國科會吳政忠主委日前宣布,「前瞻半導體與量子」是國科會八大前瞻 科研平台之一,國科會已經啟動 2025 半導體大型研究計畫,在半導體人才 培育與研發規劃十年的長期布局,偕同教育部與經濟部,共同培育人才並鏈 結產業。

在科研方面,國科會除全力支持學術界進行頂尖半導體相關研究外,亦 指示轄下國家實驗研究院台灣半導體研究中心(國研院半導體中心)開發各 種協助學術界研發尖端晶片的平台,做學術界最有力的後盾。國研院半導體 中心執行國科會政策,開發出「客製化系統晶片設計平台」,讓學研界可以 專注於研發系統晶片中的關鍵技術-特定應用之電路,結合此平台,即可將 創意轉換成完整的系統晶片。

科技巨擘(Apple、Google、Amazon、Tesla)自研晶片成主流

隨著各種新興應用對運算硬體的效能要求越來越高,也讓自行研發客製 化系統晶片的趨勢掀起高潮,如蘋果的 MAC 系列產品,是使用自己研發的 M1 及 M2 晶片;谷歌自行設計的 Tensor 晶片則用在Pixel 系列手機;亞馬遜 為強化 AWS(Amazon Web Services)雲端運算服務,開發 Graviton 晶片; 特斯拉則研發 Dojo 晶片,用於雲端的訓練資料中心與終端的汽車自動駕駛。

客製化系統晶片的設計需求方興未艾,但是其研發過程,除了要先針對 需求提出創意發想並制定出晶片的系統規格外,還有電路系統的規劃、設 計、驗證、除錯和調整等工序,其中涉及許多複雜且艱深的專業技術,相關
工作費時又費力。而且下線製作出來的晶片,也欠缺直接查對真實影音訊號 的展示系統。總而言之,設計程序繁複、驗證過程耗時、欠缺展示系統,這 些挑戰墊高了客製化系統晶片的設計門檻,也延宕了開發速度。

「客製化系統晶片設計平台」 加速客製化系統晶片技術實現

為加快國內學研界研發客製化系統晶片的腳步,國研院半導體中心開發 出「客製化系統晶片設計平台」,讓學研界可以專注於開發系統晶片中的關 鍵技術「特定應用之電路」,即可結合平台,將創意轉換成完整的系統晶片。

「客製化系統晶片設計平台」中包含了 ASIC'與 FPGA²兩項功能,學研 界使用此平台的過程中,國研院半導體中心會支援專業的晶片設計服務團 隊,補足學研界缺乏晶片後端實作經驗的困擾,有效加速完成繁複的設計程 序。透過半導體中心經驗豐富的工程師一起參與晶片設計與除錯,可以有效 率地設計出高效能、低功耗的晶片,降低學研界因為對先進製程設計規則不 熟悉而產生的成本耗損,估計每個設計案的晶片材料與製作成本約可節省 30%,從300 萬元減為 200 萬元。

其次,借助國研院半導體中心專業人員的經驗,還能加快複雜晶片裡超 過 30 億個電晶體的驗證與除錯工作,協助學界有效縮減驗證的時間,將原 本需要花費數天到數週的軟體模擬時間,縮短為 40 分鐘,大幅節省時間與 精力。

最後階段,由於「客製化系統晶片設計平台」可以支援展示系統,只需 將下線製作出來的雛型晶片,安裝在平台上的晶片插座,載入軟體映像檔, 利相關應用如物件偵測或展示。相較於往常學 界為了展示的需求,必須另外自行開發系統電路板,半導體中心可幫助學界 節省這段從完成晶片到系統展示的最後一哩路,至少能縮短6個月時間。

攜手臺大於國際會議 ISSCC 發表論文重砲3連發

「客製化系統晶片設計平台」可支援「人工智慧視覺」、「語音處理」、「生 醫晶片」、「自駕車」...等多種應用,臺灣大學與陽明交通大學的研究團隊都 已在使用,聚焦發展生醫晶片、自駕車和智慧型機器人等應用。

臺大電機系楊家驤教授團隊與國研院半導體中心攜手,使用此平台完成 了三款客製化系統晶片的設計、驗證與展示,分別是運算加速效能可比過去 提升 4~6 倍的「AI 運算加速晶片」、比過去最佳文獻提升 22 倍最高運動控 制頻率與 350 倍能量效率的「7 軸自主移動機器人之運動控制晶片」,以及 全世界第一個實現變體基因型運算的「次世代基因定序資料分析晶片」,能 將分析時間從過去的數天縮短至半小時以內。這三款系統晶片全都獲選於素 有「IC 設計領域奧林匹克」美稱的 ISSCC 國際研討會發表,備受肯定。

國研院半導體中心侯拓宏主任表示,半導體中心在國科會指導下,一直 致力於提升臺灣產學研界在半導體技術的研究能力,並培植質與量兼具的晶 片設計人才。透過中心建構的「客製化系統晶片設計平台」,讓學研界可共 用研究資源,縮短半導體技術開發與系統晶片設計驗證時間,加速提升技術 實力,做出最頂尖的研究成果。