電動車電池(二):研發競爭與地緣政治
美國能源部公布自2008年至2022年以來,電動車電池的價格下降89%。降價的2個主要原因是因為量產以及電池技術的進步。量產的驅動力來自於電動汽車量的增加,而規模經濟的效果自不待言。技術的進步值得一提,其中研究主軸自然是材料,但範圍包含廣泛的電化學、電極材料、電解液、催化劑、機構、監控等。在這統計的14年中,不僅奈米科技一日千里,容許工程人員對微小物質的操控,而且這段時間也是材料科學成長出新的研發臂膀期間,理論的新手段如第一原理計算(first principles calculation)、機器學習乃至量子運算等,紛紛被應用到電池材料的研發。這些手段在進入實驗之前,可先預測目標材料種類及特徵參數,實驗結果往往也與預測相近,這些開發手段的改變大幅縮短開發時程、降低開發的經費。掌握這些新研發方法,乃電池研發競爭的主軸之一。車用電池發展與注重企業ESG的年代也重疊,因此企業經營必須將整個生態環境計入經營考量,企業再無外部成本可言。鋰離子電池中使用較多的鋰、鎳、鈷等金屬,如果按照目前的使用效率及市場成長估算,目前已知的礦藏量可能在10年後告罄,所以分級使用以及資源回收勢在必行。譬如電動車電池在充電率降至90%之後,經廠商修整再移至再生能源當儲能設備使用,最終進入資源回收的循環。電動車電池一直存在著地緣政治的議題,主要原因是電池是電動汽車的核心,而中國掌握全世界60%電池組製造,高度集中的比例在今日地緣政治的環境下,令人擔憂電動車電池也會被用來做為戰略槓桿工具。筆者有幾個理由,認為這是過慮了。第一個原因是原材料。世界的鋰礦藏大部份在南美洲三國:玻利維亞、阿根廷、以及智利,其次是澳洲。中國有70%的原材料依賴進口,但是中國對於礦藏本身可能擁有部分所有權。如果鋰離子電池一旦升級為戰略物資,各國普遍有政府可以徵用的法令,啟動槓桿戰略的可能,中國自己先反受其害。第二個理由是中國雖然電池組產量佔全世界60%,但是電動車產量亦佔50%以上,而且上升勢頭甚猛,譬如2022的出口輛數就較2021的多1倍。在自己使用供需略近平衡的狀況下—而且電池成本目前佔電動車成本近40%,本身價值不菲—將電動車電池當成戰略槓桿武器使用是不切實際的。一旦供應鏈重組,中國自己受傷害的機率很大。第三是新電池的發展仍然在持續發展之中,鋰離子電池未來是否仍然是主流產品仍在未定之天,這也是各界關注電池產業發展的焦點。近期趨勢是重回鈉離子電池。雖然鈉離子電池因為鈉的原子序較大,其比能量目前處於100~150 Wh/kg,仍然略遜於鋰離子電池的120~180 Wh/kg,但是其原材料價格便宜甚多:碳酸鈉(sodium carbonate)每噸就300美元上下,而碳酸鋰(lithium carbonate)2月價格略低於50萬美元。二者價格有上百倍的差距。鈉離子電池還有其它的功能性優點:可以在較低的溫度工作,也沒有過放電(overdischarge)的問題(鋰電池電力完全用完時負極可能受損);鈉離子電池的導電率也較高,所以比功率、充電速度也較高。另外,鈉離子電池在短路時升溫較鋰離子電池慢,相對較安全。鋰離子電池的負極(anode)通常是石墨(graphite),正極(cathode)常用鈷酸鋰(lithium cobalt oxide);鈉離子電池要複雜得多。負極因鈉離子較大,沒辦法嵌入石墨中,必須用硬碳(hard carbon),而硬碳價格很高,一噸在十數萬美金之譜,這降低了鈉原材料的成本優勢;而正極材料亦較鈷酸鋰要複雜得多。即便有這些工程的挑戰,預計今年(2023年)鈉離子電池會進入量產,而鋰離子電池下半年可能會產能過剩。電動車產業從鋰離子電池邁向鈉/鋰離子混合電池的過程正在發生之中。在更長遠的未來,氫燃料電池(hydrogen fuel battery)—如果可以解決工程問題的話—是更理想的電池產品:原料氫和氧都沒有儲藏量的問題,而使用後的產物是水,也無環境污染和回收的問題。因為有這些可能的技術急轉彎的新產品,以鋰離子電池當成戰略槓桿物資的機率並不高。毋怪乎有些大的傳統汽車廠能氣定神間的在一旁靜觀,沒有加入鋰離子電池的競爭。目前只是初發韌期,所以電動車電池目前還沒有統一規格,一切有待觀察。延伸報導電動車電池(一):材料演變與應用型態
