半導體的未來 人人伽利略 特刊2
活動訊息
閱讀漫遊錄-2026上半年暢銷榜
2026年8月金石堂強力推薦
遠流童書展75折起
內容簡介
⚡半導體，將如何改寫我們的未來？💻
Rapidus
東京威力科創
日本產業技術綜合研究所
Sony
味之素
從元件、設備、材料，
一路談到2奈米先進製程；
從AI、手機到汽車，
全面掌握半導體關鍵應用。
台積電、輝達與Rapidus受到關注的原因，
又有何不同？
本書集結日本半導體產研第一線專家，
帶你一次看懂
日本「國家隊」眼中的未來 🔬
◎沒有半導體，現代社會就會停擺
為什麼各國都將半導體視為關鍵戰略產業？因為雖然我們平時可能沒有感覺，但智慧型手機、電腦、家電、汽車、電車與太陽能設備，幾乎都離不開半導體。CPU負責運算，快閃記憶體儲存資料，影像感測器將光轉換成影像，功率半導體則控制電力。
而且，半導體的進化從來不只是單一晶片的升級。從材料、設備、設計、製造到封裝，整條產業鏈都必須同步突破；每一次性能提升，都可能進一步改變AI、交通、能源與通訊，帶動下一波產業革命。
本書從「半導體究竟是什麼？」開始，以清楚圖解說明導體、絕緣體與半導體的差異，以及矽如何變成二極體、電晶體與積體電路。即使不是科技業從業者，也能透過本書看懂科技新聞背後的原理，理解未來產業將往哪裡發展。
◎從一片沙子，到數十億個電晶體
半導體的主要原料矽，大量存在於沙子與岩石中，但用於製造晶片時，純度必須高達99.999999999%以上。
本書完整介紹晶圓製造，以及成膜、微影、蝕刻、摻雜、檢測、切割與封裝等流程。小小一枚晶片，背後其實需要數百甚至數千道精密製程。
透過了解這些流程，我們也能看見半導體產業鏈的輪廓：哪些企業掌握關鍵材料，哪些企業製造精密設備，又有哪些公司負責晶圓製造、封裝與測試。無論是有志投入相關產業的學生與新鮮人，或是希望看懂市場趨勢與企業布局的讀者，理解一枚晶片如何誕生，都是認識半導體產業最重要的起點。
◎AI，為什麼需要GPU？
CPU擅長處理複雜工作，GPU則擁有數千個核心，能同時執行大量運算，正好符合AI類神經網路的需求，因此成為生成式AI快速發展的重要推手。
你使用AI嗎？但你真的了解它如何運作，又能做到什麼嗎？當AI開始改變工作流程與職場分工，真正拉開差距的，可能不只是「會不會使用AI」，而是能否看懂它的能力與限制。
本書將介紹AI晶片、雲端AI與邊緣AI，帶領讀者理解智慧型手機、自動駕駛與機器人背後的半導體技術，以及效能、功耗與成本之間的取捨。當AI逐漸進入工作與生活，理解支撐它運作的技術，正是我們判斷AI能做什麼、不能做什麼，以及如何與它共同工作的第一步。
否則，下一個被AI浪潮淘汰的人，可能就是還沒真正弄懂它的落後者。
◎「味之素」也在製造半導體？看懂產業鏈中的隱形冠軍
半導體產業的競爭，從來不只發生在晶片製造商之間。沒有精密設備與高性能材料，再先進的晶片設計，也無法真正投入生產。
本書特別採訪四家在半導體產業鏈中扮演關鍵角色的日本企業：
‧東京威力科創：提供成膜、微影、蝕刻與洗淨等關鍵製造設備，提前布局數個世代後的半導體技術。
‧Sony：以全球領先的影像感測器，讓相機從「拍得漂亮」進一步走向AI感測與資訊判讀。
‧味之素：以胺基酸研究技術開發半導體絕緣材料ABF，在相關市場取得超過九成市占率。
‧Rapidus：挑戰2奈米製程，肩負日本重返尖端半導體製造領域的期待。
透過第一線訪談，讀者不只能理解半導體如何運作，也能看見材料、設備、製造與封裝如何彼此串連，構成龐大而精密的產業生態系。
◎只要了解半導體，就能看懂AI、能源與國際產業新聞
半導體短缺為什麼會導致汽車無法交車？美國限制先進晶片出口，為什麼會影響全球產業布局？台積電、輝達與Rapidus受到關注的原因，又有何不同？
