【散熱劃時代革命-液冷散熱】
時間：2021/8/1
發文：NO.1287篇
大家好，我是 LEO
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❖晶片效能越強-解熱難度越高
隨著半導體晶片發展-體積越來越小，電晶體密度越來越高，逐漸朝向高性能，超薄，微型化發展，電子元件散熱的空間越來越小，單位面積內所產生的熱能卻越來越高，無論是手機、電腦發熱發熱密度皆呈現指數級增長，此外，加密貨幣挖礦場，大型伺服器與資料中心，高階CPU、GPU產生的熱能更為驚人，如果熱能不能快速有效散出，輕則影響效能，嚴重會導致電腦或手機產生「電子遷移效應」，導致當機無法工作。
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❖台積電未雨綢繆超前部署
今年7月台積電在超大型積體電路 (VLSI) 研討會，展示晶片水冷研究結果，採用水通道直接引導到晶片，藉此提高晶片散熱效率。聽起來覺得不可思議，為什麼突然做這項研究？傳統晶片散熱-在晶片上塗導熱矽脂，將熱量傳到散熱器底部，導熱管、水冷管再將熱量導到鰭片，最後風扇將鰭片的熱量吹走，完成散熱。
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但是，若未來晶片採用 3D 堆疊技術，最新的SoIC先進封裝可以任意組合各種不同製程的晶片，除了記憶體甚至還能直接將感測器一起封裝在同一顆晶片裡面，線路的密度將是2.5D的1000倍，散熱就會遇到大瓶頸。
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3D堆疊晶片設計更複雜，更小的微縮製程，把晶片一層一層的堆疊起來，中間部分難以有效散熱，所以台積電的研究人員認為，解決方法就是讓水在夾層電路間流動，讓水直接從晶片內帶走熱量，這是最有效的方案，這裡指的水並非一般純水，而是不會導電的介電液，實際上操作起來非常複雜且昂貴，目前處於研究階段，這顯示出解決晶片散熱問題，將是半導體產業未來重要發展趨勢之一。
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❖晶片改朝換代推動-伺服器新設計
我們從上面描述可以知道新晶片設計只會更小，更複雜，更熱，而伺服器產業面臨的問題會更大，試想大型資料處理中心，裡面有多少伺服器？多少高階CPU、GPU都是24小時不斷電持續運作，龐大的熱能如何處理？當處理器的瓦數越來越高，一般來說，處理器的熱設計功耗超過240W就很難用風扇(氣冷)來解決，偏偏霸主Intel或是AMD新一代處理器動輒超過270甚至280W，現在馬上面臨到需要液冷散熱來帶走熱量。
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❖跟著產業霸主的方向走準沒錯
Intel在伺服器市場，主流解決方案以x86架構為主，全球 CPU市占率約 92%左右。未來Intel 仍將保持產業龍頭的地位，圍繞它的 CPU平台的升級仍是影響伺服器硬體產業鏈周期性變化的關鍵因素。
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2021 年第一季開始Intel最新的 Whitley Ice Lake 的處理器已向資料中心業者小量出貨，第二季開始放量，到第四季預估將占總出貨量的 40%，滲透率將大幅且快速提升，下一步，Intel英特爾預計 2022 年初量產支援 PCIe Gen5 的 Eagle Stream 平台，將會加速升級資料傳輸速度。
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❖英特爾正式將水冷散熱放進白皮書
有趣的事情來了，產業龍頭也意識到新平台-散熱問題非常棘手，2020年Whitley平台是intel「首度」將水冷頭(注意：非浸沒式)納入技術白皮書，更誇張的事情是未來的新平台 Eagle Stream第一顆CPU Sapphire Rapids至少 300W以上，甚至將來很多GPU會達到500瓦甚至700W以上，水冷散熱方案成為唯一解方，冷卻液監控主機(CDU)與水冷頭(覆蓋在處理器上方的水冷散熱片)全世界只有三家廠商通過Intel認證，台灣的廣運(6125)是唯一兩項全拿的合格供應商。
