台湾晶片系统设计中心如何推动岛内集成电路产业发展

张起燕

成立背景

芯片（台湾俗称晶片），是最常用的半导体集成电路制造材料。现代电子信息技术，尤其是计算机、通讯和各式消费性电子产品发展的驱动力，均来自于半导体元器件的技术突破。每一代更高性能的集成电路芯片问世，都会驱动其他信息技术向前跃进。建立在小小一片芯片之上的半导体产业，其战略地位可与大工业时代钢铁工业的地位等同，被称作信息时代的基础产业和制高点。

半导体产业始自20世纪50年代，此后技术飞速更新，在全球蓬勃发展。1986年以前，全球1C业的发展重镇几乎全部集中于美国。自1987年以后，半导体产业重心逐渐转移至日本、韩国和中国台湾地区，从而间接地带动了当地经济的飞速发展。

台湾的芯片产业起始于上世纪70年代。当时台湾正处在社会经济转型的关键时期，岛内资源匮乏，科技 基础薄弱，民间企业难以从事自主技术开发和产业升级。时任经济主管部门负责人的孙运璇通过对国际科技发展趋势的考察了解，认为发展电子产业对实现台湾工业现代化能起到重要作用。1973年，他积极推动成立台湾工研院及电子工业研究所，并亲自担任负责人，指导其开展对集成电路芯片制造工艺的研发工作。

最初，台湾通过与美国企业进行合作，投巨资引进集成电路制造技术，在电子研究所内设立示范工厂并开始试制集成电路，同时派出大批工程师去海外培训 学习，终于在1977年制造出了最简单的芯片样品，由此奠定了台湾半导体产业的基础，同时也为社会培养出 许多科技人才。

1980年，台当局建成新竹科学园区，投入大量资金用于园区公共基础设施建设，颁布一系列优惠政策，采取工研院、大学和私人高技术公司“三角合作”的发展模式，并为新成立企业提供创业投资基金，后来又建立了风险基金，吸引民间企业来园区投资设立高科技企业。

当时国际上半导体生产技术和工艺已基本成型，产业内部分工协作和专业化逐渐形成，同时由于个人电脑等下游产品带来的产能扩张，使整个产业的规模逐步扩大。在美日推行全球“纵向分工”战略下，不少国际大型半导体制造企业优先发展利润丰厚的集成电路组件，同时为了减少投资、降低生产力剩余的风险，而将上游制造技术与工艺基本成熟、利润不高的芯片生产、集成电路设计、测试和芯片封装等工序分拆出来进行外包加工，导致这一时期台湾出现了一波半导体产业创业热潮，许多民间企业纷纷涉足该领域，出现一大批如联电、台积电、华邦电子、茂德科技、力晶半导体、世界先进积体电路等半导体生产企业，并形成从上游晶圆制造，到下游电路测试和芯片封装等整个半导体产业链。至20世纪90年代，台湾开始在国际IC市场上占有一席之地，相关的生产企业发展到数百家，几乎每年产值都维持在两位数以上的成长。

不过，这些岛内企业的一个普遍特点是都缺乏自己的专利技术。由于台湾半导体企业大多规模较小，自身无力承担在半导体科技研发，特别是芯片设计方面的技术研发成本，只好通过与外国企业合作的方式，每年花费巨资购买技术专利，或者完全沦为外国企业代工生产，导致许多台湾厂商都背负着沉重的知识产权使用费包袱，同时面临越来越多的国际知识产权纠纷诉讼。

为彻底扭转这种局面，台湾行政部门1992年5月决定设立“国家晶片设计制作中心”，1993年1月正式成立，地点位于新竹科学工业园区展业一路，紧邻“太空计划室”厂房大楼，由科技主管部门负责提供经费支持和日常管理。1997年7月，更名为“国家晶片系统设计中心”（以下简称台湾晶片系统设计中心），其任务为运用官方力量，培育集成电路芯片及系统设计人才，提升集成电路芯片及系统设计技术，强化台湾集成电路芯片及系统设计能力。

该中心的主要具体工作是协助岛内企业建立集成电路芯片及系统设计环境，提供各界集成电路芯片及系统设计雏型品的实验与测试服务，推动集成电路芯片及系统设计的产学研合作研究，并将学术界的研究成果推广至产业界，推动岛内外集成电路芯片及系统设计相关技术的合作与交流。