延續「人人伽利略」清楚易懂的圖解科學風格，本書從電子與電晶體談起，一路介紹CPU、GPU、影像感測器、功率半導體、摩爾定律、3D堆疊、AI晶片與次世代製程。即使沒有理工背景，也能循序漸進掌握半導體的結構與產業發展。
翻開本書，你將發現：小小的晶片，不只是電子產品裡的一個零件，更是推動AI、產業與社會未來的關鍵核心。
Rapidus
東京威力科創
日本產業技術綜合研究所
Sony
味之素
從元件、設備、材料，
一路談到2奈米先進製程；
從AI、手機到汽車，
全面掌握半導體關鍵應用。
台積電、輝達與Rapidus受到關注的原因，
又有何不同？
本書集結日本半導體產研第一線專家，
帶你一次看懂
日本「國家隊」眼中的未來 🔬
◎沒有半導體，現代社會就會停擺
為什麼各國都將半導體視為關鍵戰略產業？因為雖然我們平時可能沒有感覺，但智慧型手機、電腦、家電、汽車、電車與太陽能設備，幾乎都離不開半導體。CPU負責運算，快閃記憶體儲存資料，影像感測器將光轉換成影像，功率半導體則控制電力。
而且，半導體的進化從來不只是單一晶片的升級。從材料、設備、設計、製造到封裝，整條產業鏈都必須同步突破；每一次性能提升，都可能進一步改變AI、交通、能源與通訊，帶動下一波產業革命。
本書從「半導體究竟是什麼？」開始，以清楚圖解說明導體、絕緣體與半導體的差異，以及矽如何變成二極體、電晶體與積體電路。即使不是科技業從業者，也能透過本書看懂科技新聞背後的原理，理解未來產業將往哪裡發展。
◎從一片沙子，到數十億個電晶體
半導體的主要原料矽，大量存在於沙子與岩石中，但用於製造晶片時，純度必須高達99.999999999%以上。
本書完整介紹晶圓製造，以及成膜、微影、蝕刻、摻雜、檢測、切割與封裝等流程。小小一枚晶片，背後其實需要數百甚至數千道精密製程。
透過了解這些流程，我們也能看見半導體產業鏈的輪廓：哪些企業掌握關鍵材料，哪些企業製造精密設備，又有哪些公司負責晶圓製造、封裝與測試。無論是有志投入相關產業的學生與新鮮人，或是希望看懂市場趨勢與企業布局的讀者，理解一枚晶片如何誕生，都是認識半導體產業最重要的起點。
◎AI，為什麼需要GPU？
CPU擅長處理複雜工作，GPU則擁有數千個核心，能同時執行大量運算，正好符合AI類神經網路的需求，因此成為生成式AI快速發展的重要推手。
你使用AI嗎？但你真的了解它如何運作，又能做到什麼嗎？當AI開始改變工作流程與職場分工，真正拉開差距的，可能不只是「會不會使用AI」，而是能否看懂它的能力與限制。
本書將介紹AI晶片、雲端AI與邊緣AI，帶領讀者理解智慧型手機、自動駕駛與機器人背後的半導體技術，以及效能、功耗與成本之間的取捨。當AI逐漸進入工作與生活，理解支撐它運作的技術，正是我們判斷AI能做什麼、不能做什麼，以及如何與它共同工作的第一步。
否則，下一個被AI浪潮淘汰的人，可能就是還沒真正弄懂它的落後者。
◎「味之素」也在製造半導體？看懂產業鏈中的隱形冠軍
半導體產業的競爭，從來不只發生在晶片製造商之間。沒有精密設備與高性能材料，再先進的晶片設計，也無法真正投入生產。
本書特別採訪四家在半導體產業鏈中扮演關鍵角色的日本企業：
‧東京威力科創：提供成膜、微影、蝕刻與洗淨等關鍵製造設備，提前布局數個世代後的半導體技術。
‧Sony：以全球領先的影像感測器，讓相機從「拍得漂亮」進一步走向AI感測與資訊判讀。
‧味之素：以胺基酸研究技術開發半導體絕緣材料ABF，在相關市場取得超過九成市占率。
‧Rapidus：挑戰2奈米製程，肩負日本重返尖端半導體製造領域的期待。