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❖節能減碳-省電又可以賺積分
歐盟在7月剛通過55套案，其中碳邊境調整機制，又稱碳關稅，預計自2023年起試行，2026年正式實施，先從鋼鐵、電力等產業先行，但是用電大戶的資料中心無法置身事外，跟大家分享一個數字會比較有概念，2017年中國數據中心總耗電量為1200-1300億KW，超過三峽大壩與葛洲壩電廠2017年全年發電量總和(分別為976億KW、190億KW)，占中國總發電量的2%，到了2025年資料中心耗電將高達 3842億KW，占全中國總發電量的 6%，這隻吃電怪獸肯定會被盯上，高排碳業者會被課較高關稅(碳關稅)，將進一步帶動資料中心業者積極導入液冷散熱達到「省電」與「節能減碳」的效果，甚至有望仿效電動車Tesla透過碳積分來挹注獲利，可望大幅提高液冷散熱滲透率。
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❖水冷散熱技術門檻高-不簡單
2021年3月26日雲端資料中心伺服器開發商---緯穎科技宣佈，參與資料中心液冷廠商LiquidStack的A輪融資，並取得一席董事席位，其實早在2019年緯穎就與3M合作開發液冷方案，但是3M的電子氟化液是非導電-介電液是一種專利配方，掌握在3M手中，未來耗材都需向3M購買補充，入股LiquidStack可望取得自主技術。
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大家知道這種-不導電的「介電液」有多貴嗎？1公斤要價100美元，一個180KW的機櫃光是介電液裝滿就要價1000萬，重點是這個介電液每年都會耗損，需要定時補充，這樣就知道賣水的概念有恐怖、有多賺了吧，得介電液者得天下。
就算目前短期重點放在一般的「冷卻水」，得到英特爾認證的兩款冷卻水，一個櫃的成本大約7~8萬元，廣運集團研發成功的介電液打七折賣，一公斤70美元就相當有競爭力，而冷卻水一個櫃更只需要8000元，重點是水要通過認證，水在管線裡面跑如何恆久不變質？裡面還必須添加抗凍劑、苔癬抑制劑等特殊配方，是不是很多眉角！這些都是LEO深入研究去挖出來的。
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❖廣運(6125)上中下游整套系統全部整合
目前有三大產品線，水冷背門(20~25萬)/櫃，水冷頭(100~150萬)/櫃-目前英特爾首度放入新平台技術白皮書，已通過Intel認證，浸沒式機櫃(1000萬)/櫃，此外還有最重要的冷卻液監控主機(CDU)它是水冷散熱技術的根源，還有各種耗材、管線、冷卻水、介電液都是未來的發展重點。
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傳統散熱模組雖然便宜，一個42U的機櫃，風扇加散熱模組成本頂多台幣8~10萬，但將來水冷變成剛性需求，水冷頭機櫃，水對氣120~150萬/櫃，水對水90~120萬/櫃，全球的資料中心大約有 500萬櫃，每年新增30萬櫃左右，大家可以算看看，這產值增速有多恐怖。
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目前全世界只有2家公司有能力量產伺服器等級水冷頭機櫃，雙鴻、超眾這些傳統大廠要跨入最難的CDU(水冷監控主機)至少需要5年以上的參數與經驗值，而廣運的陳總已經深耕30年的散熱產業經驗，水冷頭機櫃的五大關鍵零件--廣運擁有四項(CDU、水冷頭、分岐管、制冷背門)盲插或快接頭，這個產業很新，很多法人也還沒那麼了解，有很多眉角，很多技術秘密，篇幅有限今天LEO就先介紹的這邊。
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如果大家想知道更多關於這個新的「水冷散熱產業」訊息，請鎖定 LEO股民當家團隊的頻道喔，⧉傳送門在下方↓
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天佑台灣，疫情早日結束❤️