電動車帶來的產業變革(9-2):中國電動車產業觀察
我們可以將參與角逐電動車的業者區分為中系大廠、傳統車廠、造車新勢力、網路巨擘等四大主力,根據市場趨勢、產業格局與技術變遷,逐一探索廠商在電動車的布局與戰略。中國鬆緊不一的防疫政策,高度影響車廠生產與銷售量,歐系的福斯汽車(Volkswagen)等廠商調低2022年銷售量,很多外資車廠面臨退出中國市場的淘汰邊緣。相反的,歐洲市場對中國而言極具吸引力,關鍵在於歐洲相對完備的充電設施,而歐洲車廠專注高階市場,中國車可以彌補平價市場的空缺,估計中國電動車的歐洲市佔率,將從2022年的5%,增加到2023年的8%與2025年的15%。如同前述,2022年中國電動車市場大約600萬輛,而美中貿易大戰與「去中化」,讓中國車廠努力往上游整合,也往外突圍。不久前比亞迪宣稱,要在印度搶下4成市佔率,但「排中」氛圍對比亞迪不利。目前比亞迪在印度已經有兩條電動車生產線,但產量仍小,僅年產1萬輛。德國租車公司向比亞迪購買10萬輛,背後不會只是成本優勢,極可能是營運模式的突破。一旦中國有計畫地維持誘人的地位,所有的上游晶片廠,都會調校出適合中國規格的晶片,而比亞迪也將自行開發智慧駕駛晶片。不僅如此,中國的車廠積極建立一條龍的產銷體系,鑑於海運機制失衡,中國車廠比亞迪、上汽甚至正在建構自己的船隊。除比亞迪之外,其餘車廠,如蔚來汽車,都是賣愈多虧愈大。但中國業者為何不退,關鍵在於手機飽和、智慧汽車是智慧應用的關鍵環節。最重要的是,中國將以電動車為突破西方封鎖的突破口。小米將在2024年開始量產電動車,雷軍說電動車是接續手機的核心事業,更是智慧應用的關鍵平台,儘管汽車產業高手如雲,但小米不會錯過這個風雲際會的新商機。中國市場是電動車產業溫床2022年前三季,中國汽車出口220萬輛,電動車扮演主力,貢獻率達29%。已經具備經濟規模,且能維持獲利模式的比亞迪,在IGBT領域積極布局,在SiC半導體上,比亞迪半導體在中國19%的市佔率也僅次於英飛凌(Infineon )。中國車廠價格優勢十分明顯,主要原因是中國的電池優勢、產品多元選擇,而政府補貼則是另一大優勢。內需市場提供很大的助力,估計中國汽車市場在2021~2023年間電動車滲透率是15%、27%、35%。而短里程(250km內)的微型電動車更是中國的強項,多元並舉、高度的市場滲透力,是中國未來在電動車市場上最大的競爭力。對中國汽車業者而言,到底是賣汽車,還是賣服務呢?未來購買汽車的人是駕駛、副駕駛,還是享受汽車空間與應用服務的乘客呢?一旦汽車產業不再賣產品,而是賣服務時,海外市場的經營將會是一大挑戰。
電動車電池(一):材料演變與應用型態
電池是將電能或其他能量先轉化成化學能用以儲存能量,使用時再將所儲存化學能轉化成電能的電化學(electrochemistry)機構。電池的主要結構有3個部分:負極(anode)、正極(cathode)以及電解液(electrolyte)。電解液的功能是分隔負極與正極,並讓帶有電荷的電子和離子於負極與正極之間穿梭流動。電池自問世至今已超過160年,其樣態歷經過4種主要的材料:鉛酸(lead acid)、鎳氫(Nickel Metal Hydride;NiMH)、斑馬(ZEBRA,Zero Emission Battery Research Activity;NaNiCl2,主要成分是鈉、鎳、氯)以及鋰離子(lithium ion)電池。鉛酸電池現在還在服役,就是常見的汽車用以點火啟動電池。但是我們要談的電動車電池(Electric Vehicle Battery;EVB)是牽引(traction)用的,基本上是輸出力、驅動馬達、拉動電動車,與點火用電池的結構和設計略有不同。