并整合成完整的芯片及系統設計研究環境，同時，協調軟件廠商，將相關設計軟件以免費或優惠價格提供給島內學術界使用。此外，還協助臺積電、聯電、茂硅、漢磊公司進行0.35微米CMOS芯片制程研發、原型品制作及測試服務，培訓芯片及系統設計人才3000多人次。

2002年，該中心在臺灣南部科學工業園區成立南區辦公室，以發展與新竹科學園區相關的前瞻研究，建立高科技產業發展聚落。

實施“硅導計劃”

進入新世紀后，臺當局開始推行名為“兩兆雙星”的扶植重點產業發展計劃，提出建設“綠色硅島”的目標，積極提升產業競爭力，推動產業結構的轉型升級，希望將臺灣高科技產業推升至一個新的高度。

為解決長期以來臺灣在微電子領域基礎研究比較薄弱、原始創新能力不足的問題，臺當局在2003年啟動由經濟主管部門主導的“芯片系統國家型科技計劃”。該計劃通常也被稱為“硅導計劃”，即由臺灣經濟主管部門組織實施的“國家硅半導體芯片研制計劃”的簡稱，其實它只是這項龐大計劃的一部分，另一部分為“硅半導體芯片基礎建設與產業發展計劃”，主要負責整體科技產業提升、人才培訓及運用，而“芯片系統國家型科技計劃”則負責培養技術和設計人才及新興產業技術開發。

相對于臺積電、聯電等晶圓代工大廠的亮麗表現，臺灣的IC設計能力成了相對薄弱的一環。由于島內IC設計廠商缺少芯片系統設計所需要的硅知識產權（Silicon IP）與相關設計軟件，同時缺少前瞻性整合實驗平臺以提升設計效率，只能設計出復雜度低的集成電路，設計速度也不及歐美，從概念提出到產品制造出來，需要與好幾家軟件、封裝、制造等企業個別接洽，耗費資源和開發時程。

有鑒于此，不少島內廠商對臺當局推出“硅導計劃”可說企盼已久，因為建設這種前瞻性整合實驗平臺所需費用相當龐大，絕非一般廠商所能負擔得起，該計劃可以鼓勵研發經費薄弱的IC設計廠商一起投入產業轉型。“硅導計劃”的召集人交大校長張俊彥說道：“臺灣既然可以是第二，當然也可以再進一步成為世界第一。此計劃如果推行成功，將成為臺灣第二次產業躍升的新契機，把臺灣從全球半導體制造中心提升為全球芯片系統設計與軟件中心。”

主要由臺灣晶片系統設計中心負責牽頭承擔的“芯片系統國家型科技計劃”在2002年4月底正式啟動，總共包含227項子計劃，選定三大芯片系統產品為主軸，據此發展所需要的硅知識產權與整合電子設計自動化軟件，建立臺灣自己的芯片實驗平臺，提供優良的IC設計環境，培養芯片系統設計人員，希望以此開創整體產業的設計優勢，并達到產業垂直整合的效果，提高自制率及自給率，打破每年支付龐大權利金給外國半導體壟斷企業的困局。

按照計劃，在三年時間里將投資76億元新臺幣經費，期望帶來1萬億元新臺幣的民間投資，目標是根據產業需求及技術發展趨勢，選定重點產品為主軸，據此發展所需要的硅知識產權與整合電子設計自動化軟件，建立實驗平臺，提供優良的IC設計環境，開創整體產業的設計優勢，并達到產業垂直整合的效果，至2005年芯片系統設計產業產值達到新臺幣1萬億元，至2010年時所有關聯創新產業如光、電、網、資及通等產品產值將可呈10倍成長，同時可造就電子、電機、電信、電控、化工、材料、物理、化學、機械、土木及生醫等20萬人就業機會。

該計劃的三大主軸是：根據產業的新需要，開發設計平臺服務產業，與全世界知名的電子設計自動化軟件企業如Synopsys、Cadence、Mentor、Avanti及Agilent等合作開發，建立臺灣自己的設計平臺，其次植入本地制造資料庫并完成試制驗證，供全球硅知識產權公司針對不同應用，開發各種硅知識產權；建立全球知識產權中心（IP Mall），創建知識產權貿易服務產業；以臺灣設計平臺設計開發各種不同應用的硅知識產權，并由島內晶圓代工公司試制驗證；建立整體設計環境，積極籌建設計特區，建立技術推廣機制，使島內及全球客戶可運用臺灣設計平臺從事IC設計，使用臺灣硅知識產權完成IC設計，并行銷全球。

