盧俊銘 組長
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「時常捫心自問，做這件事和別人有何不同？不做 Metoo，才能創造自己的價值。」 工研院資通所 組長 盧俊銘 晶片設計與製程是半導體產業重要關鍵，隨著電子產品複雜度提高，傳統晶片開發時程日益增長。為了突破現狀，工研院資通所ESL 團隊開發「電子系統層級平台技術」，在設計階段，就能確實以軟體應用情境的角度完成系統模擬與驗證，幫助設計者提前發現問題進行改善，縮短整體開發時程。 |
創建電子系統層級平台 助IC設計業一臂之力
團隊創新領航－ESL系統晶片技術團隊
財團法人工業技術研究院資訊與通訊研究所
【電子系統層級設計技術研發】
晶片整合的功能越來愈多，原本一顆顆限定功能的晶片，經由二合一、三合一、多合一，所有晶片功能都整合在同一顆比指甲還小的系統單晶片（System-on-a-chip，SoC）上。舉凡智慧型手機、個人電腦等類電子產品皆受惠於這顆系統單晶片，變得更輕巧、更省電、更便宜。
迎接晶片整合趨勢，工研院覺察到未來系統晶片的高複雜性，將超越傳統晶片設計概念。有鑑於當時半導體產業的研發與技術成熟度有所不足，工研院成立團隊積極投入，歷經多年鑽研， 成功開發出電子系統層級(Electronic System Level，ESL) 設計平台。
這個平台很好用，能協助半導體業者於設計初期，依據產品應用情境快速進行模擬分析，提前「預知」系統晶片性能狀態，大幅提升設計成功率。此項成果榮獲第6 屆經濟部國家產業創新獎的「團隊創新領航」獎項肯定。
十年磨一劍 累積研發能量
從成立平台到得獎，一切看似發生在短短數年之間，實際上，早在二十年前，工研院ESL團隊研發能量就已經啟動，為日後的提升產業發展悄悄埋下因子。
2000 年左右，國內業界對於行動通訊晶片產生極大需求，工研院成立系統晶片技術中心，十年前又建立ESL 團隊，開始發展電子系統層級設計技術。工研院資通所組長盧俊銘說明，「在晶片設計方面，工研院一直尋找能夠對社會有貢獻，特別是與IC 設計產業互補的開發機會，當發現產業在晶片設計架構與軟硬體整合上有需求，我們決定投入該平台工具的研發，希望協助半導體業者未來擁有系統晶片自主開發技術。」
ESL研發團隊長期維持在15 ～ 30人左右，成員包含軟體、硬體、架構設計、設計自動化等多元專長。雖然率先開發出電子系統層級平台工具，可惜當時的時空背景與國內晶片設計產業文化等種種限制，此平台工具未如預期發揮效用。後來系統晶片中心雖併到資通所，但產業需求仍在，相關設計研發及技術與人才養成也依舊延續，讓ESL 研發團隊的技術水準一直保持在先進地位。
轉捩點出現在2014年左右，物聯網技術興起，智慧終端裝置大量增加，為了讓這些具有強大運算能力的設備「動」起來，高度整合的系統晶片設計成為箇中關鍵，電子系統層級平台隨之變得炙手可熱。
「過去晶片設計流程是硬體設計完成才開發軟體，從晶片功能、規格制定到設計雛形驗證，過關後送到晶圓廠製作，平均開發時程約一年半到兩年左右，但系統晶片出現之後，軟體重要性與複雜度大幅提升，驗證的過程必須更快，也必須拉高到系統層級。」盧俊銘說明，倘若設計的晶片仍然要開發一、兩年，甚至投產後才發現不是當初想要的，此時卻無法做任何變更，只能重新來過，勢必造成極大損失，生產時程不穩定，對企業競爭力也相當不利。