鋰離子電池的大量應用則自然是從手機的行動應用開始,主要考量當然是其輕盈可攜,之後這個好處就自然的被引入電動車電池的應用。從這電池系列的演化軌跡,我們發現了一個有趣的趨勢。如果把各種電池主要的金屬材料的原子序標出的話,依序是82、28、11、3。這代表整個產業對電池金屬材料的演化是一心一意朝向輕盈的方向邁進。事實上,鋰已經是最輕的金屬,比它輕的元素只有氫和氦,全是氣體,也不是金屬,無法當成電極來導電。一個完整的電動車電池由幾千個電池單元(cell)組成。先是由3、4百個電池單元串聯和並聯的方式組成1個電池模組(module),十幾個模組再組成1個電池組(pack)。以Tesla Model 3為例,其電池組就由7、8,000個單元組成。每個模組中有冷卻機制(cooling mechanism),並且用電池管理系統(Battery Management System;BMS)監控電池的健康狀況(State Of Health;SOH):包括溫度和電壓等,以維持電池在安全的參數區間內工作,並監控充電狀況(State Of Charge;SOC)。一旦電池的溫、壓異常,電池上的保險絲會熔斷,以維護系統安全。通常電壓異常和保險絲熔斷是電池需要更換的2個主要原因。評估電動車電池對應用的妥適性時,有6個重要的指標:比能量(specific energy)、比功率(specific power)、生命週期(life span)、性能(performance)、安全性(safety)與成本(cost)。這裡的比能量指的是每公斤電池能儲存多少的能量;比功率是電池在每單位時間內能輸出多少能量。前者牽涉到電動車能走多遠,而後者則關於電動車能跑多快。生命週期指電池能充放電的次數,佐以電動車平均使用頻率,也可以粗估電池使用年限。安全性的考慮主要是在高熱、升溫的環境下,或者電池遭撞擊、刺穿的狀況下,鋰離子電池容易燃燒、爆炸。性能的考量較多樣,包括充電速度、低溫使用等特性。成本毋庸說明,目前鋰離子電池在量產日增的條件下,價格快速下降。但是未來勢必面對臨鋰礦逐漸枯竭的狀況,成本進一步繼續下降面臨挑戰。比能量是電動車能上路的基本考量,這決定一定重量的電池能讓電動車行走多遠?這是每一部能上路的電動車都要掛心的事,反過來這又決定1部電動車需要攜帶多少重量的電池?如果電池重量本身佔整部電動車重量的比例過高,能搭載的重量就很受限,畢竟電池的能量很大一部分是用來攜帶電池本身的重量。目前鋰離子電池的比能量約在120~180 Wh/kg之間,這是所有型態電池目前所能達到最好的數值。這6個因素在不同應用時需要針對應用均衡的考慮。目前對電動車電池應用工程實務的做法是稍微妥協比能量和比功率(因為稍有餘裕),以換取較快的充電速度、較長的生命週期以及較高的安全性。將鋰離子電池應用於電動車上的表現如何呢?目前進展狀況是,以Tesla Model 3為例,一部1.5噸的電動車攜帶400kg的電池大約可行駛400公里以上,30分鐘內可以充滿80%以上的電能,但是電池重量大約佔電動車總重量的3分之1!而上述的車行距離、電池重量、充電速度等資料,只能說是堪稱勉強滿足需求。鋰已經是原子序最小的金屬,輕無可輕。因此如何改進電池中的其他材料,譬如電極材料、電解液、催化劑等成分,以及電池的結構和控制等因素,以提高電池儲存電力、電化學能轉換效率,是目前電池研發重點。
電動車帶來的產業變革(9-1):ICT產業振衰起敝關鍵
