最近，我們經常聽到有關系統整合晶片（ SoC，System on Chip )這個名詞，可是，大家對 SoC 的觀念並不是很清楚， 對於這個新觀念所帶來的趨勢，以及所可能產生的影響也不是很了解，我想藉著（今周刊）這個專欄， 把 SoC 的定義，以及未來對晶圓製造及 IC 設計等的影響，做一個比較完整的說明。
隨著製程的進步， IC 的密集度不斷增加，能夠整合到一顆 IC 之內的東西也愈來愈多。 大體來說， 由 IC 到大型積體電路（ LSI )、 非常大型積體電路（VLSI )甚至超大型積體電路（ ULSI )等，從基爾比（ Kilby )發明 IC 至今不到四十年，IC 密集度的成長何止千萬倍。
整合晶片是將許多系統上的功能，全部整合並設計到一顆 IC 內或一粒晶片上，這與把更多的電晶體整合進一顆 IC， 功能跟著不斷提升的觀念，基本上是一脈相傳的。因此，未來一顆晶片，很可能就是過去一個系統具體而微的表現，如果要尋出意義的精隨，SoC 與過去大家熟知的 IC 很相近，也可以說是 IC、LSI、VLSI、ULSI 後的一個新層面。（註)
然而值得注意的是，製程技術所推升的容量雖不斷擴充，但工程師即使是利用最先進的電腦來設計，設計能力卻仍舊跟不上，也就是說，一顆 IC 上所能設計進去的電晶體就很有限，與製程技術所允許的容量有一段差距，這個時候，只有靠更多的人力來彌補，因此，像英特爾在研發微處理器晶片時，有時候一個計畫就要用到五百人之多，也就是利用更多的人力來拉近這種設計與製程的差距，讓微處理器的功能得以不斷進步。
除了用人力來彌補， 可以重複使用的矽智產元件（ reusable IP )，已成為產業界公認拉近差距的最佳方法， IP 是把已設計好且具有一定功能的電路視為一個標準元件，IC 設計業者不必從頭設計，只要向別人授權取得 IP，就可以組合的方式完成符合自己需求的產品，IP 的觀念，其實也就是 SoC 得以實現的設計基礎，而且，IP 的開發與晶圓代工、IC 設計等專業分工都是一樣的，大家都只需要做自己最專精的部分，不必所有事都要自己來。
另外，在終端產品的生命周期上，時間也是愈來愈縮短，以黑白電視為例，從產品發表到銷售量累積達一百萬台的時間，大約要十八年，後來個人電腦的銷售量從零到一百萬台， 耗費的時間約六年多，至於 DVD 產品更縮短到一年左右，當產品的生命周期愈變愈短，也意味著 IC 設計的產品周期愈來愈短，為了取得更快的市場切入時機，IC 設計業的時間壓力會愈來愈大。
SoC 的發展趨勢，已經對 IC 製造業及設計業造成相當大的衝擊，如何因應這種衝擊，將是這兩個產業領域的從業者，未來能否有所突破的關鍵。在製造業部分，最大的挑戰是如何把不同的晶片整合在一起，這些晶片的製程技術及設計環境都不同，要把這些晶片整合成一顆單晶片，對製造業來說相當困難。
此外，製程技術一定要走向標準化，這是攸關 SoC 發展的重要關鍵。 過去無晶圓廠 IC 設計公司本身沒有晶圓廠，因此製程技術都是晶圓代工業所提供，未來繼續使用晶圓代工業的製程，已經是非常清楚的趨勢，但是對於整合元件製造大廠（ IDM )來說，問題就來了，過去這些 IDM 廠都是使用自己的製程，但是現在開始要面臨新的問題了。
為因應半導體產業周期性的起伏， 對於 IDM 廠的決策人員來說，一般都會將晶圓廠的投資設定在適中的程度，也就是說，當景氣大好時，無法全部自己生產，就把一部分產品交給晶圓代工廠生產，至於景氣不好時，就收回來自己做，如此才可以讓本身的投資效益極大化，因此， 每家 IDM 廠都會到晶圓代工廠下單。過去每一家 IDM 廠在規畫上，也都希望能夠繼續使用自己獨特的製程技術， 但為了利用晶圓代工廠的產能，亦逐漸地將自己的製程改向代工廠的製程。
