ㄧ、半導體產業概況
以半導體技術為核心的電子產品，推動智慧製造、工業4.0及節能技術發展，並促進人工智慧（AI）與5G/6G資通訊技術的應用，進而提升產品品質、優化供應鏈管理，並加速自主系統創新。美國半導體產業在全球市佔率約為50%。在《晶片與科學法案》（CHIPS and Science Act）的推動下，加上汽車與航太需求增加、能源效率提升及政府投資等三大驅動因素，成為推動美國半導體產業成長的重要推動力。

二、關鍵半導體科技
關鍵半導體技術聚焦於三大新興議題：(1) 先進材料與製程：以碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN）等可承受高電壓且散熱性能優異的寬能隙半導體（Wide-Bandgap, WBG）先進材料為基礎，並透過3D積體電路（3D-ICs）製程，達成晶片體積最小化與功能最大化；(2) 晶片架構與設計創新：相較於傳統架構，量子晶片能處理指數級複雜度的運算，AI/ML加速器架構則促進產業製造過程更加智慧與靈活，同時，仿人腦設計的神經晶片與量子晶片等創新技術，亦驅動產品設計與流程革新；(3) 尺寸微型化與擴展性：次五奈米（sub-5 nm）節點技術使晶片功能更強大、耗能更低，進而降低成本並實踐環境永續目標。

前述三大議題涵蓋五項關鍵技術領域，以下分別介紹：
(一) 寬能隙半導體(WBG)
寬能隙半導體（WBG）是指具有較大能量躍遷間隙的材料，可降低高電壓條件下的電子擊穿風險，並減少高溫環境中的逸散效應，進而有效降低能源損失。此類技術主要以碳化矽（Silicon Carbide, SiC）或氮化鎵（Gallium Nitride, GaN）材料取代傳統矽（Silicon, Si）材料，其中SiC適用於高電壓應用，可實現卓越的能源效率；而GaN則適用於高密度電源轉換器（power converters），能處理高功率負載。

應用領域包含：工業變頻馬達（variable-speed motor）驅動、節能資料中心高性能電源、高效能高壓直流（High-Voltage Direct Current, HVDC）輸電系統、高效率逆變器（inverter）、以及電動車充電與馬達驅動系統等。

產業動態:
(1) 半導體元件廠Nexperia與汽車零件商KOSTAL合作，開發適用於電動車（EV）充電系統的SiC材質金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET），並採用頂部冷卻的QDPAK（Quad Flat No-Lead Package）封裝技術，以滿足高功率散熱需求，使充電系統體積更小、效率與穩定性更高。
(2) 空中巴士（Airbus）與意法半導體（STMicroelectronics）合作，運用WBG材料的高效率與輕量化優勢，共同研發適用於混合動力飛機及全電動短程城際航空交通工具的關鍵電力技術，以實現減碳與永續經營目標。
(3) 全球首家量產GaN功率半導體的廠商納微半導體（Navitas Semiconductor），開發出相較於傳統矽材產品充電速度提升三倍的GaN充電元件（或在體積重量不變情況下提升三倍功率輸出）。近期，該公司更結合SiC與GaN技術，推出全球首款8.5千瓦、能源效率達98%的AI資料中心電源供應器，滿足新一代AI與大規模資料運算需求。

(二)先進3D積體電路封裝(3D-ICs)
透過垂直堆疊多個晶片，先進3D積體電路封裝（3D-ICs）能大幅提升運算效能，同時縮小晶片體積並降低生產成本。無論是採用晶圓對晶圓（Wafer-on-Wafer）或晶片對晶圓（Chip-on-Wafer）堆疊方式，再結合矽穿孔（Through-Silicon Via, TSV）技術以實現晶片層間導通，皆能有效支援100Gbps的超高速互連，滿足人工智慧（AI）與高效能運算（High Performance Computing, HPC）對記憶體頻寬的需求。特別是當高頻寬記憶體（High Bandwidth Memory, HBM）與3D-ICs技術整合時，可大幅縮短互連距離，減少訊號延遲，進而提升資料傳輸效率。

目前業界各種封裝技術彼此互補：系統級封裝（SiP）將多功能元件整合於單一封裝中；扇出型晶圓級封裝（FO-WLP）提供更多輸出入（I/O）連接；而小晶片技術（Chiplet）則將大面積晶片分解為多個小晶粒，透過2.5D或3D設計進行整合，實現體積更小、能耗更低且效能更高的產品。

產業動態：
(1) 台積電（TSMC）公開3Dblox 2.0設計框架，統一3D晶片的設計規則與工具，促進設計效率、提升工具相容性，並降低技術門檻；同時藉由開放創新平台（OIP）及3DFabric聯盟，整合記憶體、基板、測試與封裝技術，建立完整的3D-ICs生態系統，加速技術發展。
(2) 三星電子推動下一代GAA（）3D架構，以取代前一代FinFET架構，目標實現3奈米以下節點製程，並與晶片設計公司（EDA）及多家專業封裝與測試廠（OSAT）合作，共同發展3D-IC生態鏈。
(3) EDA廠商西門子（Siemens）與三星合作3D-IC設計工具及最佳化平台，開發出多晶片封裝設計新功能，並取得多項IC設計與驗證認證；同時推出Innovator3D IC與Calibre 3DThermal等創新產品，支援3D IC設計與熱分析需求。