透過第一線訪談，讀者不只能理解半導體如何運作，也能看見材料、設備、製造與封裝如何彼此串連，構成龐大而精密的產業生態系。
◎只要了解半導體，就能看懂AI、能源與國際產業新聞
半導體短缺為什麼會導致汽車無法交車？美國限制先進晶片出口，為什麼會影響全球產業布局？台積電、輝達與Rapidus受到關注的原因，又有何不同？
延續「人人伽利略」清楚易懂的圖解科學風格，本書從電子與電晶體談起，一路介紹CPU、GPU、影像感測器、功率半導體、摩爾定律、3D堆疊、AI晶片與次世代製程。即使沒有理工背景，也能循序漸進掌握半導體的結構與產業發展。
翻開本書，你將發現：小小的晶片，不只是電子產品裡的一個零件，更是推動AI、產業與社會未來的關鍵核心。
目錄
序章
沒有半導體，就沒有現代社會！／半導體的歷史
1. 半導體的結構
半導體究竟是什麼樣的物質？／在矽中摻入雜質，即可改變電阻／半導體的基礎：二極體與電晶體／微小電晶體「MOSFET」的結構／將矽單晶切片，製作成晶圓／製造流程分為「前段製程」與「後段製程」
2. 持續進化的半導體
「CPU」與「GPU」有何不同？／實現淨零碳排放，需要「功率半導體」的進化／將光轉換成電的「影像感測器」／「摩爾定律」至今仍在持續！／推動半導體進化的微縮化技術／電晶體的結構從「鰭狀」演變成「板狀」／垂直堆疊半導體的「小晶片」技術
3. 半導體的未來
半導體正推動著AI的進化／目前正持續開發著「邊緣AI」所使用的半導體／靠著GPU產品快速成長的輝達／以AI專用晶片抑制功耗／挑戰最先進半導體製程的Rapidus
沒有半導體，就沒有現代社會！／半導體的歷史
1. 半導體的結構
半導體究竟是什麼樣的物質？／在矽中摻入雜質，即可改變電阻／半導體的基礎：二極體與電晶體／微小電晶體「MOSFET」的結構／將矽單晶切片，製作成晶圓／製造流程分為「前段製程」與「後段製程」
2. 持續進化的半導體
「CPU」與「GPU」有何不同？／實現淨零碳排放，需要「功率半導體」的進化／將光轉換成電的「影像感測器」／「摩爾定律」至今仍在持續！／推動半導體進化的微縮化技術／電晶體的結構從「鰭狀」演變成「板狀」／垂直堆疊半導體的「小晶片」技術
3. 半導體的未來
半導體正推動著AI的進化／目前正持續開發著「邊緣AI」所使用的半導體／靠著GPU產品快速成長的輝達／以AI專用晶片抑制功耗／挑戰最先進半導體製程的Rapidus
試閱
日本的半導體產業
風光不再的日本半導體產業，能否找到出路？
截至2024年，在CPU和GPU等邏輯半導體領域，能量產10奈米世代以後之先進半導體的企業在全球僅有三家，分別是美國的英特爾、韓國的三星，以及台灣的台積電。到了5奈米和3奈米世代，台積電更以其技術實力壓倒其他公司，在最先進邏輯半導體的製造方面，幾乎獨佔了市場。
1980年代，日本企業曾以記憶體半導體為中心，引領全球半導體市場。然而，由於簽訂了對日本半導體企業不利的美日半導體協議，以及技術革新延遲等因素，日本企業在半導體市場所佔的地位逐漸下滑（下圖），在半導體微縮化的競爭中跟不上腳步，Sony、富士通、瑞薩電子、東芝等企業相繼退出，到了2010年代，隨著Panasonic的退出，日本便再也沒有能夠製造最先進邏輯半導體的企業。
從經濟安全保障的角度來看，在本國製造也相當重要
2022年8月，為了再次於日本製造先進邏輯半導體，相關單位成立了Rapidus株式會社（專訪請見84頁）。台積電等公司預計將於2025年開始量產次世代的邏輯半導體，即2奈米世代的產品。另一方面，Rapidus則表示將於2027年開始量產2奈米世代的先進半導體。
