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與晶片、AI、自動化有關的幾個關鍵字

潘美玲(國立陽明交通大學人文社會學系教授兼系主任)


人類社會的工業化,一般是從1770年代瓦特改良的蒸汽機問世,進入了第一次的工業革命,開啟了機械生產補充人力的時代,第二次工業革命是在19世紀初到20世紀末,因為電力的普及以及工廠流水產線(assembly line)開始大量生產所引發的,而在1960年代電腦問世開啟資訊網際網絡的第三次工業革命,到了2022年的今天「晶片、AI、自動化」,則是第四次工業革命到來的重要特徵。


人類花了千年以上的時間才進入機器生產的時代,但卻在100年的時間就歷經三次的工業革命。在1960年代之後出生的人,目睹資訊科技的誕生與發展,很多人曾經在求學階段將紙板卡片打孔輸入電腦程式和資料,當時需要佔有一大棟建築物空間的運算工具所能完成的任務,現在則是個人手持的行動裝置。此時自駕車已經不是科幻影片中的特效,而電影《阿凡達》所打造的虛擬分身互動的世界,正是接下來「元宇宙」所實現的樣態,美國麻省理工學院的教授Erik Brynjolfsson和Andrew McAfee(2014)指出當今科技發展進入到「第二次機器時代」,通過發展自動化和生產「前所未有的事物」,數位技術的影響力將得到全面發揮,第四次工業革命不僅改變我們的世界, 也改變了我們是誰!」(Schwab 2017)。


第一個重要的關鍵字:摩爾定律

1947年在美國的貝爾實驗室的科學家發明接觸式電晶體,開啟了半導體時代,主要的材料是矽,由矽晶體所製成的晶圓作為電子元件的技術平面(Plane),在上面將複雜的電路透過照相方式縮小的方式,製作在晶圓上,就是Integrated Circuit(積體電路),也稱為是IC,每個IC在一個晶片上,IC製成的技術是以所能製作的最小寬度稱呼,IC的體積越小,固定尺寸晶圓上的IC數量就越高,價格就越低,因此晶圓越大,IC製程越先進,經濟效益就會越高。


Gordon Moore (圖:Wikimedia Commons)

Gordon Moore 是Intel的創辦人之一,他就在1965年的論文中觀察到,積體電路的運算能力將每年以倍數的方式成長,所謂的摩爾定律,就是以「最低零件成本達到的複雜度」,同樣的一塊錢所能買到的積體電路運算能力,隔了一年就變成兩倍,再過一年就變成前一年的兩倍,如此下去,到了第十年就是二的九次方,也就是512倍。四十多年下來,摩爾定律經過修正,以18個月做為電腦運算能力倍增的週期,也成為當前描述數位科技發展的定律。用一個簡單的例子,只要比較個人使用的行動碟,同樣的價格,早先買到的1G的容量,一年半之後,就可以買到2G的容量,到了第三年,就是4G的容量。摩爾定律原先只有預測10年的成長,但40年之後,這個成長趨勢依然存在。這種指數式的科技成長伴隨成本的下降,造就了數位科技普遍化的可能。


然而這個科技的研發動力,是如何可能的?


第二組關鍵字 網絡式組織的產業聚落:矽谷、東方矽谷

美國加州的Santa Clara Valley 在1970年代被封上「矽谷」的名號,就是因為「矽」是半導體的主要成分,在矽谷的廠商正是推動半導體產業技術創新的重要角色。學者AnnaLee Saxeniean在1996年出版的Regional Advantage: Culture and Competition in Silicon Valley and Route 128,將美國麻州波士頓的一二八公路和加州矽谷進行比較,從地理區位、企業組織、技術創新的角度說明產業群聚如何形塑出有利技術創新的文化,而達到摩爾定律的指數式的科技成長。


直到1970年代,一二八公路地區電腦生產領域具有領導地位,卻在1980年代被矽谷取代,這兩個地區同樣都是以電子資訊產業科技創新能力集中的區域,也各自有研究大學的研發創新引擎和創投公司的資金挹注,都在當時被視為是科技發展成功的模式。Saxeniean分析兩地消長的原因,在於產業組織文化的差異。一二八公路地區主要是以大企業為主的科技重鎮,是電腦的生產中心。當時主要採取傳統科層的垂直整合組織形態,個別公司形成一個個封閉的疆界,業者彼此之間相互視為競爭的對手,人員鮮少進行跨公司間的接觸,跳槽流動被視為是不忠的表現,也不鼓勵自我創業的文化,即使同處在一個產業聚落所在,在面對技術快速變遷的環境下,終因缺乏足夠的彈性調整而逐漸沒落。


矽谷稠密的流通網絡和高比例的科技創新發展出與一二八公路截然不同的區域文化。Fairchild 半導體公司在加州成立之後,創造出多家的衍生公司,人員流動構成技術能力和專業技術的擴散,區域的優勢來自於人員的流動和網絡的構築,矽谷並沒有侷限在單一公司內部,而是專業分工的企業網絡為基礎的彈性生產體系,加上大學和創投公司之間相互參與技術開發及轉移,流動而開放的勞動力市場鼓勵積極創業,呈現公司內部與外部資訊的流動連結的區域風格,網絡式的企業組織超越了廠商封閉的界線,而構造了一個有利於技術創新及擴散的科技體制。