【台韓晶片競爭，再贏韓國下個10年?】

手機、電腦、汽車或軍事設備必備的晶片💿，
不僅是生活必需品，更是重要的戰略物資，
晶片產業已深刻影響全球地緣政治，
全球半導體產業產值約4,260億美金，
需求量僅次於石油，半導體也被認為正逐步取代石油的戰略地位。
台灣半導體產值及能力與韓國在伯仲之間(全球產值台佔19.7%，韓佔15.9%)，
根據美國半導體產業協會（SIA）的資料，
全球 80% 的晶片產能目前位於東亞(台韓)，凡是任何想要發展數位產業的國家，
都勢必得和台灣、南韓購買晶片。
經濟學人稱台韓晶片產能是21世紀的「荷莫茲海峽」(能源咽喉)，
彭博則認為台韓半導體業堪比OPEC。

➢領先全球的台灣晶片代工
台灣半導體產業的地位，
主要來自於台積電，台灣的晶片代工業者去年營收占全球同產業63%，
(南韓18%，其他13%，中國大陸6%)
其中台積電就佔54%，更重要的是，
台積電所生產的晶片，
都是使用在最先進的科技產品上🏆。
台積電在去年為全球首家量產5奈米晶片公司(目前只有台積電、三星有能力生產5奈米晶片)，
👉3奈米晶片預計今年下半年試場，明年進入量產，
👉2奈米晶片也預估在2023年進行風險試產。
台積電榮譽董事長張忠謀，認為台積電成功，台灣人才佔有很重要因素。
晶片代工之外，封測全球市占率超過30％，同樣位居世界第一 ，
IC設計則佔21.7％位居第二。

➢韓國晶片代工全力衝刺中
韓國除了有全球領先的記憶體產業外，
也有全球第二的晶片代工。
在今年韓國最大的晶片代工三星集團衝刺晶圓代工部門，
南韓平澤新擴建的5奈米廠6月新增產能，
並在6月底宣布3奈米晶片試產成功，
稱要再10年內超越台積電，
👊誓言在2030年成為系統半導體龍頭，
三星原先試產計畫和台積電一致，
但近期動作頻頻，除了提早試產外，
並擴充先進製程5奈米產能計畫，
宣布將加碼投資邏輯晶片事業171兆韓元，
看得出三星集團欲在晶片代工產業發展的野心，#業界高度關注三星及台積電兩強競爭態勢。

➢韓國政府K-半導體戰略，
欲建全球最大半導體基地🧭
美國與中國科技貿易對立下，
韓國政府也意識到半導體競爭已從企業間轉變為國家間競爭，因此認為有必要官民合作一同因應，最具代表性的就是今年5月，
文在寅美國拜登會面，晶片換疫苗，
強化美韓在半導體產業方面的合作。
也在5月韓國政府公布「K-半導體戰略」，內容包括要在未來10年韓國政府將投資 #510兆約韓元(12.6兆台幣)，
將挹注給三星及SK海力士等153家企業。
目標2030建設韓國為全球最大、最先進的半導體供應鏈生產基地。
韓國政府全面支援半導體產業發展，
除了鉅額投資外，還包括供租稅減免、擴大金融和基礎設施等支援，
具體措施包括：
✅企業研發投資可扣抵稅率提高至50%。
✅提供特別資金支援設備投資
✅放寬處理化學物資的法規
✅制訂「半導體特別法」
✅10年培育3萬6000名專業人才
韓國的K-半導體戰略，要由西側的七大城市連結至東側的五大城市，形成K字型地帶，要發展為全球「最大的半導體生產基地」；在強化基礎設施中包含水電、法規及財稅的保障，要轉變韓國為「適合半導體產業發展的國家」。

➢台灣應將半導體提升至國家戰略，
正視缺電、缺水及缺才問題📣
雖然台灣與韓國相比，
在半導體上有較完整的產業鏈，
但國際半導體產業由原本專業分工模式轉變為各國自建晶片製造產業，對以專業代工為主的台灣半導體產業，將面臨新的競爭。
但面對國際來勢洶洶的挑戰台灣一刻也不能鬆懈🥺，台灣在半導體發展的隱憂包括：缺水、缺電及缺才等問題。

#缺水
半導體產業需要大量的水電，水電能源供應不穩定，也足以威脅產業發展，
亦突顯台灣關鍵基礎建的脆弱🚧。
今年逢73年以來最大的乾旱，
中部地區實施長達61天「供5停2」限水，
雖然尚未影響半導體產業，但在極端氣候影響下，未來也可能發生更嚴重情況🤦，而蔡政府的因應做為竟是開放科學園區鑿井。

#缺電
在電力方面，五月無預警跳電，兩次分區限電，都暴露嚴重的電力供給問題🔌。2025年蔡政府的非核家園時間迫近，政府規劃再生能源佔總發電量20％，目前再生能源只占5.8％，進度嚴重落後，而蔡政府的做法竟是砍樹種電。

