进入2005年不久，国外各大科技厂商纷纷针对次世代高科技的未来革新趋势进行预测与评估，具体内容包括平面显示器（Flat Panel Display；FPD）、LSI集成电路、奈米科技（nano）、可携式电子产品的电源，以及无光罩半导体制程等等。虽然这些科技看似非常识性，却可预期是未来十年各科技厂商主要获利来源，因此如何在既有基础上建立独自的核心技术，同时开拓新的应用领域，成为全球关注的焦点。

本文计划深入探讨FPD、LSI集成电路、奈米科技、微型发电组件、无光罩半导体制程等几项次世代高科技的未来演进，以提供产业界参考。碍于篇幅，本期将先介绍次世代FPD与LSI集成电路技术发展趋势。

次世代FPD技术

所谓的平面显示器包含电子纸在内，举凡液晶显示器、电浆显示器、有机/无机显示器都是其范畴，而融入生活空间、高临场感、取代纸张则是平面显示器的终极诉求。一般认为2010年以后可实现上述三大目标的次世代新技术将主导显示器产业，如(图一)。由于上述新技术大多仍处于基础研究阶段，距离实用化还有许多问题有待克服，相对的何者能率先突破技术障碍，基本上未来在市场上就有机会获得绝对优势。

融入生活空间

有关第一项融入生活空间，以飞利浦（Philips）的「人工智能」构想最具代表性，亦即平时空间内并无任何显示器形体，欲观赏影像时空间才会显示影像；该公司在2003年11月推出的「Mirror Display」就是该构想的雏形产品。该显示器具体结构是一旦停止观赏影像时，显示器就变成一片毫不起眼的镜子，藉此方式淡化显示器形体的刻板印象。芬兰FogScreen Inc的「Fog Screen」，与美国IO2 Technology的「Heliodisplay」则是在自然空间显示影像；如(图二)、(图三)。

Fog Screen是用水粒子在自由空间制作透明的银幕，再将影像投射至该银幕。2003年8月推出的实验机型，可在自由空间制作宽2公尺、高1.5公尺的水粒子透明银幕，再利用投影机投射影像。如果水粒子单纯喷雾，气流会四处流窜造成影像严重晃动，因此必需控制喷雾器的气流，使水粒子能够呈平板状扩散。(图四)是日本湘南工科大学提出的水粒子银幕构想，该银幕可以显示动态全像（Hologram）影像。2003年8月美国IO2 Technology发表的「Heliodisplay」虽然未公布详细结构，不过将影像投射至极薄的空气层，基本动作原理则与Fog Screen的构想完全相同。

高临场感

:有关第二项高临场感，是指将影像如同肉眼观察到的景物般的再生，它并不是单纯的深浅层次立体感的影像显示，而是从侧面观赏物体时也能看到物体侧面，而且视角与视域都非常宽广，眼睛也不会有疲倦感。实现以上目标的具体方法分别有「视网膜直接扫描方式」与「空间影像再生方式」两种。

其中美国Microvision直接将影像写入视网膜的视网膜扫描方式已在2002年商品化，具体动作原理是根据影像信号使低功率雷射点灭，接着利用微机电技术（Electro Mechanical Systems；MEMS）制成的微镜片将雷射反射至视网膜使，由于微镜片以一定倾角高速在视网膜扫描雷射光，因此观赏者可以获得前所未有的高临场感，该显示器整体重量约510～765公克，如(图五)，预定2004年推出轻量化次世代产品，同时还计划增加上下17度、左右23度的画角，并开发可随着眼睛移动改变扫描影像的新技术，试图藉此建构高解析、高临场感影像扫描系统。

空间影像再生方式是则利用物体反射的照明光线直接再生，使物体有如矗立在眼前般的高临场感。光线再生方法则可分为「Integral Photographer」，与利用干涉纹记录、再生光线信息的「Holography」等两种。「Integral Photographer方式」是利用复数小型相机从各角度拍摄影像，再将上述成影像的光线重合再生。日本NHK曾在99年利用Integral Photographer的影像与进行实时再生测试，影像再生时使用TFT液晶面板，因此只能获得分辨率为160×117的立体影像，与50cm的视域直径，NHK计划未来将分辨率提高5倍，视域直径为1m，届时目前的显示器与相机必需从4000×2000解析极限再提高10倍以上。