到2000年，该中心有研究人员35人，平均每年获得台湾科技主管部门经费投入新台币2.29亿元，主要开展芯片及系统设计研发及服务，针对不同的设计需求，分别研发相关技术，并整合成完整的芯片及系统设计研究环境，同时，协调软件厂商，将相关设计软件以免费或优惠价格提供给岛内学术界使用。此外，还协助台积电、联电、茂硅、汉磊公司进行0.35微米CMOS芯片制程研发、原型品制作及测试服务，培训芯片及系统设计人才3000多人次。

2002年，该中心在台湾南部科学工业园区成立南区办公室，以发展与新竹科学园区相关的前瞻研究，建立高科技产业发展聚落。

实施“硅导计划”

进入新世纪后，台当局开始推行名为“两兆双星”的扶植重点产业发展计划，提出建设“绿色硅岛”的目标，积极提升产业竞争力，推动产业结构的转型升级，希望将台湾高科技产业推升至一个新的高度。

为解决长期以来台湾在微电子领域基础研究比较薄弱、原始创新能力不足的问题，台当局在2003年启动由经济主管部门主导的“芯片系统国家型科技计划”。该计划通常也被称为“硅导计划”，即由台湾经济主管部门组织实施的“国家硅半导体芯片研制计划”的简称，其实它只是这项庞大计划的一部分，另一部分为“硅半导体芯片基础建设与产业发展计划”，主要负责整体科技产业提升、人才培训及运用，而“芯片系统国家型科技计划”则负责培养技术和设计人才及新兴产业技术开发。

相对于台积电、联电等晶圆代工大厂的亮丽表现，台湾的IC设计能力成了相对薄弱的一环。由于岛内IC设计厂商缺少芯片系统设计所需要的硅知识产权（Silicon IP）与相关设计软件，同时缺少前瞻性整合实验平台以提升设计效率，只能设计出复杂度低的集成电路，设计速度也不及欧美，从概念提出到产品制造出来，需要与好几家软件、封装、制造等企业个别接洽，耗费资源和开发时程。

有鉴于此，不少岛内厂商对台当局推出“硅导计划”可说企盼已久，因为建设这种前瞻性整合实验平台所需费用相当庞大，绝非一般厂商所能负担得起，该计划可以鼓励研发经费薄弱的IC设计厂商一起投入产业转型。“硅导计划”的召集人交大校长张俊彦说道：“台湾既然可以是第二，当然也可以再进一步成为世界第一。此计划如果推行成功，将成为台湾第二次产业跃升的新契机，把台湾从全球半导体制造中心提升为全球芯片系统设计与软件中心。”

主要由台湾晶片系统设计中心负责牵头承担的“芯片系统国家型科技计划”在2002年4月底正式启动，总共包含227项子计划，选定三大芯片系统产品为主轴，据此发展所需要的硅知识产权与整合电子设计自动化软件，建立台湾自己的芯片实验平台，提供优良的IC设计环境，培养芯片系统设计人员，希望以此开创整体产业的设计优势，并达到产业垂直整合的效果，提高自制率及自给率，打破每年支付庞大权利金给外国半导体垄断企业的困局。

按照计划，在三年时间里将投资76亿元新台币经费，期望带来1万亿元新台币的民间投资，目标是根据产业需求及技术发展趋势，选定重点产品为主轴，据此发展所需要的硅知识产权与整合电子设计自动化软件，建立实验平台，提供优良的IC设计环境，开创整体产业的设计优势，并达到产业垂直整合的效果，至2005年芯片系统设计产业产值达到新台币1万亿元，至2010年时所有关联创新产业如光、电、网、资及通等产品产值将可呈10倍成长，同时可造就电子、电机、电信、电控、化工、材料、物理、化学、机械、土木及生医等20万人就业机会。

该计划的三大主轴是：根据产业的新需要，开发设计平台服务产业，与全世界知名的电子设计自动化软件企业如Synopsys、Cadence、Mentor、Avanti及Agilent等合作开发，建立台湾自己的设计平台，其次植入本地制造资料库并完成试制验证，供全球硅知识产权公司针对不同应用，开发各种硅知识产权；建立全球知识产权中心（IP Mall），创建知识产权贸易服务产业；以台湾设计平台设计开发各种不同应用的硅知识产权，并由岛内晶圆代工公司试制验证；建立整体设计环境，积极筹建设计特区，建立技术推广机制，使岛内及全球客户可运用台湾设计平台从事IC设计，使用台湾硅知识产权完成IC设计，并行销全球。

