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第3章 計算機組織 (Update)
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第3章 計算機組織 (Update)

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  • 1. 第3章 計算機組織 中央處理器 主記憶體 執行程式 輸出入周邊設備 儲存裝置 積體電路 電腦基礎元件 真空管 超大型積體電路 電晶體 3-2 1
  • 2. 三大電腦展 德國漢諾威電腦展 (CeBIT;每年三月舉行) 台北國際電腦展 (COMPUTEX TAIPEI; 每年六月舉行) 美國拉斯維加斯秋季電腦展 (COMDEX FALL;每年 九月舉行) 3-3 各類型電腦 桌上型電腦 筆記型電腦 平板電腦 3-4 2
  • 3. 3C整合 Computer(電腦) Communication(通訊) Consumer electronics(消費性電子產品) 3-5 五大單元 五大單元運作 從資料處理的角度來看,電腦的架構主要分為五大單元 (也稱為五大部門):算術邏輯單元(Arithmetic Logic Unit, ALU)、控制單元(Control Unit,CU)、記憶單元 (Memory Unit, MU)、輸入單元(Input Unit)、輸出單元 (Output Unit)。 3-6 3
  • 4. 中央處理器 3-7 控制單元 控制單元主要接受程式軟體(指令)的指揮,可以產生微指令, 控制計算機的執行順序及負責協調各單元間的運作與資料的傳 送 控制單元對指令進行解碼(decode),將操作數據送至算術/邏 輯單元,以及指揮算術/邏輯單元執行(execute)指令要求的 運算,再根據結果擷取下一指令,再重複解碼、運算操作過 程,直至程式執行完畢 以控制從輸入單元將quot;Aquot;放入記憶體11000001為例,其運作如 圖。 輸 控 制單 元 入 單 控制訊號 控制訊號 元 例如 1 10 0 0 00 1 的位址 記憶 體 位址 資料 資料及指令 11 00 00 01 0 10 0 00 01 例如“A”是 01 00 00 01 3-8 4
  • 5. 算術邏輯單元 由負責算術運算與邏輯運算的邏輯電路所組成 算術運算包括簡單的加、減、乘、除等運算;邏 輯運算則包括且(AND)、或(OR)、互斥或 (Exclusive OR,XOR)等 當資料需要運算時,會由輸入單元送至記憶單元 後(由控制單元負責),電腦透過指令的控制將 在此單元的資料進行運算,之後再將結果送回記 憶單元 例如在記憶位址中的11000001和11000010分別放 了數字1(0000 0001)和2(0000 0010),現在要將 此兩個值加總放回位址11000011,則其運作方式 如下圖。 3-9 算術邏輯單元 3-10 5
  • 6. 邏輯運算 3-11 中央處理器速度 CPU產品的生命週期很短,每數個月即有速度越來越 快的CPU上市,從早期的80286、80386、80486、 80586 (Pentium),到現在的PentiumII、III、IV(通 稱P4)。未來還會有處理速度更快的CPU上市。這些 CPU的速度衡量標準,有下列三種方式: MIPS:每秒執行百萬指令數,微電腦系統採用 MFLOPS:每秒系統執行百萬次浮點運算數,大型電腦 採用。而超級電腦則採用GFLOTS為處理速度指標。 MHz:赫茲(Hertz)是一種頻率單位,一個時鐘週期是 指關閉電晶體並回到初始狀態需要的時間。百萬赫茲 (Megahertz, MHz)指的是每秒一百萬個週期。 3-12 6
  • 7. 中央處理器速度 時脈週期(clock)為頻率的倒數,也可用來計算 CPU的作業速度 例如:頻率為400MHz的CPU,則時脈週期為 1/(400*106)=1/(4*108)秒=2.5x10-9秒=2.5奈 秒(ns),即此CPU執行一個動作只要2.5奈秒(ns) 的1倍、2倍或多倍等,要看動作所需的時脈數而 定。 3-13 暫存器 暫存器功能 主要用來暫時存放要進行運算的資料、或暫時 存放已經運算完畢的資料、或控制程式執行的 資料 當CPU要進行運算時,控制單元會先讀取並解譯 指令,將資料存放在暫存器中,然後啟勤算術 邏輯單元,使它針對暫存器內的資料進行運 算,完畢後再把結果存放回暫存器或送回隨機 存取記憶體(Random Access Memory,RAM) 3-14 7
  • 8. 匯流排 匯流排功能和分類 CPU和元件之間,或是元件與元件之間是透過匯流排 (bus)來溝通 匯流排是一組建立在許多電腦元件與元件之間的邏輯電 路 一般匯流排分為資料匯流排(data bus)、控制匯流排 (control bus)和位址匯流排(address bus)三種 若無特別強調時,一般所稱的匯流排是指資料匯流排 3-15 資料匯流排 資料匯流排是一種將CPU、記憶體和其他元件連接起來 的邏輯電路。 一般以資料匯流排之排線數,做為CPU的位元數稱謂, 如16位元電腦其資料匯流排之排線數為16。而32位元的 匯流排為4個位元組(byte)。 而CPU透過資料匯流排一次讀取的資料量便稱為一個字 組(Word)。 3-16 8
