2022/03/09, 科學
我們想讓你知道的是
本書從歷史的角度，詳述半導體如何成為二十世紀改變世界面貌的重要新科技。從半導體是如何發現的，再介紹量子力學和固態物理發展的經過，然後論及電晶體和積體電路發展的情況，最後介紹世界各國的半導體工業，以及半導體業未來的前景。
文：李雅明
日本半導體業
二次大戰以後，一九五○年代起，日本的經濟成長驚人，在五○年代每年的實質成長率為百分之九，六○年代超過百分之十，六○年代末期為百分之十三至十四，到了一九七三年，石油危機之後，才開始減緩，但是日本的經濟成長率，仍然高於一般的歐美國家。日本半導體工業的成長在六○和七○年代與日本經濟的成長同步。從一九八六年到一九九二年，日本半導體工業的產值超越了美國，佔世界第一位。但是，到了一九九二年，日本的泡沫經濟破滅，日本的半導體工業也受到影響，美國在一九九三年又重新奪回世界第一的寶座。
日本半導體公司的情形與美國有些不同，日本半導體公司的數目比較少，在一九九九年日本的半導體公司開始大幅度重組之前，最重要的有：日本電氣（NEC）、東芝（Toshiba）、日立（Hitachi）、富士通（Fujitsu），三菱（Mitsubishi）、松下（Matsushita）、東京三洋（Tokyo Sanyo）、夏普（Sharp），索尼（Sony）和沖電氣（Oki）。這些公司都是垂直結合的，每個公司都有許多產品，而且原來生產真空管的公司也並沒有被新的只生產半導體的公司所超越，這與美國半導體業發展的情形不太相同。
早期，日本電子業之所以能夠成功成長，有一個很重要的因素就是日本銀行的貸款方式跟歐美不同。對於像半導體業這樣，產品有著快速周期的產業，這個分別特別重要。日本半導體公司大多數的資本需求都是來自銀行的貸款。對於日本公司來說，只要他們所賺的利潤可以支付債務的利息，他們就可以維持相當高的債務與資產比例，而不是只能用賺來的利潤來支持成長，對於日本半導體公司來說，限制成長的因素因而比較少。
日本的商業銀行幾乎把他們所有的存款都貸了出去，而這些商業銀行則依賴中央政府的日本銀行，由日本銀行來控制銀根。在這種情形下，這表示日本銀行和日本銀行背後的日本政府，控制了各個公司的命運。這種政策使得獲得政府優遇的半導體公司可以在一段時期內，即使有虧損仍然可以繼續營運，而在類似的情況下，歐洲或美國的公司就會處境艱難了。美國的半導體公司在過去三、四十年中起伏很大，而日本主要的半導體公司則自從進入這個產業以來，至少在一九九一年日本泡沫經濟破滅之前，財務一直都很穩定。
除了上面所說的貸款方式的分別以外，日本的大公司多是垂直結合的，生產許多產品，他們其他的產品並不像半導體一樣，產品的週期性起伏這麼大，因此營運會比較穩定。日本的半導體業與歐洲也不相同，美國在歐洲的投資滲入很深，在日本卻很少。美國公司滲入日本市場的主要障礙就是日本銀行界與工業界的關係，日本的銀行在半導體產業所扮演角色比美國銀行大得多，大到甚至可以施壓撤換經理人員。想要進入日本市場的美國公司不可能同意日本銀行擁有這麼大的影響力。
美國與日本半導體業另外一個很顯著不同的地方是，美國公司的員工流動率很高，換公司常常可以升遷職務，而日本的員工一旦雇用，往往是終身的，其薪水依照年齡、教育程度和年資來計算，而不是依照其職位和工作效率的高低。美國公司喜歡員工在公司之外的訓練，而日本公司則喜歡員工在公司之內的訓練。此外，日本半導體工業的成功跟日本有大量受過高度教育的勞工人力有關。
一九七七年，以人均計算，日本的電機電子工程師的密度比美國多三倍，比英國多出四倍多，比法國多六倍，比西德也要多出百分之七十。最後，進入到元件高度集成的階段，半導體業的長程計畫變得很重要，過去認為美國半導體業人員的高流動率是一項優點，可是在這種新情勢下，可能要變成一項缺點。日本半導體業可以做長期計畫，在八○和九○年代，由通產省（MITI）領導做了很多這樣的計畫。