另外，在 SoC 引領的浪潮下， 這種趨勢將愈來愈明顯，因為晶圓代工所能提供的製程技術愈來愈強，IDM 廠除了核心產品外，已經開始將更多的產品交給晶圓代工業者生產，例如像英特爾除了微處理器不交給別人生產外，已經把快閃記憶體、晶片組交出來，像摩托羅拉也計畫把一半產能移轉出來，交給台積電等多家晶圓代工廠生產， 至於德州儀器除了核心的數位訊號處理器（ DSP )以外，也有很多產品交給外界生產。
近來，日本以思益禧為首的十三家半導體公司，共同成立了一個半導體技術研究中心 STARC （ Semiconductor Technology Academic Research Center )，而其中舉足輕重的思益禧已宣布與台積電的○．一微米（ um )的製程相通，這也
就意味著，未來日本十三家半導體公司的製程技術，將與台積電的製程標準統一， 彼此之間的生產製造可以互相交流共享，這種製程統一的趨勢，將對 SoC 的發展產生最關鍵性的助益。
過去很多人談到 SoC，都認為製程技術的困難，會是 SoC 發展的一大瓶頸， 但事實上，台積電在製程技術的整合上已有重大突破，目前台積電已經能夠幫客戶生產 SoC 晶片（請參見附圖)， 這是一顆以○．二五微米製程技術生產的藍芽晶片， 由一家歐洲客戶委託台積電生產，晶片上面整合了包括 ARM 的微處理器、 快閃記憶體 IP、SRAM 的 IP、混合訊號 IP， 以及由客戶自己設計的射頻（RF ) IP，目前這個產品已進入大量生產階段， 是目前 SoC 產業中相當重大的突破。
對於 IC 設計公司來說，SoC 的趨勢也會帶來很大的挑戰。因為設計 IC 的人，不僅需要懂 IC 設計，還需要有系統的觀念，未來 IC 設計公司不是成為系統公司，就是要和系統緊密結合，同時，未來 IC 設計公司花在 IC 設計的時間會愈來愈短，但是花在規畫系統的時間會愈來愈多。
從另一個角度來看，設計公司過去花很多時間在電路設計上，但未來可能要花很多時間在系統的設計及執行上， 無法因應這種挑戰的公司，就只能淪落為做 IC布局（ layout )的公司。
至於做系統的人，未來也有可能切入 IC 設計的領域，只要把自有的基本 IP 與授權來的 IP 結合，亦可涉足晶片設計的工作，然後再到晶圓代工廠下單，而不必向 ASIC 公司訂購或自公開市場採購 IC，來組裝成系統產品。IC 設計業與系統業的疆界將日趨模糊。
最近有一個最明顯的例子， 英特爾宣布成立 Intel Microelectronics Service（英特爾微電子服務)部門，主要的業務就是幫別家公司做晶片設計，英特爾並說明， 這個部門將接受客戶委託設計 IC，結合英特爾及其他公司的 IP 設計，並將使用到台積電、聯電及特許等公司的晶圓代工產能，這種作法與目前一般為客戶設計特殊應用 IC （ ASIC )的公司沒什麼兩樣， 在概念上也與 SoC 的趨勢完全切合， 連英特爾這種大公司都要放下身段，切入這塊市場，顯示 SoC 的趨勢已經愈來愈明顯，而且到了即將成熟的階段。
註：當製程技術不斷提升時，一個邏輯晶片內可以容納的電晶體愈來愈多，例如在○．一八微米時，一平方公分內可以容納五千萬或六千萬個電晶體，當進展到○．一三微米時，容納量就進展到九千萬個，到了○．○七或○．○五微米時，更可容納高達五、六億甚至十億個電晶體，這種技術不斷精進所推升出來的物理容量，讓 IC 功能得以不斷增長。
（胡正大為台積電副總經理，email 是 ghu@tsmc.com.tw )