此外NHK同时在2001年利用Holography方式将雷射光，照射记录有干涉纹的液晶device，使Holography作电子化再生，彻底解决传统Holography无法显示动画的困扰，该试作机的视域为6.5cm非狭窄，因此两眼只能勉强观赏立体影像，液晶device有效画面尺寸为1.7吋，画素间距为10μm，解析为3840×2048，根据NHK表示画素间距若能微至成1μm，视域可以轻易扩大10倍以上。

电子纸

有关第三项电子纸，最终目的是兼具易读性与任意改写等纸张特征，同时还可以显示动画，虽然已经有厂商推出由胆固醇液晶方式与电气泳动方式构成的电子纸，不过这两种型式的电子纸反应时间都非常慢只有100ms，因此未来必需设法提高改写时间与动画显示；相较之下利用着色粉体移动特性，显示画面的「粉体移动方式」，与利固体界面湿润性变化特性，显示画面的「Electro wetting方式」高速电子纸技术则备受嘱目。

粉体移动方式是日本千叶大学北村教授提出，98年北村教授曾经利用由氟化碳构成的白色粒子与树脂、carbon构成的黑色粒子，使黑色粒子上下移动进而实现黑白画面显示，由于显示面无法全部覆盖黑色粒子，因此画面的对比（contrast）偏低；富士全录则是使黑色与白色粒子带相异的电位，藉此使两种颜色的粒子朝反方向移转，如(图六)，显示黑色画面时白色粒子被吸至内侧面板，如此一来画面就全部被黑色粒子覆盖，进而使得对比大幅提高，根据该公司试作面板的测验结果显示，该电子纸的反应时间高达5～10ms；Bridgestone则利用具备液体动作机制的粉体，获得0.2ms的反应时间。粉体移动方式另一项课题是降低驱动电压，因为目前驱动电压高达70～500V，如果使用标准驱动IC，驱动电压必需低于数十V以下。

Electro Wetting方式是飞利浦开发的技术，如(图七)，它是在白色基板上的疏水性绝缘膜表面涂抹着色油膜，未施加电界时着色油膜会覆盖绝缘膜，因此看不到油膜的颜色 ，一旦施加电界绝缘膜会由疏水性变成亲水性，油膜因表面张力变成圆珠状并从绝缘膜表面剥离，其结果使得大部份的绝缘膜露出表面呈现白色基板，目前最大课题是绝缘膜的露出面积只有画面整体的60％左右。

次世代LSI集成电路技术

如(图八)所示，未来LSI集成电路将发生质变，软件将受到高度重视，尤其是SoC（System on Chip）等产品，必需将功能做软性改变，以符合所谓的「软性LSI集成电路」时代需求，因此原本可以利用软件变更功能的微处理器（micro process）与记忆IC，也开始进行构与原理等根本性的修正。

SoC是将复数功能集中在一片芯片上，所以SoC一直是微细化与大规模化的重要技术指针，未来不改变硬件结构的前提下，变更功能达成所谓的「柔软性」要求会受到高度重视，主要原因是半导体进入90nm node后，SoC的光罩成本动辄超过一亿日圆，变更SoC的功能，意味必需开发全新的芯片，其结果势必面临高额的制作成本等困扰。

追求更高柔软性的FPGA组件

为提高SoC的柔软性所建立的开发指针可用(图九)的「key word」表示，虽然改写微处理器的软件内容，同样也能达成LSI集成电路柔软性的目的，不过却有处理速度大幅降低之虞，相较之下利用电路数据的读取改变硬件结构的技术，已经成为半导体业者关注的焦点，例如FPGA（Field Programmable Gate Array）就是典型的代表；不过相关业者对FPGA的动作速度与耗电量不满声浪却日益高涨。有鉴于此，日本产业技术总合研究所开发不但可将集成电路改变成类似FPGA电路结构，同时可以改善动作速度与耗电量，它的效果不亚于专用硬件，几乎等于是具备新功能的芯片，如(图十)、(图十一)。该技术称为 LSI「Flex Power FPGA（FP2GA）」。基本上它是独立控制晶体管的峰值电压，藉此方法包含电路结构在内，甚至电路的速度分布与电力分布都可以重新建构。