這些政策和措施確實有力地促進了臺灣微電子產業的迅速崛起，2004年島內半導體行業總產值突破1萬億元新臺幣，全球排名第四位，成為島內經濟的支柱產業。到2007年，臺灣整體IC產業產值（含設計、制造、封裝、測試）達到14，667億元新臺幣，其中IC設計業產值為3997億元新臺幣，制造業為7367億元新臺幣，IC封裝業為2280億元新臺幣，測試業為1023億元新臺幣。

從全球微電子制造行業來看，臺灣的晶圓代工市場占有率已達到70%以上，其中臺積電在全球晶圓代工市場的份額約占45%，第二大芯片代工企業聯電在全球的份額約占15%。在DRAM產品方面，臺灣的全球市場占有率為22.4%。臺灣IC封裝和測試業在全行業所占比重也均居世界第一位，其中日月光在全球微電子封裝業位居第一，硅品精密居第三。此外，臺灣IC設計產業在全球市場占有率居第二位。7家IC設計公司（聯發科技、聯詠、威盛、凌陽、奇景、硅統及瑞昱）排名進入全球前20大，這些公司的年營業額均超過100億元新臺幣。

到2007年底，包括臺積電、聯電、力晶半導體、茂德科技、華邦電子、南亞科技、華亞科技、世界先進、瑞晶、臺塑勝高科技等廠商在內，在臺灣島內已建成17條12英寸晶圓生產線，另外還有6條正在建設中的12英寸生產線，規劃中有16條，臺灣成為世界上晶圓生產線密度最高的地區，具有全球微電子行業1/3以上的晶圓制造產能。

機構改制，提高效能

2003年1月，臺灣晶片系統設計中心仿效工研院，改制為自負盈虧的“財團法人”，就此脫離臺灣科技主管部門人員編制，改隸屬于“國研院”。

通過多年基礎建設，目前該中心可以提供19家世界知名公司的設計驗證軟件、89類設計軟件與元件庫、7種芯片與系統設計流程環境，以及多項硅知識產權（IP）資料庫，免費提供學校申請使用，并分別針對前段設計、實體設計、快速雛形設計、系統技術設計、嵌入式軟件設計等的設計需求，整合設計軟件、規劃并建立完整的芯片及系統設計流程與環境，藉以提升芯片及系統設計的效率，并且提供設計者在設計時所需的技術支持、培訓課程、快速原形驗證環境與設計環境的維護等服務，包括設計資料庫的整合、設計環境技術資料檔的建立、設計軟件的使用流程規劃與管理、軟件安裝更新與使用咨詢、設計軟件與設計流程的培訓、快速原形驗證設備的提供與技術支持、單芯片系統（SoC）的整合設計環境、軟硬件共同設計環境，以及提供設計范例等多項設計技術支持。

目前，該中心設有前瞻技術組、設計服務組、芯片制作組、技術推廣組，工作人員有110余人，包括70余名研究人員和20名技術人員，年收入4億多元新臺幣。該中心芯片測試實驗室擁有數字芯片、混合信號及射頻芯片測量系統、安捷倫（Agilent）93000測試系統，以及MEMS測試環境，提供電路板雕刻機、打線機等后段制作服務。正在陸續建立高頻參數測量、射頻模型萃取、功率及雜訊測量及通訊芯片測量等系統，以提供元件至系統芯片的驗證。

為培訓芯片及系統設計人才，中心每年利用寒暑假期，對學術界分別開設針對各種不同設計方式的開發培訓課程，截至2013年，累計培訓學員數量達12萬人，僅2013年就開設46門培訓課程，開設培訓班200余次，培訓學員達9620人次，設計軟件下載總次數25，125次，以及技術咨詢服務2771項。

2013年，該中心提供臺灣學術界14種制程芯片實作服務，含0.35微米、0.18微米、90納米CMOS主流制程，BiCMOS、pHEMT 特殊應用制程，以及可運用于異質系統整合的MEMS、BioMEMS、IPD及高壓等制程，協助島內學術界完成晶片設計1800項。

該中心在新竹與臺南兩地實驗室以技術純熟的人員配合自動化操作儀器，提供產學研界優質芯片系統測量服務，包括最高達到67GHz的寬頻信號測量、高速時域信號源參數測量、高頻大信號與小信號元件電路參數測量、高端模擬及混合信號測量等，2013年共完成芯片電路與系統測量服務950多次。

另外，該中心還開發完成領先世界的智慧感測單芯片技術，成功將可感測振動的微機械結構整合于CMOS集成電路芯片中，此技術擁有低成本及微小化等優勢，可協助企業開發傳感器芯片關鍵性零組件。