#缺才
除了關鍵基礎建設之外，
「缺才」是最嚴重、最棘手的問題。
現台積電董事長劉德音認為，台灣半導體業最大問題是缺才，而問題的根源在每年研究經費不足，導致願意在此領域深入研究的教授數量不足，相關研究也不夠。另外隨著台灣少子化，理工畢業生年年減少，人才缺口大擴大，再加上AI、軟體領域發展以及國際晶片自主風潮的搶才，更使半導體業人才缺口雪上加霜。若欲維持台灣目前的半導體產業榮景，如何穩定提供高端研發及晶片設計領域的人才投入是當務之急。目前經濟部推動的「埃米計畫」預計未來每年能新增1萬半導體人才，僅勉強補足產業缺口，但人才培育需要時間，且過國內起薪普遍低於競爭國家，以及少子化影響，是否能真能提供預期的畢業生進入產業，仍值得關注。目前看到最積極的作為，就是下架人力銀行中國大陸職缺。

我們看到韓國政府傾國家之力，
奮力協助辦導體產業，
韓國總統直接肩負起談判的責任，
積極的布局半導體產業的海外設廠。
台灣雖然在半導體有領先的基礎，但是在棘手的缺水、缺電及缺才問題上，都無法提出有效的解方。在政策規劃上，各部會雖然都有協助半導體發展的相關計畫 ( 散落於科技部、科技會報、國發會、經濟部、教育部 ) ，但缺乏整合個自為政，看不出整體戰略。而政府半導體產業投資上與競爭對手相比，九牛一毛‼️
(韓「K-半導體戰略」：10年12.6兆台幣；台「埃米計畫」：5年63億台幣)。
台灣雖有很爭氣的企業，卻無強而有力的政府作為後盾，但面對全球以國家戰略半導體產業，傾國家之力推動半導體發展，台灣不應讓企業在國際上自行作戰。因此我要呼籲我們的政府，應盡速將半導體產業，納入國家發展戰略一環，盤點各部會資源提出技術、產業、人才、資金整合的政策戰略規劃方案，並且增加半導體產業的資源投入，讓台灣可以再贏韓國下一個十年。

#科技力就是國力
#半導體是戰略產業
#穩定水電供應是產業發展基本需求
#決不讓韓國超車
#再贏韓國10年

這個趨勢跟我們夏季班第3堂課提到的股票有關係，
大家知道是什麼嗎？？

#車輛電動化趨勢　MCU、CIS需求上升
車用半導體擴張的推動力，來自於自動駕駛、輔助駕駛系統等汽車控制相關需求，例如微控制器（MCU），也就是目前車用晶片缺貨之中的大宗，還有感測用的雷達與CMOS影像感測器（CIS）等外 就來自於環保車輛與節能減碳的趨勢，也就是功率半導體領域。

在微控器方面，Semiconductor Portal報導，市占率最高的是日廠瑞薩電子（Renesas），先進的微控制器良率控制可將瑕疵品壓低到0.1 ppm以下，也就是1,000萬分之1以下。瑞薩已量產搭載28奈米製程Flash Memory的微控制器，在車輛的電控系統（ECU）幾乎都搭載微控制器，而且傾向於加強安全性的效能冗餘，使微控制器的需求將進一步提高。

而10年來年複合成長率（CAGR）達16%的CIS市場，雖然在2020年受疫情衝擊，據IC Insights統計成長率僅3%，不過預估2021年，將成長19%，達228億美元，未來5年年複合成長率約12%，到2025年達336億美元。若以數量計算，2020年67億件的CIS，將以14.9%的年複合成長率，到2025年可年產135億件。

雖然CIS的主要需求，仍來自於5G普及帶動的手機銷售，手機鏡頭CIS的年複合成長率6.3%，2025年可達157億美元市場規模，但以成長速度來說，車用CIS成長最快。IC Insights估計，未來5年車用CIS的年複合成長率可達33.8%，到2025年可達到51億美元。

其他應用領域，如醫療與科學系統、安防監控、機器人與物聯網等工業用途，雖然2025年預估的市場都比手機用與車用CIS來得小，但成長速度都高於手機用CIS。

在車用CIS相關的市場，富士奇美拉總研（Fuji Chimera Research Institute）的報告預估，先進駕駛輔助系統（ADAS）與自動駕駛所需的車用攝影模組，由於環繞影像系統（Surround View）普及，使觀測攝影機（View camera）被採用的數量增加。