日本半導體業與美國相同的地方是：日本半導體業在地理上也有相當集中的這個優點。半導體業的中心是在東京地區和大阪－神戶地區。位於東京附近的公司，包括：富士通、日立、三菱、東芝以及一些其他的小公司。在阪神地區則有松下和東芝的工廠。由於日本半導體公司的結構性質，半導體知識的擴散不能靠人才流通，不過，日本半導體業所有重要的工業支援在地理上都很接近，研發部門和生產部門之間也都可以有足夠的接觸。
八○年代以後因為九州的勞工成本比較低，有些半導體公司到九州設廠。對於勞工成本的問題，日本半導體公司一般選擇加強自動化，而不願意到東南亞設廠。一九七三年，美國公司已經有一百二十八處海外裝配廠，日本公司只有四個。日本加強自動化的一個優點，就是它的產品品質往往可以比美國公司的為佳。
到了七○年代末，日本公司開始在歐美設立製造工廠。一九八二年，富士通、日立和日本電氣分別在愛爾蘭、西德和蘇格蘭設廠。一九八四年五月，東芝在西德設廠製造積體電路。後來，日本電氣在美國加州羅思維（Roseville），富士通在美國加州聖地牙哥（San Diego），日立在美國德州爾允（Irving），東芝在加州勝尼維（Sunnyvale）分別設廠。由於這些活動，日本在美國市場佔有率由一九七九年的百分之二，增加到一九八五的百分之十七，而美國八○年代在日本的市場佔有率是百分之十一。美國的主要半導體公司中，一九八六年只有德州儀器公司、快捷公司和摩托羅拉公司在日本有生產工廠。
從歷史發展上說，日本獲得授權生產半導體元件開始於一九五○年初期，第一個半導體收音機是索尼公司在一九五五年八月生產的，只比美國德州儀器公司在一九五四年十月生產的第一個半導體收音機遲了不到一年。這就是索尼公司的TR55，一共使用了五個鍺結型電晶體和兩個二極體。索尼公司當時的名字是東京通信工業株式會社（Tokyo Tsushin Kogyu）公司，由西方電器公司授權生產電晶體。
索尼公司是一個新的半導體公司，也是一個成功的公司，不過，這種新公司在日本是一個例外。到了一九五六年七月，已經有五家日本公司獲得授權生產半導體。由真空管到電晶體的轉換也很快，一九五八年生產的五百萬個收音機，超過一半是電晶體的，到了一九五九年，生產了一千萬個收音機，有八百萬個是電晶體的。
對於美國在半導體方面的領先地位，日本半導體公司第一個挑戰行動就是在五○年代末期，日本推出的消費電子產品。一九五九年日本半導體業獲得了美國可攜式收音機百分之五十的市場。對於日本半導體的入侵，美國半導體公司的反應就是在海外設立裝配工廠，第一個海外工廠是由快捷公司一九六三年在香港成立的。到了一九七四年，美國在遠東已有五十六家這樣的工廠。有人統計在一九七二年，美國海外工廠員工的人數是八千九百人，而美國公司在國內的員工人數只有八千五百人。
一九六○年代初期，日本的電晶體大部分是用鍺做的，由於日本當時沒有什麼國防工業，因此日本也就沒有理由要進入矽元件市場。當時美國生產的鍺元件與矽元件的數量約為二比一。但是到了一九六○年代末期，美國的情況完全變了，一九六○年代初，矽元件價格大幅下降，到了一九六五年，矽分立元件的單價已經幾乎與鍺元件相同。日本在鍺元件方面的領先地位因而受到影響，與美國相比之下居於不利的地位。另外一項對日本不利的發展就是，美國從一九六○年初期以後，電腦工業與半導體工業相互依賴的關係就建立起來了，而且這是一個長期的現象。
到了一九七八年，美國百分之五十六的半導體都是用在電腦和電子資訊處理方面，消費電子只佔整個市場消費價值的百分之九。而在日本，即使在這麼晚的時候，消費性電子仍然佔了百分之六十三。而且日本工資上升得也很快，比美國設立裝配廠的香港和台灣高出了許多，這對日本半導體業也是不利的。由於數位電腦系統數量方面的成長和複雜程度的加深，電子業也有了相應的變化，那就是從類比線路轉換到數位電路。在元件方面，也由雙極型電晶體轉換到金氧半場效電晶體，從分立元件轉換到了積體電路。