在2022年下半學期,DIGITIMES與逢甲大學合作,針對中部地區的汽車產業,以前瞻視野探索電動車產業可能遭遇的問題。在前校長李秉乾、佘日新、葉守禮等幾位教授的幫忙下,我們授權教授與學生使用DIGITIMES資料庫,並將所有研究內容彙整成8個報告,每個小組分別簡報。為了幫他們打分數,我得讀完所有的報告、做成筆記。既然已經做成筆記,稍事整理之後跟大家分享,讓大家以宏觀的角度觀察汽車產業的關鍵變革。電動車被視為掛著輪子的行動電腦,甚至是超級電腦,也被視為ICT產業振衰起敝的新動能,更是電子業與傳統汽車業交鋒的主戰場。這個主戰場背後有幾個關鍵趨勢:電動車銷售量在2022年首度突破1,000萬輛,中國貢獻將近6成,電動車產業將成中國在G2格局中的突破口;區域生產已成關鍵趨勢,電動車商機推波助瀾,甚至影響晶片生產的布局;量產機制將從量變進入質變,車聯網與汽車的多元商機將是未來10年改變人類生活的重要動能。受到疫情、通膨、晶片短缺的影響,2022年全球汽車市場僅有將近8,000萬輛的銷售量,雖不如2017年高峰時的9,500萬輛,但電動車銷售量突破1,000萬輛。其中,中國車廠貢獻600萬輛,比亞迪領先群雄,Tesla也年產131萬輛。電動車已經不是未來市場,而是正在快速上揚的新商機。除中國與Tesla的產量之外,還有4分之1的電動車是誰在生產的?大家都想讓Tesla下馬,多少是傳統車廠的力量,多少是造車新勢力的貢獻呢?顯然中國將以電動車做為突破美國封鎖的主力產業,美國力保本土市場與創新動能,而來自電子業與網路業的造車新勢力,也虎視眈眈地伺機而動。來自汽車的需求,讓半導體、面板、感測器等關鍵零件業者摩拳擦掌,躍躍欲試。2023年中,汽車市場的商機依舊瀰漫煙硝味,轉變的過程中商機無限,誰會輕易錯過呢?除掌握充電樁、車載鏡頭、光達(LiDAR)、雷達、感測器這些元件的發展資訊之外,尚要兼顧車聯網、國際分工與區域型商機的重要變化。印度2022年已經以430萬輛的需求,超越日本,名列全球第四大的汽車市場。中國的電動車以本土市場為基礎,正在蠶食歐洲市場。Tesla不會滿足於美國市場獨佔地位,但在中國市場成績顯然不如預期,2022年市值暴跌7成的Tesla,在2022年交出131萬輛,成長40%的成績,可以在電動車市場上繼續維持領先地位嗎?全球汽車市場曾在2017年達到9,500萬輛高峰,但之後因為疫情等因素走跌,估計2023年可成長5.6%,銷售8,360萬輛。過去3年電動車銷售數量成長5倍,但油電混合(PHEV)車也成長了4倍,估計全球EV市場在2023年可達1,388萬輛,成長35%,滲透率達16.3%。當中最受矚目的,是60%市場來自中國,歐洲與美國各佔25%與10%。東協南亞的國家雖然興致勃勃,但當地的充電基礎設施不足,將是發展產業與市場的致命傷。
東風吹,戰鼓擂,當今世上誰怕誰?
彭博說「能源、晶片、台海」將是2023年評估經濟發展的三大關鍵字,而這三個字與台灣的關係也不能僅靠西方媒體,用寥寥幾句來形容。台灣能源高度仰賴進口,我很期待有一個具有說服力的能源政策。戰爭不是我們能決定的,一旦開戰,我們只能坐在海景第一排,觀察世界的改變。但我知道台海生波,朝鮮半島不會安然無恙,如果台灣海峽、朝鮮半島烽火連天,全球經濟重創,我很難不跟第三次世界大戰聯想在一起,台灣不會單獨存在,甚至將成為全球安定與否的「定錨」。至於晶片產業,台灣因為擁有結構性的優勢,必然可以迎來「黃金十年」,現在需要努力的是幫台灣布局2030年以後的產業競爭力。眾所周知,就算台積電將新的工廠擴張到美國、德國、日本,台積電斷然不會放棄在台灣的研發與生產基礎。這些新的海外工廠,不外乎是生產力的擴張,以及就近服務區域型、專業型客戶,如果只是考慮矽晶圓的技術,我覺得台灣不需要太擔心。反倒是砷化鎵、碳化矽、量子技術、記憶體內運算這些台灣無力長期布局的技術領域,必須尋找夠多的戰略夥伴共襄盛舉,才能長治久安。其次,不要低估台灣量產製造業的功能與影響力。根據DIGITIMES統計,2022年底949家台灣上市櫃公司的營收總額約9,500億美元,其中量產組裝的公司貢獻了將近一半,沒有做苦工的電子五哥,台灣的零件業者能高枕無憂,完勝日韓的IC設計業者嗎?在零件通路業裡,台系大廠與美系通路商的營運模式就大不同,也牽涉到終端市場的消費行為與結構。據我所知,台系大廠以電腦、手機標準型的產品為主力,大規模運作,快速周轉,但也難免低毛利的困境。美系通路大廠以工控、車用半導體為主力,追求高毛利,因此代理的也都是歐系、日系原廠的半導體,兩者之間難免會有競爭,但合作交流、互補有無也是常態。面對2023年以後的新局,可以理解NB、手機很難在短期內復甦,而分散型的生產體系與來自物聯網的多樣化需求,對於積極尋求新商機的台系通路大廠而言,當然是個高難度的挑戰。這也印證了產業結構改變的現實。在產業運作的型態上,張忠謀說全球化已死,這是意味著「改變」(Change),但台灣產業真正需要的是心態上的轉變(Transition)。新的一年,充滿挑戰,但過去兩年台廠賺得盆滿缽滿,我想說的是「東風吹,戰鼓擂,當今世上誰怕誰!」