  • 9. 位址匯流排 要存放或讀取記憶體某位址的資料時,一定要先知道其 位址。因此位址匯流排即是將CPU和記憶體連接起來, 並且傳輸記憶體位址,以利於讀出或放入資料到該記憶 體中 例如CPU要讀取位址1000 0000 0000 0000 0000 1111的 資料3(0000 0011)時,其運作如下圖 位址 ? 流 排 請求 傳送 資料 1 位址 在 10 00 0 000 0 000 0 000 0 000 1111 CPU 記憶 體 2 傳 送資 料 0 000 0 011 資 料? 流排 3-17 控制匯流排 早期的個人電腦大部分有20位元的位址匯流排, 因此定址能力為220,即1MB。現在大多數CPU的位 址匯流排為32位元,定址能力為232=4GB。未來更 新型的電腦,其位址匯流排的位元數或許還會更 多 控制匯流排 是CPU對電腦元件發出控制訊號的邏輯電路 如果所處理的訊號是控制訊號,此時即需透過控 制匯流排來傳送,以利於控制電腦元件的工作 3-18 9
  • 10. 指令 每一條指令,都是控制單元直接可以識別的二進位 字串,根據作用分為運算碼與運算元(operand)兩 部分。 運算碼 運算碼用於說明這條指令進行何種操作。 運算元 運算元是運算所需的來源資料。 3-19 執行程式 3-20 10
  • 11. Steps of a machine cycle The CPU uses repeating machine cycles to execute instructions in the program, one by one, from beginning to end. A simplified cycle can consist of three steps: fetch, decode, and execute. 3-21 Example: adding two integers Contents of memory and register before execution 3-22 11
  • 12. PC(Program Counter,程式計數器) :用於存放下一條要執行的指令的地址。 I(Instruction Register,指令暫存器) :暫存目前執行的指令。 3-23 Example: first operation Contents of memory and registers after first operation 3-24 12
  • 13. Example: second operation Contents of memory and registers after second operation 3-25 Example: third operation Contents of memory and registers after third operation 3-26 13
  • 14. Example: fourth operation Contents of memory and registers after fourth operation 3-27 生產線技術(pipelining) 3-28 14
  • 15. 記憶體功用和結構 功用 類似於CPU的暫存器的功能,可以暫存CPU 所需要的資料 它可以暫存資料(沒有電源即消失),也可 以永久保留資料(自備電源,所以資料不 會消失)。 容量由數KB到數百MB或GB 3-29 記憶體功用和結構 程式要載入到記憶體才能執行 一般應用程式或資料都儲存在磁碟機(磁碟、硬碟、 光碟等)上,但儲存在磁碟機上的應用程式無法由 CPU直接控制和執行,因為CPU的處理速度是每秒數 億個運算,而磁碟機是由步進馬達來驅動和讀寫資 料,兩者速度相差甚遠,所以要有記憶體來當中 介,因此CPU只對記憶體存取資料,不會直接存取磁 碟機媒體的資料 CPU 2.執行 X 硬碟 記憶體 1.載入 程式 程式 3-30 15
  • 16. 記憶體功用和結構 為了管理方便,我們會將記憶體編號,賦予特定的 位址(address),就像是我們家裡的住址或是信箱編 號一樣,這樣中央處理器就可以照著位址來存取資 料。 記憶體的存取的資料一般是以1個位元組(Byte)為單 位 如果你有1KB的記憶體則可畫分出210=1024個位址 位 址 (2 進 位 ) 位 址 (1 6 進 位 ) 記憶 體的 內容 0 0 00 0 00 0 0 0 000 0 0 11 10 0 1 0 0 00 0 00 0 0 1 001 0 10 0 00 0 1 0 0 00 0 00 0 1 0 002 0 10 0 00 1 0 1 11 1 11 11 0 1 3FD 1 1 11 1 11 11 0 3FE 1 1 11 1 11 11 1 3FF 3-31 位址和值 3-32 16