这些政策和措施确实有力地促进了台湾微电子产业的迅速崛起，2004年岛内半导体行业总产值突破1万亿元新台币，全球排名第四位，成为岛内经济的支柱产业。到2007年，台湾整体IC产业产值（含设计、制造、封装、测试）达到14，667亿元新台币，其中IC设计业产值为3997亿元新台币，制造业为7367亿元新台币，IC封装业为2280亿元新台币，测试业为1023亿元新台币。

从全球微电子制造行业来看，台湾的晶圆代工市场占有率已达到70%以上，其中台积电在全球晶圆代工市场的份额约占45%，第二大芯片代工企业联电在全球的份额约占15%。在DRAM产品方面，台湾的全球市场占有率为22.4%。台湾IC封装和测试业在全行业所占比重也均居世界第一位，其中日月光在全球微电子封装业位居第一，硅品精密居第三。此外，台湾IC设计产业在全球市场占有率居第二位。7家IC设计公司（联发科技、联咏、威盛、凌阳、奇景、硅统及瑞昱）排名进入全球前20大，这些公司的年营业额均超过100亿元新台币。

到2007年底，包括台积电、联电、力晶半导体、茂德科技、华邦电子、南亚科技、华亚科技、世界先进、瑞晶、台塑胜高科技等厂商在内，在台湾岛内已建成17条12英寸晶圆生产线，另外还有6条正在建设中的12英寸生产线，规划中有16条，台湾成为世界上晶圆生产线密度最高的地区，具有全球微电子行业1/3以上的晶圆制造产能。

机构改制，提高效能

2003年1月，台湾晶片系统设计中心仿效工研院，改制为自负盈亏的“财团法人”，就此脱离台湾科技主管部门人员编制，改隶属于“国研院”。

通过多年基础建设，目前该中心可以提供19家世界知名公司的设计验证软件、89类设计软件与元件库、7种芯片与系统设计流程环境，以及多项硅知识产权（IP）资料库，免费提供学校申请使用，并分别针对前段设计、实体设计、快速雏形设计、系统技术设计、嵌入式软件设计等的设计需求，整合设计软件、规划并建立完整的芯片及系统设计流程与环境，藉以提升芯片及系统设计的效率，并且提供设计者在设计时所需的技术支持、培训课程、快速原形验证环境与设计环境的维护等服务，包括设计资料库的整合、设计环境技术资料档的建立、设计软件的使用流程规划与管理、软件安装更新与使用咨询、设计软件与设计流程的培训、快速原形验证设备的提供与技术支持、单芯片系统（SoC）的整合设计环境、软硬件共同设计环境，以及提供设计范例等多项设计技术支持。

目前，该中心设有前瞻技术组、设计服务组、芯片制作组、技术推广组，工作人员有110余人，包括70余名研究人员和20名技术人员，年收入4亿多元新台币。该中心芯片测试实验室拥有数字芯片、混合信号及射频芯片测量系统、安捷伦（Agilent）93000测试系统，以及MEMS测试环境，提供电路板雕刻机、打线机等后段制作服务。正在陆续建立高频参数测量、射频模型萃取、功率及杂讯测量及通讯芯片测量等系统，以提供元件至系统芯片的验证。

为培训芯片及系统设计人才，中心每年利用寒暑假期，对学术界分别开设针对各种不同设计方式的开发培训课程，截至2013年，累计培训学员数量达12万人，仅2013年就开设46门培训课程，开设培训班200余次，培训学员达9620人次，设计软件下载总次数25，125次，以及技术咨询服务2771项。

2013年，该中心提供台湾学术界14种制程芯片实作服务，含0.35微米、0.18微米、90纳米CMOS主流制程，BiCMOS、pHEMT 特殊应用制程，以及可运用于异质系统整合的MEMS、BioMEMS、IPD及高压等制程，协助岛内学术界完成晶片设计1800项。

该中心在新竹与台南两地实验室以技术纯熟的人员配合自动化操作仪器，提供产学研界优质芯片系统测量服务，包括最高达到67GHz的宽频信号测量、高速时域信号源参数测量、高频大信号与小信号元件电路参数测量、高端模拟及混合信号测量等，2013年共完成芯片电路与系统测量服务950多次。

另外，该中心还开发完成领先世界的智慧感测单芯片技术，成功将可感测振动的微机械结构整合于CMOS集成电路芯片中，此技术拥有低成本及微小化等优势，可协助企业开发传感器芯片关键性零组件。