日本的積體電路開始於一九六四年，到了一九六五年，日本電腦業的三大公司，富士通、日立和日本電氣都已經有使用積體電路的電腦，另外五家半導體公司也在發展積體電路。通產省對於發展積體電路，也支援了研究經費。一九六五年左右，通產省訂立了一個長程計畫，要改變日本半導體工業的性質，要由生產大量便宜的元件轉換到生產積體電路。二十年後，日本果然在超大型積體電路方面贏得了領先地位。當時日本電子工業協會的工程師說：「最主要的改變是在研究方面，最重要的目的是要讓日本半導體業能夠獨立於美國的專利之外」[i]。
在一九七○年代，日本半導體公司付給美國的權利金約佔銷售額的百分之十。到了一九七○年後期，美國領先的情形開始改變了，通產省在一九七一年展開了一個發展大規模積體電路（LSI）的計畫，一九七六年又繼續有一個發展超大型積體電路（VLSI）的計畫，計畫的經費數量相當大。有人估計，一九七一年到一九七七年間，日本通產省投資一億美元於大規模積體電路計畫。從一九七六年到一九七九年，則投資一億五千萬美元於超大型積體電路計畫。
一九七八年有人估計，超大型積體電路計畫的投資每年約六千五百萬美元。到了一九七八年，富士通公司開始生產64K的動態隨機存取記憶體，這是當時最為先進的動態隨機存取記憶體，顯示在半導體技術上日本跟美國的已經沒有差距了。到了八○年代後期，日本已經在當時市場上所有的大型記憶元件，像是64K、256K和1M的動態隨機存取記憶體等，都佔有領先的地位。一九八六年二月，美國商務部對於日本半導體產品包括256K和1M的動態隨機存取記憶體課徵高進口稅。一九八八年，日本佔有的美國半導體市場已經到了百分之二十，次年，世界百分之九十的動態隨機存取記憶體市場都已到了日本的手中。
從一九八六年到一九九二年，日本都是世界上最大的半導體生產國。但是，隨著日本泡沫經濟的破滅，日本的半導體工業大受影響，美國又捲土重來，在一九九三年重新奪回世界第一的寶座，並且一直維持到今天。在記憶體晶片方面，美國公司雖然大多數退出了這個記憶體的市場，但是韓國半導體公司卻乘虛而入，到了一九九六年，韓國的三星公司在動態隨機存取記憶體和靜態隨機存取記憶體方面，都已經成為世界最大的廠商，韓國在動態隨機存取記憶體的全球佔有率也已經達到三成以上，對日本半導體業造成嚴重的危脅。
特別是從一九九六年開始，因為產能過剩，造成動態隨機存取記憶體有很長一段時間市場低迷不振，日本的半導體廠商都盡量調整生產策略，降低記憶體晶片的比重，而在記憶體產品中，也集中在高附加價值的產品，以求度過難關。此外，除了日本電氣以外，許多日本半導體公司也關閉了他們在歐美的晶圓廠。
九○年代的末期，日本的半導體業，在邏輯晶片方面要面對美國的競爭，而在記憶體晶片方面又受到韓國和台灣的挑戰，可以說是處在兩面作戰的狀態。不過，日本半導體工業的實力仍然不可小覷，只是競爭者越來越多，這個競爭也越來越激烈罷了。
一方面由於競爭的激烈，一方面也是因為一九九一年之後，日本泡沫經濟的破滅，日本半導體業受到相當大的衝擊。從一九九九年開始，日本半導體業開始大規模的重組。一九九九年，日本電氣和日立的DRAM部門首先合併重組為爾必達公司。到了二○○三年，三菱的DRAM部門也併入了爾必達。爾必達成了日本唯一存留的DRAM廠家。除了DRAM部門以外，日立和三菱其他的半導體事業部門，在二○○三年合併成為瑞薩科技公司。
到了二○一○年，日本電氣剩下的半導體部門也併入了瑞薩。二○○八年，松下電子改名為Panasonic，也收購了三洋電子。同一年，原來做小電子零件起家的羅姆半導體併購了沖電氣。經過這一番大併購大重組，許多原來著名的公司，像是日本電氣就不見了，而日立、三菱等公司也沒有了半導體部門。東芝、富士通、索尼、夏普等公司則仍然維持不變。這個重組的過程，對於日本半導體業者來說，一定是相當痛苦的。
二○○○年以後，日本五家大電子公司，日本電氣、Panasonic（原松下電器）、富士通、夏普、索尼，它們的股票價值已經掉了三分之二[ii]，情形可以說是相當嚴重。二○一一年日本半導體業在全球營收中所占的百分比，幾十年來首度跌到百分之20以下，剩下百分之十八．七[iii]。如果只算積體電路則更低，只剩下百分之十六[iv]。