ESL 團隊研發的這套電子系統層級設計平台技術軟體，讓晶片設計者在設計初期就有可供模擬應用的環境，能夠預先透過平台的驗證，進行架構探索，找出設計中的瓶頸，提早知道晶片應用於系統中可能遭遇的問題，不僅讓晶片模型開發時程由原本的三至六個月以上，縮短到一個月，大幅減少了開發時間，也讓晶片設計成功率提高、晶片效能更好，有效解決業者在漫長晶片開發過程中，因無法驗證而導致各種有形與無形的開發損失。
建模擬平台 分析耗電與熱能
不過，當時半導體產業遇到的晶片設計問題，不只是開發時程過長，「耗電」與「過熱」更是關注焦點。
關心3C 資訊動態的族群，對於數年前蘋果iphone 6S 手機曾掀起一陣風波的「晶片門事件」相信記憶猶新，蘋果各自採用台積電版和三星版的系統晶片，經測試證明，兩版本的晶片在耗電、散熱與續航表現有所差距，台積電版表現更優秀一些，當時此事件引發iPhone 6s 購買者關注，緊張自己手機裏頭的晶片到底是哪個版本，再加上其他品牌不時傳出手機過熱自燃的新聞，這些事件都讓消費者從此正視3C 產品如何能兼具低功耗與高效能的產品品質。
「產業界普遍面臨的難題，主要在於缺乏從晶片硬體到軟體的整合分析能力，以致於設計出來的系統晶片總有『耗電』、『過熱』或『性能不足』等問題，影響終端產品的表現，這是晶片設計亟需解決的痛點。」盧俊銘指出。半導體業者都在積極尋找解決方案，某家國際級半導體大廠發現ESL 研發團隊在此領域累積的技術能量，主動登門尋求合作開發。
「有沒有辦法在設計初期就提供全系統功率與熱模擬環境，讓廠商減少風險？」承擔任務的ESL 團隊，運用之前電子系統層級設計技術蓄積的技術經驗，得到這個靈光一閃的想法，將功率與熱模擬放入系統中，開發出「功耗與熱感知系統層級平台」，成為突破瓶頸的關鍵。
透過此系統分析模擬平台，在晶片設計初期的架構分析階段，就依據終端產品應用情境快速進行系統分析，可暸解晶片不同區塊在各種應用情境下的耗電與散熱情況，確定後再進行電路與實體設計。舉例來說，設計者若想知道晶片未來在手機上執行3D 遊戲時會不會過熱，運用此平台進行模擬，就能得到設定使用情境下晶片運行的表面溫度，以及晶片熱點所在位置與發生時機。
ESL團隊協助國際半導體大廠建立此一功率與熱模擬平台技術，以系統角度進行製程優化，提升晶片省電性能達30％，縮短製程量產時程6 個月，其快速與精確模擬亦加速了量產時程，讓產品提早上市，也鞏固了該企業做為產業龍頭的生態，使其在全球市場中立於不敗之地。
軟硬整合驗證 增加AI晶片效能
人工智慧AI浪潮來臨，對晶片設計業界來說又是一項新挑戰，以往設計者只需依照客戶指定規格進行硬體設計，「進入AI 時代，設計者必須跨出原本熟知領域，了解AI 演算法的特性與系統應用，才能為AI 晶片制訂正確的規格，協助客戶在所需應用上將晶片發揮至最佳性能。」盧俊銘分析指出。
2016 年，ESL團隊針對AI複雜的軟硬整合，再接再厲開發出「AI 晶片軟硬體整合設計平台」，此次也是在同一家國際半導體大廠相邀下共同合作，無論在品質、速度與精準度，均超越業界的要求，壓力與任務難度比起先前的功耗與熱感知平台猶有過之，卻也激發了團隊成員的潛能，抱著使命必達的心情執行任務。
「那段時期配合國際大廠的工作節奏，完全體認到在業界打仗是什麼滋味。」盧俊銘說，印象最深刻的是每週的跨國會議，「國際大廠與美國客戶、連同新竹園區和ESL 團隊，四方採視訊方式同步進行，針對前一週預計要達到的進度逐項討論，會議通常從美國傍晚、臺灣一早開始，一講就是好幾個小時，開會開到對方半夜、我們的下午是常有的事。」
