半導體是什麼？奈米製程與摩爾定律有何關聯？一文掌握半導體基礎知識

半導體是驅動現代生活的核心技術，從手機到電動車，半導體無所不在，但這個產業的專業術語常讓人望而卻步。如果想讀懂半導體相關新聞，掌握基礎知識是關鍵！

本文透過 6 個問答，深入淺出地解釋了半導體的基本概念，包括半導體是什麼、矽產業的由來、奈米製程與摩爾定律的關聯，以及台積電與三星晶片的差異，讓你迅速掌握半導體產業的基礎知識，進一步理解新聞背後的意義，成為半導體趨勢的明智觀察者。

Q1：什麼是半導體？它的主要功能是？

導體通常指的是傳導電流的物質，半導體則是「只有一半是導體的物質」，它同時具有「導體」（如金屬）和「絕緣體」（如玻璃）的特性。半導體在加熱、施加電壓或光照之後會變成導體，能傳導電流，在其他條件下則不會導電。因此，我們可以藉由控制它的導電特性，來製作電子元件。

如果將半導體在不導電狀態定義為 0，導電的狀態定義為 1，就能藉由控制電流流通，生成 1 和 0 的數位訊號。電腦、手機的處理器晶片都是依賴數十億個半導體做成的電晶體來運算；記憶體晶片也是基於該特性來存取數據的。LED（發光二極體）晶片也是利用半導體特性將電能轉為光能，用於顯示器和照明設備中。

Q2：為什麼我們常以「矽產業」稱呼半導體產業？

自然界可用於半導體的元素主要是矽（Si）和鍺（Ge），但目前半導體產業中超過一半以上的材料都是以「矽」為基礎。矽的耐熱度高，而且不易變質或失效，矽特別適合用於晶片製作的高溫製程中。再加上，地球上矽的蘊藏量豐富，價格也比鍺便宜，這使得矽成為半導體製造的主要選擇。

然而，以矽作為晶片材料還是有限制，比方說在顯示器的應用上，因為矽的電子移動速度慢，難以提供清晰圖像。因此，科學家開發了像是氧化銦鎵鋅（IGZO）的「化合物半導體」，這種材料功耗更低、傳輸速度更快、圖像顯示效果更好，取代矽成為顯示器領域的重要材料。

Q3：晶圓、晶片、電晶體、積體電路（IC）等名詞很像，是同樣的物件嗎？

這4個名詞是晶片製造過程中常見用語。晶圓（wafer）是半導體材料（通常是矽）製成的薄圓片，而晶片（chip）則是從晶圓上切割出來的單個電子元件。每個晶片上含有許多電晶體（transistor），它是電子設備的基礎構成單位，能夠控制放大或切換電子訊號，實現數據存取、運算的任務。

積體電路（IC，integrated circuit）能將大量電晶體、電容、電阻等元件整合到晶片上。「系統單晶片」（SoC，system on a chip）為常見的應用技術，可將記憶體、處理器等數個不同的晶片，整合至具有完整功能的晶片，封裝成積體電路，以減少設備體積、降低功耗。

Q4：半導體公司常用奈米說明製程進展，奈米是什麼？

奈米（nanometer）是一個長度單位，非常小，1 奈米等於 10 億分之 1 公尺（1 nm = 1×10-9⁻⁹公尺），約為頭髮直徑的 10 萬分之 1。在晶片製程指的是晶片內「閘極長度」（閘極如同自動門，可以開啟讓電子通過產生電流），閘極愈小，製程愈先進，代表電晶體愈小，使得晶片上容納的電晶體數量增加，效能更好。

依據台積電 2024 年第二季法說會報告，他們將 7 奈米以下製程歸類為先進製程，主要用於高階手機、CPU（中央處理器）、GPU（圖形處理器）等。7 奈米以上製程（如 10、14 奈米）則是車用電子或嵌入工業設備的處理器。目前台積電已考慮在台灣規畫 1.4 奈米和 1 奈米廠。台積電能製造這樣微小、良率高的電晶體，正是它在全球半導體產業中占據領先地位的原因之一。

Q5：摩爾定律是什麼？為什麼輝達執行長黃仁勳認為它已經失效？

英特爾（Intel）的共同創辦人高登．摩爾（Gordon Moore）在 1965 年發表「摩爾定律」，他預測隨著製程進步，「在積體電路上容納的電晶體數量，每 24 個月將增加一倍」，後來英特爾調整為「每 18 個月增加一倍」。電晶體愈多代表晶片運算速度愈快，同時晶片製造成本並不會因此提高。

由於一個晶片上搭載的電晶體數量是有限的，摩爾定律總有一天會失效，只不過失效的時間，產學界未達成共識。黃仁勳從 2017 年就宣稱摩爾定律失效，其背後的看法是靠著 GPU 提升運算速度會比摩爾定律更有效。

Q6：台積電代工的晶片跟三星電子的是同一種嗎？

晶片依據用途和製程方式分成「記憶體晶片」和「非記憶體晶片」，記憶體晶片是講究快速讀取和寫入數據；非記憶體晶片用在運算和控制設備，包括：以數據處理為主的邏輯晶片（用在 CPU、GPU）、類比 片（用在電源管理）等。

台積電主要做邏輯晶片，特別是先進製程的半導體代工，其產品用於手機、高效能運算伺服器，是全球最大的晶片代工廠；三星電子是全球最大記憶體晶片製造商，主要做手機、電腦內的 DRAM（動態隨機存取記憶體）和 NAND 快閃（非揮發性記憶體），他們也有做邏輯晶片的代工，在晶片代工的市占排行第二，僅次於台積電。