二○○八年金融海嘯之後，記憶體產品價格屢屢下跌，世界各大DRAM廠商紛紛出現營運困難的消息，二○一二年二月，爾必達向法院申請破產保護。爾必達是世界排名第三，僅次於三星、海力士的DRAM廠商，爾必達經營不善，雖然已經有一段時間，但是正式宣布破產仍然震撼人心。美國的美光公司將併購爾必達。
二○一二年底，三星占全球DRAM市場的百分之四十二，海力士占百分之二十六，爾必達第三占百分之十四，美光占百分之十一，如果美光成功收購爾必達，則將成為能與海力士一較長短的廠商[v]。日本另外一家大半導體公司瑞薩，也在二○一二年七月，因為業績惡化宣布裁員，並且要關閉或轉讓多家工廠。日本半導體業雖然有這些困難，但是二○一二年全球前二十五家半導體公司中，日本仍然有七家，在世界上排名第二，僅次於美國。
除了製作半導體器件的公司以外，日本業者在半導體的設備和材料方面，也仍然擁有雄厚的地位。二○一一年，在世界前十五大半導體設備廠商中，日本擁有六家[vi]。在矽晶圓供應方面，日本的信越化學和住友三菱是世界上排名第一和第二的廠家[vii]。日本的半導體業因而結構完整，甚至比美國還要完整，實力仍然不可小窺。
附註
[i] P. R. Morris, A History of the World Semiconductor Industry, Peter Peregrinus Ltd. 1990. p.103.
[ii]《經濟學人》（Economist），Feb. 18. 2012報導。
[iii] “Japan's aging semiconductor industry revealed by 2011 earthquake”, Solid State Technology, March 20, 2012.
[iv]電子工程專輯，二○一一年韓國IC廠商全球市占率首度超越日本，二○一二年二月二日，根據IC Insights的數據。
[v] （1）HIS iSuppli, Micron-Elpida merger will exert considerable impact on DRAM industry, May 6, 2013.（2）國家實驗研究院，科技產業資訊室，美光收購爾必達成為全球第二大DRAM廠，二○一二年七月九日報導。
[vi] “2011 Top semiconductor equipment suppliers”, VLSI Research press release, March 13, 2012，基於VLSI Research公司數據。
[vii] 矽晶圓市占率資料來自Sage Concepts公司的報告，“Silicon wafer supply executive summary”, pp.1-5，市占率是二○一○年的數據。
書籍介紹
本文摘錄自《半導體的故事：發展與現況（新版）》，暖暖書屋出版
作者：李雅明
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在台灣，半導體業已經快速成長為主要的支柱工業。台灣要成為科技島，發展半導體工業將是一條不可避免的路。作者在半導體方面工作多年，曾經在美國的半導體工業界服務，也曾在美國和國內的大學任教，深深瞭解到半導體對今天社會的重要性。學習半導體光只是唸課本是不夠的，必須要瞭解到它發展的來龍去脈，才能知道半導體這門科學的源由和它發展的原動力，對於將來在半導體方面更上層樓非常必要。
本書從歷史的角度，詳述半導體如何成為二十世紀改變世界面貌的重要新科技。從半導體是如何發現的，再介紹量子力學和固態物理發展的經過，然後論及電晶體和積體電路發展的情況，最後介紹世界各國的半導體工業，以及半導體業未來的前景。
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