  • 17. Note: Memory addresses are defined using unsigned binary integers. 3-33 Example A computer has 128 MB of memory. Each word in this computer is 8 bytes. How many bits are needed to address any single word in memory? Solution The memory address space is 128 MB, which means 227. However, each word is 8 (23) bytes, which means that you have 224 words. This means you need log2 224 or 24 bits, to address each word. 3-34 17
  • 18. 記憶體的容量、速度與價位 3-35 Memory hierarchy Small amount of high-speed memory: register Moderate amount of medium-speed memory: cache memory Large amount of low-speed memory: main memory. 3-36 18
  • 19. 記憶體功用和結構 記憶體一般可分類為主記憶體 (Main Memory) 和輔助記 憶體 (Secondary Memory) 二大類。 主記憶體 (Main Memory) 為 CPU 運算和儲存程式、資 料用途之元件,是微電腦內部的儲存裝置,屬於內部記 憶體 (Internal Memory)。依功能和特性的不同又可區 分為唯讀記憶體 (Read Only Memory,ROM)、靜態隨機存 取記憶體 (Static Random Access Memory,SRAM)、動態 隨機存取記憶體 (Dynamic Random Access Memory, DRAM)。 輔助記憶體 (Secondary memory) 是用來儲存程式、資 料檔及備份資料等,如磁碟機、磁帶機、光碟機等。具 有輸入輸出的功能,又稱為外部記憶體 (External memory),為大量資料儲放的空間,用到時才放入主記憶 體中。 3-37 主記憶體類別 RAM(Random Access Memory;隨機存取記憶體) SRAM(Static RAM;靜態隨機存取記憶體) DRAM(Dynamic RAM;動態隨機存取記憶體) ROM(Read-Only Memory;唯讀記憶體) PROM(Programmable ROM;可程式的唯讀記憶 體) EPROM(Erasable Programmable ROM;可擦拭及 程式的唯讀記憶體) EEPROM(Electronically Erasable Programmable ROM;可電子擦拭及程式的唯讀記 憶體) 3-38 19
  • 20. 唯讀記憶體 功能 為只能讀取不能寫入的記憶體,關閉電源後內容不 會消失,可永久保存資料 因為電腦系統打開電源後要經過自我測試和開機程 序後,才會載入作業系統開始工作,而個人電腦的 開機程序即儲存於 ROM 中,由 ROM 中的程式負責 啟動電腦的開機作業程序。 3-39 唯讀記憶體 分類 PROM (Programmable ROM): 是可程式規劃的 ROM,資料或程式可依使用者(廠 商)的需求來燒錄,程式或資料一經燒錄便無法更 改 EEPROM (Electrically Erase PROM): 是電子式可抹拭可程式規劃的 ROM,資料利用較高 電流與電壓抹去後重寫 Flash Memory 或 Flash ROM: 稱為快閃記憶體,資料可重複讀寫,電源消失資料 仍留存。除了應用於個人電腦的基本輸入輸出系統 (Basic Input/Output System, BIOS) 外,也應用 在數位錄音棒、MP3 隨身聽、數位相機 3-40 20
  • 21. BIOS BIOS 基本輸入輸出系統(Basic Input/Output System, BIOS)是一套電腦(或作業系統)與周邊設備或應用程式 溝通的低階程式組 BIOS是ROM裡面的內建程式,它除了具有啟動載入器 (boot strap loader)功能外,還有顯示卡、磁碟、 鍵盤等硬體設備的控制程式 打開電腦主機電源,系統檢查完設備後,就會執行啟動 載入器來開啟作業系統。啟動載入器的作用,是將硬碟 裡的作業系統載入到記憶體後再啟動 現在的BIOS所支援的功能較多,除了基本的輸入輸出控 制之外,還要支援隨插即用、電源管理、開機管理等等 的工作 3-41 靜態隨機存取記憶體 架構和特性 靜態隨機存取記憶體 (Static Random Access Memory, SRAM)相對於動態隨機存取記憶體 (Dynamic Random Access Memory, DRAM) 的 特性為存取速度較快 (10~15ns以上)、成本較 高 雖然SRAM的速度較 DRAM 快,但因價錢較貴, 所以一般不會當成需要大量容量的主記憶體用 途,而是使用在協助 CPU 工作的快取記憶體 (cache memory) 3-42 21