始終用積極心態迎向實戰，ESL 團隊的付出帶來豐碩成果，「AI 晶片軟硬體整合設計平台」加入深度學習演算法與軟硬體協同的設計，讓原本不熟悉AI 的晶片設計者，也能理解其演算法的精髓，成功協助國際大廠知曉要如何調整製程，滿足系統客戶的需要；目前也獲多家晶片設計廠商導入，應用於新一代AI 晶片之設計與製造，預先進行軟硬體整合驗證，提升AI 晶片效能。
除了在AI晶片設計上有斬獲，ESL團隊系統層級技術也協助國內封裝測試業者強化了異質整合系統設計與分析能力，使其在尚未進行封裝細部設計前，快速評估不同封裝型態對於晶片系統的功耗、溫度與電源穩定性的影響分析，找到最適合的封裝型態；建立國內首創之系統層級協同設計平台，也幫助多家晶圓製造、封測業者提前與晶片及系統業者展開產業鏈合作，建立新的服務模式，讓臺灣半導體產業更上層樓。
不做Me too 永遠計畫下一步
曾經擔任工研院系統晶片技術中心主任的清華大學教授吳誠文，是建立ESL團隊的推手之一，離開工研院後，他仍與ESL 晶片技術團隊成員保持互動，從旁協助與國內外公司建立合作關係，看到ESL 團隊的成就，他深深引以為傲，「證明ESL 當初提早投入研發是對的！」
「ESL團隊不斷積極進行產業實際案例的解決方案開發，完全了解產業需求與發展動向，更從第一天開始就與學界進行緊密的合作研究，至今沒有中斷，這是成功的重要因素。」吳誠文認為，工研院扮演前瞻研究轉為產業技術的引擎角色，ESL 團隊絕對是其中一個成功的典範。
「各項創新讓ESL研發團隊獲獎無數，除了本屆國家產業創新獎，亦榮獲工研院107 年產業化貢獻獎金牌獎，以及有「科技產業奧斯卡」之稱的2017 全球百大科技研發獎（R&D 100Awards）。盧俊銘強調，「團隊和廠商看似在近年才展開合作，其實都是先前已做研發佈局，才在未來某個時間點發揮價值，獲獎的榮耀，背後代表的是團隊十年耕耘、堅持不放棄的結果。」
工研院向來是研發與產業界之間的寶貴橋樑，扮演前瞻技術支持的角色，盧俊銘領導ESL團隊時，也隨時思考三、五年後半導體產業可能遇到的問題，永遠都在想下一步做什麼。他透露，ESL 團隊致力落實的研發管理哲學，就是時常捫心自問，做這件事，和別人有何不同？「不做Me too，才能創造屬於自己價值與獨特性。」
根據研調機構IC Insights 統計，2018年臺灣晶片設計業全球市占率16％，排名世界第二，僅次於美國，盧俊銘預測，進入物聯網與AI 時代，晶片設計複雜度持續大幅躍進，速度與品質絕對是未來決勝的關鍵。特別是類似人腦功能的AI 運算晶片，勢必將成為世界各國研究和角逐的焦點，ESL 團隊將繼續發揮電子系統層級平台技術的價值，為臺灣晶片設計業增加優勢，希望協助臺灣半導體產業開創新局，迎來下一波成長的機會。
感言：工研院資通所 組長 盧俊銘
非常榮幸能獲得這個獎，也十分感謝評審委員的肯定，更感謝團隊成員一路走來的辛勞與相互扶持，我們會再接再厲，為產業的未來持續奮鬥，謝謝。
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- 發布日期：2023/07/08
- 最後更新時間： 2024/04/29
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