國際知名(奈米)半導體/元件物理大師 陶元講座教授—開設【半導體元件與奈米電晶體】線上課程，歡迎報名參加哦！

2021秋季新學期(110學年度上學期)，國際知名(奈米)半導體/元件物理大師、先進(奈米)半導體/元件物理聖經教科書「Fundamentals of Modern VLSI Devices」作者、美國加州大學聖地牙哥分校(UCSD)卓越特聘教授–陶元教授前來臺大電機訪問講學，陶教授並將開授「From Fundamentals of Semiconductor Devices to Nanometer-Scale CMOS Transistors」(半導體元件與奈米電晶體)課程，教科書作者親自現身說法必精彩可期！！

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【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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天佑台灣，疫情早日結束❤️

恭喜國立交通大學特聘教授、國際長兼國際半導體產業學院副院長陳冠能獲選美國國家發明家學院(NAI，National Academy of Inventors) 2020年美國國家發明家學院院士(NAI Fellow)。評審委員高度肯定其其在三維積體電路領域的高研發能量，可提升人類生活品質、社會與經濟發展並帶來助益與貢獻，而榮獲此殊榮，並將於2021年6月表揚。

陳冠能國際長為交大電子系特聘教授，為美國麻省理工學院電機工程與資訊科學系博士，畢業後加入IBM華生研究中心，目前是交大推動三維積體電路及先進封裝技術的主要推動者。其長期投入三維積體電路領域相關研究，研究領域涵蓋三維積體電路、異質整合與先進封裝技術等。陳教授自返國任教後，積極建立具有創新與實作能力的研究團隊；除著有專書著作外，也發表超過300篇之期刊與會議論文，包含多篇IEEE優質期刊論文，以及IC元件與製造領域之頂尖國際會議IEDM、VLSI論文與IC設計領域之頂尖國際會議ISSCC論文。其研究成果具有產業應用與學術價值，目前其所列名的各國專利已達83項，同時他也在各種多項國際會議擔任大會主席、議程主席與議程委員等重要職務，更是超過40種國際期刊的審稿委員。

陳冠能教授優異的研究成果歷年來屢獲肯定，榮獲科技部未來科技突破獎(2019)、IEEE EPS 傑出技術成就獎(2018)、科技部傑出研究獎(2018)、美光講座教授(2018)、中國工程師學會傑出工程教授獎(2017)、中國電機工程學會傑出電機工程教授獎(2014)。並榮獲五座國立交通大學產學技術交流卓越貢獻獎與四座IBM發明成就獎。目前並為IEEE Fellow、IET Fellow與斐陶斐榮譽學會會員。

陳冠能教授不僅在研究方面表現卓越，還進一步將這些研究推廣到產業上，協助國內外產業升級，並致力研發前瞻技術並將成果落實於產業界，延續技術研發、授權的合作關係，其產學合作、技術移轉，受益的對象從晶圓代工、封裝業、電子零組件業、設備商橫跨多種領域，對於提升人類經濟發展及文明有重要貢獻。

美國國家發明家學院的院士為學術發明家的最高榮譽之一。今年175名獲得美國國家發明家學院的院士，來自115所研究型大學、政府機關及非營利性研究機構，擁有高達4700項美國專利，對於豐富人類生活質量，促進社會福祉與經濟發展也有顯著貢獻和深遠影響。

元世界最先端の研究開発をしていた半導体エンジニアが、半導体のデバイスの物理的な特徴を解説しています。半導体に携わる初心者を対象にしています。数式を使わずに直感的に解説しているため、若干不正確なところはありますが、イメージとしては正しい内容を伝えています。
より詳しく勉強したい方は、参考図書を読んでみてください(半導体デバイスの開発者向けの教科書です)。

0:00 半導体のデバイスの物理の解説
1:10 半導体とは何なのか？
2:34 真空管を半導体のトランジスタで置き換えた
6:17 半導体はどうやって動いているのか？
10:28 半導体のバンドギャップと勤続のバンドギャップ
12:38 真正半導体に電圧をかけた場合の動作
14:40 不純物を入れてn型半導体とp型半導体を作る
18:22 pn接合のダイオードの挙動とバンド構造
22:09 ダイオードの清流性の解説
24:04 ショットキーダイオードのバンド構造
25:42 ツェナーダイオードのトンネル電流
27:28 半導体に光を吸収させた場合の挙動
30:42 太陽光発電の仕組み
32:40 発光ダイオードの仕組み。LED
35:45 バイポーラ―トランジスタの構造
38:41 MOSトランジスターの電気的特性

↓先にこちらを見たほうが理解が深くなります
半導体とは何か？すごさを解説！
　https://youtu.be/U6iEzR066j4

甲南大学の半導体講座
　http://kccn.konan-u.ac.jp/physics/semiconductor/top_frame.html

◆詳しく学びたい方向けの教科書
タウア・ニン 最新VLSIの基礎 第2版
　やや難しいですがスタンダードでおすすめの本です。
　https://amzn.to/3pJYMcd

グローブ 半導体デバイスの基礎
　古いですが基礎からわかりやすいです。
　https://amzn.to/2NZoigs

半導体デバイス―基礎理論とプロセス技術
　いろいろと網羅されています。
　https://amzn.to/3aNOovO


◆科学技術の解説
　https://www.youtube.com/playlist?list=PLFtR1Tmakwn_Pn9HgHhurnlJ18rHMqVA6
第1回 半導体とは何か？
　https://youtu.be/U6iEzR066j4
第2回 液晶ディスプレイ、有機ELの仕組み！
　https://youtu.be/5TS1xlUcwTo
第3回 シュレーディンガーの猫の不思議！
　https://youtu.be/GZGv8wrZGfE
第4回 人工知能って何がすごいのか？
　https://youtu.be/dNZ-JqEq7x4
第5回【仮想通貨】ビットコインとブロックチェーンの仕組み
　https://youtu.be/v6e5XKz5zD4
第6回 量子コンピュータの仕組みと最新の研究内容を紹介！
　https://youtu.be/8aEz5ViPDa0
第7回 AppleシリコンのM1が高性能すぎてMacBookがやばい！
https://youtu.be/wU_FrFOY76Q
第8回 マイクロソフトがCPUを自社開発！インテルはどうなるのか？
https://youtu.be/QYU21g2QyCU




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