兩個科技區域的差異呈現在新成立公司的比例,以及將新產品及時推到市場的速度與能力。矽谷的創新企業比例逐漸增加,專業分工深化,成為彼此競爭也相互合作的區位特性,成就科技創新能力和效率,成為科技產業的空間典範。臺灣1980年設立新竹科學園區,即是以利用新竹地區已有科學和工程科技運用專長的清華和交通大學的研究人力和資源,成立包括工研院、經濟部聯合工業研究所公立的研究機構,並透過工研院成立衍生公司,由政府機構來培育高科技的新創公司,運用財政政策予以廠商租稅減免等其他的優惠條件,而造就臺灣第一個高科技產業的科學園區。根據社會學者陳東升《積體網路》(2003)書中,針對台灣積體電路產業組織的研究指出,新竹科學園區能夠成為「東方的矽谷」,不只是地理上的產業群聚,也同加州矽谷一般地存在科技社群網絡的多重連結,透過個別廠商組織間的合作構作網絡關係,以及科技人員之間透過流動以和互動的技術擴散網絡,加上新竹-矽谷的跨區科技網絡,維持與先進技術的接受管道,形成有助於技術學習與擴散的社會制度環境。


新竹科學園區圖(2022/02/08)。(圖:竹科管理局)

那麼,持續的降低成本又是如何做的到?


第三組關鍵字:全球分工、晶圓代工

一個IC晶片的製程,包含設計、晶圓製造、封裝、測試。在60年代,一個IC晶片只有10多個電子元件,現在則已經在一平方公分的矽晶體上面製作甚至到上億的晶體。矽晶圓面積越來越大從早先的3吋,進化到12吋,但製程技術讓元件從微米、次微米進入到奈米等級。除了製程技術的持續進步之外,半導體生產的全球化則是降低生產成本的重要策略,而讓IC晶片的應用更加普及。


最早的晶片使用主要是電腦資訊產品,1970到80年代中期美國半導體產業居於領先的地位,到了1980年代末期,雖被日本廠商超越,但到1990年代則是知名的電腦中央處理器(CPU)晶片廠商Intel獨占鼇頭(Dicken 2003: 421)。當時美國、日本的半導體廠商基本上都採取垂直分工的生產方式,IC晶片從設計、晶圓製造、到封裝測試,都在同一家公司所屬的工廠完成,屬於「整合元件廠」,成品通常都是提供自家電腦資訊產品使用,例如當時的IBM電腦公司,或者是專門生產商用的晶片廠商,賣給需要的消費者。 1960年代中期開始,美國的半導體廠商為了降低生產成本,增加市場競爭力,開始採取層級化的全球分工網絡的策略,將IC晶片技術密集的設計和晶圓製造的部分留在美國,而將勞力密集的封裝、測試等步驟,移到提供便宜勞動力的發展中國家地區生產,除了美墨邊境的工業區之外,亞洲的香港、韓國、台灣、印尼、新加坡等地,都是美國半導體廠商投資設廠的所在(Dicken 2003)。早在新竹科學園區創立之前,台灣在1964年就被納入到這個全球生產網絡當中,美商當時是到加工出口區投資設廠,此時台灣只是提供廉價勞動力的地區之一。


1980年代在台灣新竹科學園區成立的台灣半導體公司,並沒有採取與美國、日本半導體公司同樣的模式,不是一個個公司內部垂直整合生產IC晶片的方式,而是以其中個別的製程成立一家公司,再透過公司之間的水平分工,完成所有的工序。1987年成立的台灣積體電路(TSMC)就選擇了晶圓代工(Foundry)的商業模式。晶圓代工是沒有自己的產品,而是按照客戶的要求將產品作出來,獲利來自於製程的研發。服務的對象包括原先自己生產晶片的半導體廠商,許多半導體廠商雖然自家工廠生產晶片,但產能有限,不足的部分就會交給晶圓代工生產。而在1990年代大量興起的design house,本身就沒有晶圓廠,或被稱為「無晶圓廠」(fabless),晶圓代工正好提供了專業的服務。


Foundry是半導體製程的一個環節,但直到台積電成立之後才真正將晶圓部分獨立出來。全球半導體產業的全球生產網絡,從傳統的國際分工,朝向專業分工的全球商品鏈。隨著整個IC產品的整合程度要求越高,相對也提高製程技術的要求,透過製程的專業化,提升了IC晶片的生產的效率與良率。台積電是第一個專業晶圓代工的公司,所累積的製程技術以及經驗構成了企業的核心能力,隨著晶圓越做越大,IC晶片製程越來越小,設備更新的週期只有2-3年,晶圓廠必須不斷地投資更新設備,使得晶圓製造本身需要大量的資金,以及持續的製程技術創新,許多晶圓製造的廠商也無法繼續負擔動輒數十億美金的建廠投資。但問題不止於資金,也不只是有設備就作得出來的,相同的設備不同的流程可能造成不同的結果,台積電所累積的經驗,以及所培養出來的人才,也構成其他廠商進入這個市場競爭所面對的門檻。將晶圓製造的部分交給專業廠商,才是最具成本效益的作法。於是台灣晶圓代工廠的地位,已經成為半導體產業全球生產鏈當中,完全不可或缺的關鍵角色。