  • 22. 靜態隨機存取記憶體 快取記憶體可加速系統效能 一般我們所用的主記憶體(DRAM)的速度較慢,所以在 CPU和DRAM之間會多了一個速度較快的快取記憶體 (cache memory),用快取記憶體取代主記憶體的角色, 可加快CPU的處理速度 快取記憶體也可存放一些CPU常會用到的程式或資料, 所以CPU要資料時,先向快取記憶體要資料,如果要不 到才會向DRAM要資料。 儲存經常使用的資料或指令 Cache DRAM 速度快 CPU 備份 速度慢 儲存一般使用的資料或指令 3-43 Cache Cache memory is placed between the CPU and main memory. At any time cache memory contains a copy of a portion of main memory. 80-20 rule: It has been observed that most computers typically spend 80% of the time accessing only 20% of the data. Cache memory can hold this 20% data to make access faster at least 80 % of the time. 3-44 22
  • 23. 動態隨機存取記憶體 架構和特性 動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory, DRAM)相對於靜態隨機存取記憶體(SRAM)的特性為存取速 度較慢(60-70ns以上)、成本較低 DRAM可隨時寫入或讀出資料,關閉電源時,存放在RAM的 內容會消失,不可永久保存資料。電腦系統的DRAM容量 可擴充 D RAM 速度快 全部載入 完整的程式 A CPU 硬碟 部份的程式 B 速度慢 程式 A 程式 B 切換 3-45 記憶體和儲存媒體比較 在個人電腦會使用到ROM、SRAM、DRAM和輔助記憶體 等四種,一般是比較四者的單位價格、容量和速 單位價格:ROM > SRAM > DRAM > 輔助記憶體 容 量:ROM < SRAM < DRAM < 輔助記憶體 速 度:ROM > SRAM > DRAM > 輔助記憶體 3-46 23
  • 24. CMOS CMOS 專門用來儲存系統參數的晶片,這些參數包括 系統日期、硬碟型態、光碟機規格、軟碟配置 等等 不會隨著電源的關閉而消失,它必須保留這些 系統參數以供電腦開機之用 CMOS的設定值可以改變,例如你的電腦系統加 裝了一個硬碟時,你就必須更改硬碟的設定值 可更改啟動磁碟為軟碟機、硬碟或光碟機 3-47 匯流排及介面 系統匯流排 負責CPU與記憶體間的 資料傳送 擴充匯流排 保留一些連接給使用者 彈性使用 3-48 24
  • 25. Connecting I/O devices to the buses A controller handles the I/O operations between the CPU/memory and the much slower I/O devices. FireWire and USB are common controllers. 3-49 USB USB(Universal Serial Bus;通用序列匯流排) 針對電腦的外接週邊設備(鍵盤、滑鼠、遊戲控 制器、攝影機、儲存裝置、掃描器和其他周邊) 所設計,讓使用者安裝特定裝置時,能夠省去開 啟電腦機箱及重開機的麻煩,隨插即用,為一般 使用者提供了操作簡便、擴充性和快速等優點 USB 2.0傳輸速度最高每秒可達480MB(早期版本 USB 1.0每秒1.5MB;USB 1.1每秒12MB) 3-50 25
  • 26. USB 3-51 IEEE 1394 IEEE 1394 一種高速序列匯流排的公定標準。Apple將此種匯 流排命名為 FireWire,Sony稱它為i.Link 提供隨插即用的功能,提供個人電腦相容性的延伸 介面,它具有保證頻寬的傳輸模式,適用於消費性 電子聲訊/視訊產品、儲存週邊及可攜式裝置 IEEE 1394的資料傳輸速度是每秒400MB,新的IEEE 1394b規格,傳輸速度高達每秒1GB 數位錄影機常用 USB目前在PC較佔上風 3-52 26
  • 27. Isolated I/O addressing There are two methods to handle the addressing of I/O devices: isolated I/O and memory-mapped I/O The instructions used to read/write memory are different from the instructions used to read/write input/output device 3-53 Memory-mapped I/O addressing CPU treats each register in the input/output controller as a word in memory. In other words, CPU does not have separate instructions for transferring data from memory or input/output device 3-54 27