電子業的領先指標:全球手機銷售量
台灣電子業是世界級品牌大廠的代工廠,訂單與出貨狀況就是全球電子業,甚至是經濟景氣起伏變動的領先指標,而所有的電子項目中,除了半導體之外,就是NB、手機、伺服器最具指標作用。未來電動車也將與台系的ICT產業供應鏈高度連動,DIGITIMES將一如以往地每季追蹤這幾項產業的訂單與出貨狀況,並彙整為簡單易懂的數據。根據DIGITIMES研究中心彙整的資料顯示,手機需求從2019年疫情前的13.6億支一路下滑,到2022年時僅剩11.65億支,估計2023年還會進一步下滑到11.48億支。以季別的總出貨量估算,從2021年的第3季開始,全球手機出貨量已經連續7個季度下滑,對手機廠商而言,絕對是個嚴厲的挑戰。2022年全球市場的跌幅高達11.9%,關鍵在於中國市場2022年下半的清零政策,導致中國市場需求暴跌與整個供應鏈的失調,估計2023年在中國拼經濟的前提下可能緩和復甦,全球市場只是小跌1.1%。觀察全球手機市場,中國產業與市場都是觀察的重點。一方面全球手機主力品牌中,除了蘋果(Apple)、三星電子(Samsung Electronics)之外都是中國品牌,而中國品牌的市佔率與中國市場的需求起伏息息相關。但近兩年疫情期間,中國清零政策成為手機市場需求與供應鏈穩定與否的最大變數,中國市場佔全球比重,從2022年的21.8%,估計還會再降低到21.5%,這與全盛時期中國手機市場佔全球3成的盛況已經不可同日而語。連Tim Cook都說,印度將成為蘋果主要的動能,而三星與蘋果都成為印度手機出口的主力大廠,這意味著生產基地往印度、越南移動的現實。除了生產量能否穩定之外,中國年輕人的就業狀況堪憂,要再看到中國手機單季銷售量再回到7,000萬支時,或許會比較樂觀地判斷中國景氣復甦,手機大廠仍可往前推進,繼續擴大市場影響力。至於中國以外的市場,受到通膨、失業率與烏俄戰爭的影響,也很難期待在2023年會有顯著的復甦,估計主力品牌大廠,多數會在2023年呈現個位數的衰退。基本上,2023年是個很難預期經濟榮景的年度,品牌大廠採取守勢,基本上的格局變動不大,也不會有新的廠商改變全球的競爭態勢。
台灣半導體業2022年營收達1,750億美元
台灣上市櫃半導體企業在2022年的總營收來到1,750億美元,由於GDP是附加價值的概念,如果以半導體業65%的附加價值對比GDP總量來計算,台灣半導體業對台灣總體GDP的貢獻值是13%。2022年,台積電的稅後利益高達1兆165億元,年成長是驚人的70.4%,以美元計算則是341億美元,大約相等於台積電在2023年預定的資本支出。台積電一枝獨秀,但聯電表現也十分亮眼,加上力積電、世界先進等晶圓代工廠,2022年晶圓代工產業總營收達到910億美元,對整個台灣半導體業的貢獻值達到52%。除晶圓代工業之外,IC設計業也是台灣半導體業的主力,年營收超過400億美元的台灣IC設計業,在全球的比重超過兩成,成就遠遠高於日本與韓國。韓國前十大IC設計業的營收,估計不到全球的2%,也就是台灣的1/10而已。台灣領先的關鍵在於台灣有龐大的筆電與手機產業組裝能力,儘管產品的生產基地不見得在台灣,但台系業者相互支援,也互動二、三十年,加上都是上市櫃企業,財務透明,容易追蹤,這些都是台灣IC設計業成功的關鍵。但未來兩年個人電腦、手機市場趨於飽和,過去總是依賴筆電、手機與中國市場發展的台系IC設計業者,未來要走向車聯網、工控等多元需求,必然要面對嚴厲的挑戰。