虽然降低晶体管的峰值电压可以提高晶体管的动作速度，不过off时source与drain之间的漏电电流却会增加，相反的若提高晶体管的峰值电压虽然动作速度会减缓，相对的却可大幅降低漏电电流，进而获得低耗电化效益，也就是说要求高速动作时电路上可依据各部位的需求，分别使用低峰值电压晶体管与高峰值电压晶体管。

虽然上述手法已广泛应用于SoC，不大多数却在峰值电压相异的晶体管制作阶段时被分开，因此制作后无法改变晶体管的峰值电压。此外在所谓的「body device」特定电路block施加电压，藉此控制峰值电压的技术，却无法以晶体管为单位进行控制。

(图十)是上述FP2GA采用double gate结构，制成所谓的「XMOS」新型晶体管的动作原理，该晶体管具备晶体管单位控制峰值电压的功能，主要原因XMOS晶体管是用两个gate电极挟持channel，第一gate负责控制channel，第二gate则负责控制峰值电压，也就是说XMOS晶体管一改传统三端子结构，成为四端子动作的组件。不double gate结构的晶体管制作非常困难，所幸的是进年随着微细化技术的进步，一般认为具备四端子的XMOS晶体管，未来将成45nm node的主流技术。

在此同时产业技术总合研究所开发EDA技术「Flex Power VPR」，该技术可根据电路数据在芯片上建构电路，如(图十二)。如果只是单纯的电路建构，事实上目前FPGA用layout与布线tool已经可以胜任，不过电路分成要求高速性与非高速性两种时，就必需将XMOS晶体管的峰值电压作各别的优化设计，因此需要在一般layout与布线tool内，追加速度与电力分布优化设计等功能。

由于目前尚无法利用XMOS技术制作芯片，因此出现许多仿真分析提案，具体内容是先设计FP2GA的基本逻辑结构，接着再根据body device，进行基本电路的速度与耗电特性评估 ，再将评估结果反映在EDA tool，同时以FP2GA建构各种bench mark电路，最后才进行耗电特性降低效益，与速度提升效益的评鉴。

(图十三)是利用占芯片整体耗电量极大比率的漏电电流的电力消耗特性，当作20种bench mark电路的平均值计算的结果，由图可知FP2GA的电力消耗（漏电电流所造成）只有具备同等级处理能力FPGA的1/30左右。

微处理器之演进趋势

事实上微处理器（micro process）具有极高的柔软性，它可利用软件轻易变更内部的功能，因此研究人员提出大幅改变提升性能的全新构想，试图藉此手段充分发挥上述特性，进而达成处理性能提升目的。以往为了提升处理性能大多是采用提高clock频率，与微处理器并联两种方式，未来则会利用单芯片执行复数应用，这种方式又以美国Sun Microsystems的动作最积极。

促使微处理器高性能化的主要原因，是最近几年因特网终端机的数量急遽增加，如(图十四)所示，90年代的因特网是以计算机为主轴，终端机的数量大约是108台，目前则是以移动电话为主轴，终端机的数量大约是1011台，预估2007～2008年所有的物流商品可能都具备类似「μ芯片」的无线ID卷标（tag），届时终端机的数量会暴增至1014台，相对的数据的交易量大幅增加，使得伺服机的工作量更加吃紧。90年代终端机的数量从108台增加成1011台时，曾经发生伺服机的处理能力不敷使用的窘态，因此一般预料2007～2008年可能会重演上述现象，为避免重蹈覆辙因此伺服机的处理能力必需提高1000倍以上。