昌原中心主任表示，日本企業要從台積電等頂尖企業手中搶下大量市佔並非易事。但他同時也指出，作為後進者也有其策略。台積電採取的是種類少、大量製造的製造策略，譬如為iPhone生產先進半導體。他認為「作為後起之秀的Rapidus，應該會鎖定那些需求量不如智慧型手機龐大，卻是絕對必要，且擁有一定市場的專用晶片領域。具體來說，就是汽車、機器人、量子電腦等領域的專用晶片。」（昌原中心主任）。
汽車或機器人用的專用晶片，也有助於降低功耗。此外，汽車和機器人也是日本在全球市場上有強大競爭力的領域，由日本企業開發並製造決定其性能的半導體，從經濟安全保障的角度來看也相當重要。
距離日本企業退出先進邏輯半導體製造領域已超過十年。Rapidus將直接挑戰最先進的2奈米世代製造，這在技術上是否可行呢？昌原中心主任說「在日本還有企業製造先進邏輯半導體的時候，日本有一批研究人員作為頂尖跑者活躍於全球，現在他們都聚集到了Rapidus。因此，我個人認為技術方面無需擔心。」
2奈米世代後，製程與材料將會改變
雖然日本在先進邏輯半導體製造方面落後，但在半導體製造設備和材料方面仍維持一定的市佔率（右上圖）。「製造設備與材料的供應商，為了降低不良率並生產高品質的產品，需與半導體製造商進行細膩的調整磨合，這是一項需要踏實改善品質的工作。這正是日本企業一直以來的專長，因此，日本在製造設備與材料上，依然有很高的水準。」（昌原中心主任）。
昌原中心主任表示，在導入GAA-FET的2奈米世代，以及小晶片的製造中，「製程和材料將會與以往截然不同」。他接著說「舉例來說，小晶片的基板上使用了一種名為『ABF』的絕緣材料，這是由味之素公司生產的『味之素積層膜』，全球市佔率超過95%（參考第60頁）。隨著製程與使用材料的巨大變化，新進廠商的機會也隨之出現。」（昌原中心主任）。
以矽以外的元素超越微縮化的極限
預計在2025年時，可量產的最先進半導體會從3奈米世代邁入2奈米世代。目前各廠商正著手研發2奈米之後的產品。
舉例來說，有研究正在開發將GAA-FET的板狀通道厚度縮小至僅1奈米以下的技術。這項技術不使用矽，而是使用鉬等元素，製造出厚度僅有數個原子的薄片，並將其作為通道。這種極薄的薄片被稱為「二維通道」。
昌原中心主任表示「以矽為主要材料的MOSFET已經面臨微縮化的極限，但若使用其他元素，或許能突破目前的微縮化瓶頸。」二維通道是針對6個世代之後的0.2奈米世代而開發的技術，大約會在2040年左右實用化。
目前的半導體晶片，是透過電（電子）訊號在晶片內部的傳遞來進行各種處理運算。未來，一部分的訊號傳輸媒介可能會從原本的電子換成光。將電子換成光的技術稱作「光電整合」（請參考第90頁的Column）。昌原中心主任說「將晶片內的部分訊號傳輸改為光，可望實現戲劇性的低功耗化。NTT提出了『IOWN』構想，並正在推進光電整合的研究。在不久的將來，光在半導體晶片中穿梭的時代將會到來。」
自1947年電晶體發明以來，已過去約80年。隨著半導體的演進，我們的社會發生了巨大的變化。半導體的進化，將會為人類的未來開創出什麼樣的道路呢？
風光不再的日本半導體產業，能否找到出路？
截至2024年，在CPU和GPU等邏輯半導體領域，能量產10奈米世代以後之先進半導體的企業在全球僅有三家，分別是美國的英特爾、韓國的三星，以及台灣的台積電。到了5奈米和3奈米世代，台積電更以其技術實力壓倒其他公司，在最先進邏輯半導體的製造方面，幾乎獨佔了市場。
1980年代，日本企業曾以記憶體半導體為中心，引領全球半導體市場。然而，由於簽訂了對日本半導體企業不利的美日半導體協議，以及技術革新延遲等因素，日本企業在半導體市場所佔的地位逐漸下滑（下圖），在半導體微縮化的競爭中跟不上腳步，Sony、富士通、瑞薩電子、東芝等企業相繼退出，到了2010年代，隨著Panasonic的退出，日本便再也沒有能夠製造最先進邏輯半導體的企業。