2022年全球IC設計業成長最佳的企業都是美系、歐系業者,這也是台灣IC設計產業的警訊。此外,跟隨著全球半導體業的榮景,台灣的封測產業也是水漲船高,但從2022年年底開始,高度短缺的ABF載板在HPC大廠的訂單減少,原本短缺的狀態趨於平衡,要恢復2022年上半的榮景,得等到2023年下半年之後。但封測代工業者(OAST)仍然貢獻230億美元的產值,在台灣半導體業中的貢獻值仍然高達13%。在各大廠商中,除了日月光、力成之外,台積電在封測領域上的佈局與投資也深受矚目。台積電跨足封測,而日月光集團的環隆電氣涉足毫米波雷達模組,以及矽品加碼在台中科學園區投資800億元的封測新廠,都可能影響封測產業的生態結構。台灣的半導體產業在2022年仍有15%的成長率,關鍵在於晶圓代工大廠在前三季虎虎生風,IC設計業因為多數仰賴筆電、手機產業的需求,因此從下半年開始就進入修整階段,必須等待手機、筆電、面板需求復甦,以及在電動車相關領域的突破,才會有較佳的成長動能。
ChatGPT預示人工智慧挑戰量子運算可能性
去年(2022年)底科技界最火紅的話題,莫過於OpenAI所推出的ChatGPT,這是個可以透過文字或對話,與人類直接互動的人工智慧產物。由於我們是無法有效地分辨出所互動的對象是人或機器,達到所謂圖靈驗證(Turing test)的終極要求。GPT(generative pre-trained transformer)是所謂的生成型人工智慧(AI),只要有主題句或初始對話,這已被訓練好的生成型人工智慧,即可寫出一篇文字流暢且具思想的文章,或者與我們侃侃而談。人工智慧的發展及演進已經歷好幾個世代,早已跳脫利用海量資訊,將人類過往的知識及經驗,蛛絲馬跡般地尋找出最適切的解決方案,取而代之的是機器自己的學習,並創造出人類沒有嘗試過的解決方案。生成型人工智慧就是近來備受關注的,其所使用的是自我迴歸(auto-regressive)演算法。程式設計師需要將所欲解決問題的基本規則輸入,包括相關的參數,並設定好最終的目標值。接著電腦就開始不間斷地自我學習(預測)以及檢驗,找出各參數在這個當下時間節點的輸出預測值,並與上一個時間節點的輸入參數做比較(檢驗),如果兩者間有其相關性,則對於下一個時間節點的預測就更有把握及準確。一旦達到所設定的目標值,這個人工智慧的自我訓練就大功告成。DeepMind在幾年前所推出的AlphaZero,在經過4小時的自我學習訓練,隨即打敗所有下西洋棋的電腦程式。自我迴歸演算法,在各參數不斷地預測及檢驗的循環下,需仰賴龐大的計算能力。所幸先進的半導體技術,已提供所需的運算平台。以使用4奈米技術所製作的最先進高速運算晶片為例,其晶片已內含超過1,000億個電晶體。不久前超微(AMD)在CES 2023會場上,所發表新一代的運算架構,9顆小晶片(chiplet)的堆疊,使電晶體數目更超過1,400億顆。其實說穿了,生成型人工智慧與量子運算是殊途同歸,兩者解決問題所採取的步驟都是類神經網路的架構,在不斷地預測與優化間,找到最適切的解答。不同的是,量子運算乃自然界微觀世界所提供的量子疊加(superposition)與糾纏(entanglement);人工智慧是人為演算法及半導體算力。自然界產物比較難以捉摸,人為的世界比較可以預測。量子運算的硬體架構經過多年的發展,依然很難決定要往哪一個方向前進,這其中製作量子位元(qubit)相關的技術就包括超導體、離子阱(ion trap)、光子或者電子自旋(spin)。在資源無法集中的情況下,勢必會影響到量子運算達到實際應用的時程表。甚至有專家開始提出,結合超級電腦人工智慧運算的能力,以及量子運算的獨特性,相輔相成共同完成艱鉅問題的解決能力。換言之,當量子運算還不清楚該如何跨出下一步時,生成型人工智慧在演算法不斷地精進,及更龐大運算能力的硬體支持下,已逐漸挑戰到未來量子電腦所擅長的領域。