基本上Sun Microsystems是利用下列三种组合技术提升微处理器的性能，分别是：

其中「Chip level Multi letting（CMT）」处理技术是它的核心，这种技术主要目的是试图使记忆体的等待时间作有效应用，如(图十五)、(图十六)，因为目前大部分的微处理器即使提高动作频率，对处理性能的提升几乎毫无帮助，例如1.2GHz微处理器的动作频率提高1.8倍，相对的耗电量也增加1.8倍，成本则暴增5倍可是处理性能却只增加1.2倍，造成这种现象主要原因是微处理器的动作时间中，有75％被内存等待时间占用，因此CMT技术就是要利用内存的等待时间作其它处理。虽然过去所谓的「Super Scalar」技术可在单一clock cycle执行复数个指令，不过根本上它是将微处理器的指令分割并列处理，所以实际上处理application的数量只有一个；相较之下CMT技术是改变微处理器的结构，同时处理复数个application。Sun Microsystems计划在2006～2010年阶段性将微处理器单体的处理性能提高30～100倍。

热探针记录技术

到目前为止，记忆IC藉由芯片微细化与cell结构设计，获得极高的大容量化效益，一般认为未来传统记忆IC会被微积电技术（MEMS）制成的「multi probe memory」取代。基本上它是可移动原子的探针（probe）显微镜衍生技术，利用该技术可实现超极限的高密度记录，如(图十七)所示，这种probe可分为下列两种：

热探针的动作原理与类似光盘片非常类似，它是利用热能使媒体产生位相变化藉此记录数据，唯一差异是光盘片是使用雷射光加热，热探针方式是改采微细探针，如(图十八)，探针前端设有微型加热器（heater），探针加热的同时会与媒体接触，记录大小只有数百nm的数据，直径30nm的微型加热器则是利用MEMS技术制作。

目前热探针记录技术还有许多问题有待克服，首先是写入速度为1μs非常缓慢，主要原因是探针会残留热能，无法像激光束一样立即切断热能恢复原状，因此利用微细加工在芯片上制作1000根以上的探针，藉此达成高速写入的要求；第二项问题是无法改写数据，基本上热探针无法迅速冷却，所以无法像光盘片等相变化媒体，反复作结晶与amorphous转换；第三项问题是探针恒时与媒体接触极易磨耗，因此使用高硬度?石探针与软质聚合体材质记录媒体，如(图十九)。

上述电气probe则以具备强诱电膜层媒体的「强诱电体probe memory」最具代表，基本上它是使用「SNDA」技术在探针前端施加电压，使强诱电膜层的双极子反转藉此记录数据，由于强诱电体的邻近数据相互干涉远比磁性体低，所以可以获得极高的记录密度，而且它是利用电气特性写入数据，因此具有高速与数据改写的优点。除此之外probe memory更是实现超威型X-Y stage不可或缺的组件。(图二十)是东北大学开发的积层压电actuator的外观，由图可知正方形筐体周围设有stage可朝X-Y-Z方向自由移动。

小结:

以上所探讨的平面显示器与LSI集成电路领域的次世代技术，已经是欧、美与日本等地大厂正积极布局的发展重点，可望在未来十年成为主导市场的主流科技。下一期将继续针对奈米科技、微型发电组件、无光罩半导体制程等技术，为读者做深入的介绍，敬请期待！

延 伸 阅 读	厂商纷纷朝向次世代显示器的开发，其中以塑料基板为主的可挠式的面板更是各家努力的方向。相关介绍请见「新世代显示器明星──可挠式塑料面板」一文。 电子纸结合传统纸张轻巧、携带方便，以及电子屏幕可重复删写、储存大量信息的优点，成为媒体的明日之星。你可在「电子纸商机争霸战」一文中得到进一步的介绍。 大多数研究人员认为，在目前的实验室研究中，探针储存是最有前途的储存技术。在「消费性革命带动前瞻性储存技术」一文为你做了相关的评析。

相关组织网站	IO2 Technology 日本产业技术总合研究所 飞利浦官方网站