(三) 晶片架構:「AI/ML 加速器技術」
單靠CPU來處理AI運算的效率不佳、耗能較大、應用場景也受限，因此需要使用圖形加速器(GPUs)、張量加速器(TPUs)、現場可程式化門陣列(FPGAs)、特製積體電路(ASICs)等等加速器來專門處理AI/ML運算。這些加速器適用於大型資料庫(雲端服務機房)、邊緣設備(使用者手機電腦)。可應用於智慧工廠、即時品管、預防性維修、供應鏈管理、能源管理等領域。

產業動態：
(1) 相較於傳統晶片級AI處理器，新創AI公司Cerebras Systems開發了不經切割的晶圓級引擎（Wafer-Scale Engine, WSE），成為史上最大單一尺寸晶片。WSE能提供遠超GPU的運算速度、算力、記憶體與頻寬，並顯著降低訊號延遲，擁有傳統架構無法比擬的擴展性。
(2) 西門子（Siemens）旗下雲端平台MindSphere透過蒐集生產資料，結合GPU與FPGA加速AI運算，協助智慧工廠執行預防性維護，進而減少停機時間並降低維護成本。
(3) BMW採用高解析度相機對汽車零件進行檢測，並利用GPU辨識刮痕、裂縫與錯位等瑕疵，有效減少傳統品檢中的人為失誤，提升品管效率與可靠度。

(四)設計創新:「神經型態及量子運算晶片」
神經型態晶片（Neuromorphic Chip）是以人腦運作機制為靈感所開發的晶片，利用各種電子元件模擬神經元（Neuron）功能。相較於傳統晶片以連續性運算模式處理資料，神經型態晶片則採用脈衝式機制，即在元件內部累積訊號達到設定閾值後，才會觸發一個電脈衝以啟動下一個運作步驟。此特性使晶片僅在必要時啟動運算，不僅大幅降低能耗，還能如人腦一般同步處理多重任務，並透過調整「突觸」（Synapse）連接強度，實現自我學習功能。

量子晶片（Quantum Chip）則基於量子力學原理研發，相較於傳統晶片使用的位元（Bit）僅能表示0或1兩種狀態，量子位元（Qubits）可同時處於0與1的量子疊加態（Quantum Superposition），賦予其極大的運算潛能。量子晶片能快速處理並優化傳統晶片難以解決的複雜問題，例如模擬原子與分子的結構行為，為材料科學帶來革命性突破。

綜合以上技術，神經型態晶片可提升製造業中的視覺監控與預警能力，使機器人作業更加智慧化；而量子運算則有助於供應鏈最佳化預測、製程改善與新材料開發，並能模擬複雜生產條件，進一步提升整體生產效率。

產業動態：
(1) 英特爾推出的神經型態晶片Loihi應用於無人機控制、機器人手臂操作、列車排程最佳化、資料庫搜尋及氣味識別等領域。其升級版Loihi 2更可與實體機器人系統、傳統處理器及創新感測器整合，展現更高運算效能與靈活性。
(2) 洛克希德馬丁將量子運算技術導入航太製造與模擬領域，並加入IBM量子網路，同時採用加拿大D-Wave系統的量子技術，應用於太空船與零組件開發中。
(3) 空中巴士攜手Oxford Ionics整合先進量子電腦技術，並結合Quanscient開發的流體力學模擬演算法，以優化機翼設計及車輛空氣動力學表現。

(五)次5奈米節點技術(Sub-5 nm Nodes)
次5奈米技術（Sub-5 nm Nodes）是指利用奈米材料與極紫外光（Extreme Ultraviolet Lithography, EUV）微影技術，使關鍵特徵尺寸的物理結構（如電晶體閘極長度、通道長度、金屬線寬等）縮小至5奈米以下的製程技術。隨著電晶體密度提高，不僅可強化功能與運算速度，電晶體之間的距離也因而縮短，有效降低能耗，特別適合用於各類先進應用。此技術在物聯網、機器人技術、品質控制、自動化、積層製造與邊緣人工智慧（Edge AI）等領域，均帶來顯著助益。

產業動態：
(1) 西門子（Siemens）推出專為次5奈米節點設計的積體電路測試與分析工具，能提供晶片故障預測功能；此外，其Tessent IC工具亦新增新功能，協助IC設計過程中更有效識別潛藏故障點。
(2) 台積電（TSMC）於2020年順利量產5奈米FinFET製程技術，並於2021年推出效能提升11%、能耗降低22%的N4P製程，已於2022年下半年開始小規模試產，預計5奈米製程產能將於2025年達到滿載。
(3) 三星電子於2019年完成5奈米製程開發，並在2021年推出首款應用5奈米技術的穿戴式處理器。2023年，為半導體設計公司Ambarella生產汽車AI控制器，並預計於2024年量產採用5奈米控制器的PM9E1固態硬碟，以支援AI應用所需的高效能與低功耗需求。

三、成長機會:
半導體未來有三大成長機會(1)以下一代材料(如矽光子)將光子元件與傳統半導體材料結合，以光子傳輸取代傳統電子訊號的「光子晶片」，將擁有更快傳輸、更強運算、更低能耗的優勢；(2)5G雖仍在發展，但6G半導體材料基礎研究工作已經展開，6G的頻譜將落在極高頻率的太赫茲(THz)，牽涉關鍵的矽光子技術、氮化鎵材料開發、THz波段應用的創新領域研究；(3) 3D列印是積層製造（Additive Manufacturing），與傳統半導體製造方式相比可避免材料浪費。半導體結合積層製造與晶片技術，可快速製造原型樣品、加速開發進程、降低成本。在地化生產更可簡化供應鏈並減少碳足跡。