科技的發展很難用以始為終的邏輯來判斷,需要密切關注發展中的每一個環節,並時時做修正。以TFT-LCD顯示器為例,OLED的確有非常好的條件取代TFT-LCD,但是整體發展下來,OLED也僅能在中小尺寸的顯示器有所著墨。反而TFT-LCD採用OLED作為背光源,更壯大TFT-LCD在產業的聲勢。個人淺見認為,量子運算有可能走入OLED的命運,甚至更慘。2022年諾貝爾物理獎頒給在量子資訊領域有傑出貢獻的3位學者,一時間有不少的報導認為量子運算已備受肯定,未來商品化的價值指日可待。事實上諾貝爾委員會所表彰的是這三位學者,以實驗證明貝爾不等式(Bell inequalities)的不存在,也間接地指出愛因斯坦狹義相對論的不完備。這全然是根源於基礎物理的實證,與未來的應用沒有關聯。諾貝爾委員會曾頒過2次物理獎給量子霍爾效應(quantum Hall effect)相關研究,原先也被認為未來會有應用及商品化的價值,但後來都沒發生。台灣投入不少資源在量子運算的發展上,但如果以未來應用的可行性來審視,人工智慧的發展更應該要有積極的規劃。
2022台灣電子業上市櫃企業 總營收達9,530億美元
台灣電子業稍具規模的公司都已經是上市、上櫃企業,在企業發表暫訂年度財務指標時,已經可以掌握產業的成長動能,以及不同產業之間的連動關係、中長期展望。DIGITIMES彙整ICT量產組裝、半導體、光電、電子通路、零組件等幾大產業的數據,讓大家掌握電子產業的全貌,並前瞻2023年產業趨勢。儘管2022年下半電子業景氣逆轉,「清不完的庫存,看不見的明天」成為業界相互取暖的笑話,加上台幣貶值,以美元計算的台灣電子業上市櫃企業總營收從2021年9,390億美元,僅僅小幅成長到9,530億美元,幾乎是平盤的狀態。受疫情影響而中斷的供應鏈、車用晶片短缺,以及因應分散型生產體系的需求,供應鏈移轉到東協、南亞這些國家的過程,都會形成企業的隱形成本與生產時間的遞延。台灣949家上市櫃電子業者的營收能維持平盤,已經是難能可貴,而平均每家10億美元的營收也十分驚人。如果再對照三星電子(Samsung Electronics)第4季的獲利暴跌、日本還在整合戰力的過程,鄰近國家的困境,更對照出台灣在高風險的壓力下,仍然展示強韌競爭力的可貴。對照南韓貿易結構,可以發現台灣還有519億美元順差時,南韓已經出現472億美元的逆差,如果扣除半導體的貿易盈餘的話,南韓更達1,029億美元的貿易逆差。台灣與南韓都高度仰賴半導體,但台灣擁有更均勻的產業結構,這是南韓羨慕,但卻難以複製的現實。一旦台海生波,台灣當然受害,但南韓也難獨善其身,少了台商的份額,三星、SK海力士(SK Hynix)還能獲利嗎?所以,穩定的台海情勢是南韓、日本安全的基礎,更是全球經濟、供應鏈的定錨。在各大產業中,半導體業以1,750億美元的規模,成長15%的力道最受到矚目,但營收規模最大的仍是電腦週邊與ICT產品量產製造業。鴻海、和碩加上電子五哥為主的EMS製造大廠,一直都是台灣的中流砥柱,將近5,000億美元的營收,也是台灣挺立不搖的關鍵。以全球前30大EMS製造廠的營收估算,超過7成來自台商的貢獻,而5,000億美元的背後是將近4,000億美元的零件、半導體採購需求,當然也成了台灣IC設計業、零件通路業在全球供應鏈上佔有核心地位的關鍵。2022年是台積電稅後淨利超過1兆元(341億美元)的里程碑,對比台積電759億美元的年營收,這的確是個了不起的成就。不僅台積電獲利創新高,聯發科、聯電也有1,000億元以上的稅後淨利,台灣半導體業「內外皆美」,護國群山當之無愧。但台灣電子業也不是毫無隱憂,過去以NB、手機需求為主的零件產業發展模式,可以在低毛利的架構下,以快速周轉的速度創造足夠的營收與獲利。但未來的產業發展模式逐漸走向多元產品、應用驅動的新時代,未來購買自駕車的買主是駕駛人或是乘客,當買主不再以汽車性能、加速奔馳的快感做為購車指南時,如何理解智慧座艙的價值,以及在軟硬體整合的過程中,掌握接合處的痛點呢?