此外，在日本、歐洲、美國都開始強制採用自動緊急剎車系統（Autonomous Emergency Braking），也讓車前攝影機使用量上升。

2021年後疫情時代車市慢慢恢復，上述兩種車用攝影機的需求也會明顯攀高。預估到到2026年，車用攝影機模組的市場規模，將達到9,930億日圓（約合91億美元），與2019年相比，增加93.8%。

同樣使用攝影機的行車紀錄器，全球需求也在成長，不過各地區對於行車紀錄器對隱私的影響看法不同，部分國家增加速度較慢，但整體來說在安全性的需求下出貨仍會逐步上升，富士奇美拉總研預估，一般車輛使用的行車紀錄器的市場規模，到2026年會達到3,200億日圓（約合29.5億美元），比2019年增加2.2倍。環繞影像系統與行車紀錄器，都會拉高車用CIS的出貨量。

#車用功率半導體廠擴產　#追趕電動化商機
車用半導體之中，另一個項目是功率半導體。功率半導體在車輛與電機設備等都有使用，不過在車輛電動化的趨勢下，車用功率半導體的推升作用更加明顯。

國際半導體產業協會（SEMI）曾在2019年預估，以8吋晶圓估算的半導體產能，會在2022年達到月產650萬片。不過，在純電動車（BEV）與油電混合車（HEV）需求與產能不斷提升，功率半導體可能出現供應不足問題，使相關廠商開始加大投資。

例如英飛凌（Infineon Technologies）目前是最早投資功率半導體12吋晶圓廠的廠商，位於德國東部德累斯頓的第1座工廠已經開始量產，目前第2座12吋晶圓功率半導體廠，則在奧地利南部Villach興建中，預計將量產功率MOSFET與IGBT。車用零組件一級供應廠電裝（Denso）則是英飛凌的出資者之一，以穩定功率半導體供應來源。

電裝在車用半導體的投資布局，也包括針對瑞薩電子，逐步提高持股比例，到2020年底為止，占瑞薩股份8.84為第2大股東。電裝也與功率半導體新創Flosfia建立資本合作關係，在氧化鎵（GaO）功率半導體的車用領域進行研發合作。而占有電裝股份20%以上的豐田汽車（Toyota），也正在把車用半導體、電子零組件等硬體的研製，轉移到電裝。

安森美（ON Semi）則是以收購方式取得GlobalFoundries的美國紐約州Fishkill的12吋晶圓廠（fab 10），總價4億3,000萬美元，2019年已先付1億美元，到2022年底前會支付剩下的部分3億3,000萬美元。這座12吋晶圓廠雖然還沒有完全讓渡，但依據協議已開始為安森美生產半導體。

目前看來，歐美的功率半導體場對於12吋晶圓廠較為積極。而在日廠方面，三菱電機（Mitsubishi Electric）預定會在日本熊本縣工廠引進12吋晶圓的量產產線。三菱電機在廣島縣福山工廠目前只有後段製程，不過熊本工廠將來如果產能已滿，福山工廠設置12吋晶圓產線也將成為選項。

富士電機（Fuji Electric）在2021年度（2021.04～2022.03）的半導體設備投資額會拉高到410億日圓（約合3億8,000萬美元），年增1倍以上，以因應電動化車輛對於功率半導體的旺盛需求。而原本預計在2024年3月前的5年間，要完成的半導體設備投資1,200億日圓（約合11億美元），會在2023年3月前完成。

雖然這些投資主要集中在8吋晶圓的前段製程，不過，富士電機也正在研發12吋晶圓製程。至於何時設置12吋晶圓量產產線，由於12吋產線所需投資額是8吋產線的2倍～3倍，因此要依據市況再來評估。但比起12吋矽晶圓產線，富士電機可能對新建碳化矽（SiC）產線更感興趣。富士電機的2021年度半導體研發費，將年增6%，至130億日圓（約合1億2,000萬美元），研發車用IGBT、SiC功率模組，以及工業用第8代IGBT技術。

2021年第1季，富士電機的電動化車輛（BEV、HEV等）功率半導體訂單額，年增51%，金額與2020年第4季大致相同。預計到2021年第2季，也會維持第1季的同等級訂單額，此後則開始逐季成長。

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