第四組關鍵字:矽屏障、台積電

資深評論家Craig Addison在2001年以「矽屏障」(Silicon Shield)的概念點出台灣的資訊科技產業在世界經濟當中的地位,他當時已經看出全世界仰賴台積電情況,對於台灣的國際地位提升,有直接的關係。若台灣的晶圓製造廠商發生問題,或者無法供貨,將危急全球的供應鏈,其影響的層面將是災難性的。因此當台灣是全球最重要的晶圓製造中心時,就成為台灣的優勢,也是最佳的防護罩,如其書名所示:《矽屏障─臺灣最堅實的國防》。


值得一提的是,在公元2000年台灣資訊科技電腦其周邊廠商紛紛西進中國之際,台灣的台積電和聯電也有到中國大陸投資設立八吋晶圓廠的打算。當時12吋晶圓的技術還在發展中,台灣社會對於政府是否應該開放八吋晶圓西進的政策,有相當大的疑慮,擔心群聚效應的西移,除了帶走台灣的工作機會造成失業問題,更導致台灣的關鍵技術流失,而危及「國家安全」。政府採取公開辯論的方式,讓社會共同討論這個議題,正方是半導體廠商的代表,以市場和經濟為由,反方是民間的經濟學者與科技專家,則從關鍵技術與國家安全為論點。最後台積電選擇延緩西進,直到2004年才以獨資的方式,將舊廠的八吋廠設備移到上海松江。


《矽屏障》這本書出版20年之後,台積電的重要性更顯著,甚至佔有高階晶片九成以上的市場,晶片的運用更加廣泛以及Covid-19疫情的關係,更出現了因為供不應求,導致汽車廠商的產線被迫停工的情況。為了因應市場的需求,台積電往中南部設置新廠,台積電和台灣已經成為國際政經地圖上無法忽視的存在,任何威脅台積電生產或台灣安全的因素,等於晶片供應生產鏈中斷的風險。許多國家積極加強與台灣外交關係,希望爭取到台積電到當地設廠,藉以分散對台灣的依賴。半導體產業的全球化,從1960年代起利用全球分工製造,取得廉價的勞動力,1990年代之後,晶圓代工興起,至今則變成世界各國複製台積電的模式。這樣的發展是否因此改變了全球生產鏈的結構,牽涉到各國是否能複製台積電。但確定的是,「矽屏障」依然還是台灣一道堅實的國家安全防線。

矽屏障:台積電近年來被網友稱為台灣的「護國神山」。(圖:Wikimedia Commons)

晶片、AI、自動化可以從不同的角度提供關鍵字和敘事,例如從科技的發展,晶圓的大小,製程技術的進化、材料科技的組合等,儘管如此,還是得觸及到晶片的生產過程,牽涉到組織、網絡、全球分工等面向,因此就會是政治經濟,也是社會的。



引用書目

Addison, Craig 原著,金碧中譯,2001,《矽屏障:台灣最堅實的國防》(Silicon Shield: How Taiwan’s High-Tech Industry Will Protect the Island from a Military Attack by China),台北:商智文化。

Brynjolfsson, Erik, Andrew McAFee 原著、齊若蘭中譯,2014, 《第二次機器時代:智慧科 技如何改變人類的工作、經濟與未來?》(The Second Machine Age: Work, Progress, and Prosperity in a Time of Brilliant Technology),台北:遠見天下文化。

陳東升,2003,《積體網路:臺灣高科技產業的社會學分析》,台北:群學出版社。

AnnaLee Saxenian, 1996, Regional Advantage: Culture and Competition in Silicon Valley and Route 128. Cambridge: Harvard University Press.

Dicken, Perter, 2003, Global Shift: Reshaping the Global Economic Map in the 21th Century. New York: The Guilford Press.

Schwab, Klaus, 2017, The Fourth Industrial Revolution, London: Penguin Group UK.



潘美玲

國立陽明交通大學人文社會學系教授兼系主任。美國杜克大學社會學博士。專長領域為經濟社會學、發展社會學,跨國遷移。長期關注產業全球化與全球制度的關聯與社會後果,近年進行跨國移民、難民、無國籍者的求生策略研究。Covid-19疫情爆發以來,關注全球供應鍊的斷裂、轉移與重組的議題,包括PPE產業鍊,以及台灣半導體產業。編有《客家與族群研究的技藝》(與張維安、許維德合編,國立陽明交通大學出版社,2021);《巷仔口社會學3:如果贏者全拿,我們還剩下什麼?》(與王宏仁合編,大家出版社,2019);《台灣的後基因體時代:新科技的典範轉移與挑戰》(與蔡友月、陳宗文合編,國立交通大學出版社,2019);《跨界跨代的台灣研究:北美台灣研究學會(NATSA)二十年》(與林繼文、張隆志、楊孟軒合編,巨流圖書,2016)。


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