世足賽的科技足球
4年一次的第22屆世界盃足球賽(下稱世足賽),於2022年底在卡達風光落幕,阿根廷在足球巨星Lionel Messi的帶領下,奪得阿根廷隊史第三座世足賽冠軍,僅次於巴西的5座,以及德國及義大利的4座。此次世足賽除了入圍的32支隊伍的精彩演出外,另一個吸睛的焦點是那顆科技感十足的足球。媒體也大幅地報導在比賽前那顆足球要先充飽電,才能上場。舉凡比賽時,該足球在場內運動的3維軌跡,如座標、速度、角速度及加速度等都會被完整記錄,而且是即時將資料傳送到資料庫及訊號處理器上。在葡萄牙對戰烏拉圭的那場球,葡萄牙大將Cristiano Ronaldo將隊友傳球,用頭錘應聲入網。大家都以為是Ronaldo建功,但事後分析數據顯示球只些許碰觸到Ronaldo的頭髮,該進球最後是判給其隊友。如果讀者還有印象,在1986年阿根廷奪冠的世足賽,八強賽中阿根廷對上英格蘭,Diego Maradona用頭錘進了關鍵一球,以2:1氣走英格蘭。事隔多年後,Maradona承認當時是用左手撥進那顆球,並被稱之為上帝之手(The hand of God)。如果那時就有如此先進的足球,很容易就能夠真相大白了。這顆足球是如何做到有如此的神奇功能?原來足球內含了一個慣性量測單元(inertial measurement unit;IMU),以及超寬頻無線傳輸系統(ultra wide band;UWB),加起來重量不到15公克。IMU是由三軸陀螺儀及三軸加速器所組成,使用矽基板的微機電技術(MEMS)所製作。矽基板除了是積體電路製作上最關鍵的材料外,矽原子間是以共價鍵作為鍵結,本身也具有非常優異的機械特性。試想一個12吋的晶圓,直徑的長度是30公分,而厚度卻不到0.1公分,在此長度與厚度比值超過300的基板上,頭尾的平整度卻能夠維持在1個原子差距內,可見其機械強度的優越性。因此在1980年代,學術機構開始利用矽基板及半導體的微影製程,製作出各式微機械元件,如微小型的齒輪、軸承,滑桿等。再加上使用的是矽基板,很自然地可以將相關的資訊以電訊號傳送出來,所以統稱為微機電。由於是將力學資訊轉換為電訊號,因此也被稱為感測器(sensor)或傳感器(transducer)。IMU的製作是利用半導體的製程,在矽基板表面先製作出一個感應膜(membrane),其下方是被掏空的,而感應膜是以精巧的懸臂與矽基板相連接。感測膜的設計,可以用來偵測不同方向的直線加速或旋轉的力量,藉由感應膜的位移、偏移或轉動,隨之改變感測器的電阻值或電容值,間接地也得知受力的方向及強度。由於是微小化的感測器,所以才能放置在足球內。UWB與其他無線通訊系統最大的差異,在於其使用的是脈衝式無線電波,就如同雷達般,除了可傳輸數據外,更能夠精準地量測物件的位置,再加上低功耗特性,近來開始使用在感測網路(sensing network)、物聯網(IoT)應用。如果在足球場的周圍架上十幾個UWB的相位天線,一來可以接收由足球所傳來關於球運動軌跡的資訊,另一方面也可以即時精準定位足球;甚至球隊在訓練時,讓每一位球員都戴上UWB發射器,教練就可以完全掌握住每位球員的跑位,以及足球運動方位的資訊。除了IMU及UWB外,此次世足賽也採用表面有微凹結構的足球,如同高爾夫球的表面一樣。由於球在運動時,球的後方會產生一個氣壓較低的區域,形成擾流(turbulence),增加足球阻力,也增加運動的不穩定性。這些表面的微凹結構,能夠有效減少此後方低氣壓的區域,增加球速及穩定性,同時也增加守門員的挑戰,不過這些都是球迷所樂見的。足球是世界上運動人口及球迷最多的運動,也是資源投入最多及市場規模最大的運動項目。現代的科技無所不在,運動市場是科技業很好的合作平台,不僅擁有龐大商機,同時也造福廣大球迷。
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