從經濟安全保障的角度來看，在本國製造也相當重要
2022年8月，為了再次於日本製造先進邏輯半導體，相關單位成立了Rapidus株式會社（專訪請見84頁）。台積電等公司預計將於2025年開始量產次世代的邏輯半導體，即2奈米世代的產品。另一方面，Rapidus則表示將於2027年開始量產2奈米世代的先進半導體。
昌原中心主任表示，日本企業要從台積電等頂尖企業手中搶下大量市佔並非易事。但他同時也指出，作為後進者也有其策略。台積電採取的是種類少、大量製造的製造策略，譬如為iPhone生產先進半導體。他認為「作為後起之秀的Rapidus，應該會鎖定那些需求量不如智慧型手機龐大，卻是絕對必要，且擁有一定市場的專用晶片領域。具體來說，就是汽車、機器人、量子電腦等領域的專用晶片。」（昌原中心主任）。
汽車或機器人用的專用晶片，也有助於降低功耗。此外，汽車和機器人也是日本在全球市場上有強大競爭力的領域，由日本企業開發並製造決定其性能的半導體，從經濟安全保障的角度來看也相當重要。
距離日本企業退出先進邏輯半導體製造領域已超過十年。Rapidus將直接挑戰最先進的2奈米世代製造，這在技術上是否可行呢？昌原中心主任說「在日本還有企業製造先進邏輯半導體的時候，日本有一批研究人員作為頂尖跑者活躍於全球，現在他們都聚集到了Rapidus。因此，我個人認為技術方面無需擔心。」
2奈米世代後，製程與材料將會改變
雖然日本在先進邏輯半導體製造方面落後，但在半導體製造設備和材料方面仍維持一定的市佔率（右上圖）。「製造設備與材料的供應商，為了降低不良率並生產高品質的產品，需與半導體製造商進行細膩的調整磨合，這是一項需要踏實改善品質的工作。這正是日本企業一直以來的專長，因此，日本在製造設備與材料上，依然有很高的水準。」（昌原中心主任）。
昌原中心主任表示，在導入GAA-FET的2奈米世代，以及小晶片的製造中，「製程和材料將會與以往截然不同」。他接著說「舉例來說，小晶片的基板上使用了一種名為『ABF』的絕緣材料，這是由味之素公司生產的『味之素積層膜』，全球市佔率超過95%（參考第60頁）。隨著製程與使用材料的巨大變化，新進廠商的機會也隨之出現。」（昌原中心主任）。
以矽以外的元素超越微縮化的極限
預計在2025年時，可量產的最先進半導體會從3奈米世代邁入2奈米世代。目前各廠商正著手研發2奈米之後的產品。
舉例來說，有研究正在開發將GAA-FET的板狀通道厚度縮小至僅1奈米以下的技術。這項技術不使用矽，而是使用鉬等元素，製造出厚度僅有數個原子的薄片，並將其作為通道。這種極薄的薄片被稱為「二維通道」。
昌原中心主任表示「以矽為主要材料的MOSFET已經面臨微縮化的極限，但若使用其他元素，或許能突破目前的微縮化瓶頸。」二維通道是針對6個世代之後的0.2奈米世代而開發的技術，大約會在2040年左右實用化。
目前的半導體晶片，是透過電（電子）訊號在晶片內部的傳遞來進行各種處理運算。未來，一部分的訊號傳輸媒介可能會從原本的電子換成光。將電子換成光的技術稱作「光電整合」（請參考第90頁的Column）。昌原中心主任說「將晶片內的部分訊號傳輸改為光，可望實現戲劇性的低功耗化。NTT提出了『IOWN』構想，並正在推進光電整合的研究。在不久的將來，光在半導體晶片中穿梭的時代將會到來。」
自1947年電晶體發明以來，已過去約80年。隨著半導體的演進，我們的社會發生了巨大的變化。半導體的進化，將會為人類的未來開創出什麼樣的道路呢？
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