  • 28. Programmed I/O When the CPU encounters an I/O instruction, it waits for the I/O device and does nothing else until the data transfer is complete. The CPU constantly checks the status of the I/O device until the I/O device is ready. The big issue is that the CPU time is wasted by checking the status of the I/O device. 3-55 Interrupt-driven I/O The CPU informs the I/O device that a data transfer is going to happen, but it does not test the status of the I/O device continuously. The I/O device informs (interrupts) the CPU when it is ready. During the time, the CPU cab do other jobs. The CPU time is wasted. 3-56 28
  • 29. 中斷要求 (Interrupt) 中斷概念 當電腦在處理程序時,需要暫停目前執行的程 式,改執行其他程式時,必須使用中斷要求 (interrupt request, IRQ) 若沒有中斷要求的程序處理,在硬體控制上將 會有困難,因為一個目前執行中的程式將佔用 電腦系統的全部資源,只有等它結束後,系統 才能再執行別的程式 周邊設備提出中斷要求(例如鍵盤的按鍵動作) 時稱為「中斷式I/O」 中央處理器會立即處理中斷要求,這樣電腦系 統才能做到即時性處理 3-57 直接記憶體存取(DMA) 功能 直接記憶體存取(Direct Memory Access, DMA)是可在短 時間內傳送大量資料的技術 使用在周邊設備與主記憶體的資料交換 它不用透過中斷請求,即不用由CPU來控制的大量資料傳 送,運作方式如圖 閒接寫入記憶體 (較慢) 需要中斷 沒有 DMA 的周邊設 備 I/O CPU 記 憶體 有 D MA 的周邊設備 I/O 不需要中斷 直接寫入記憶體(較快) 3-58 29
  • 30. Direct Memory Access (DMA) DMA transfers a large block of data between a high speed I/O device, such as a disk, and memory directly. 3-59 輸出入周邊設備 3-60 30
  • 31. 鍵盤 輔助我們將訊息輸入 電腦的重要輸入設 備,它的字符位置和 打字機類似,它與主 機板連接的界面規格 主要為PS2及USB 3-61 滑鼠 輔助我們將訊息輸入 電腦的重要輸入設 備,它與主機板連接 的界面規格主要為PS2 及USB 3-62 31
  • 32. 掃描器 掃描的文件以數位影 像格式儲存 儲存的檔案格式有 TIFF、BMP、GIF與PCX 等格式 掃描器的解析度以掃 描時每英吋的取樣點 數(dpi;dot per inch)表示 3-63 螢幕 又稱顯示器 (monitor),是電腦最 主要的輸出設備 傳統的螢幕為陰極射線映 像管顯示器(CRT; Cathode Ray Tube),既 粗大又笨重,已快速地被 既輕且薄的液晶螢幕 (LCD;Liquid Crystal Display)所取代 3-64 32
  • 33. 印表機 重要的輸出週邊設備,它的解析度以印出時每英 吋的列印點數(dpi;dot per inch)表示 3-65 儲存裝置 硬碟 磁帶 軟式磁碟片 Zip MO 光碟片 記憶卡 隨身碟 可攜式硬碟 3-66 33
  • 34. 硬碟 硬碟(Hard Disk)是電腦儲存資料最重要的地方, 它的內部有圓形碟片及讀寫頭 程式及資料平時通常放在硬碟,執行時才從硬碟載 入主記憶體,因此它是極為重要的儲存設備,平時 最好就做備份 3-67 磁性儲存原理 電腦中廣泛使用的二進位計數法,只有兩個基數「0」與 「1」,因此只需要兩種狀態,就可以表示並記錄資料。由 於磁性材料磁極的不同方向,正好可以代表這兩種狀態,因 此被應用於資料儲存上。 磁性材料的磁極與二進位基數 3-68 34
  • 35. 磁性儲存原理 寫入資料 磁性儲存媒介的表面散佈著大量磁性微粒,寫入資料的原 理,就是利用磁頭改變這些磁性微粒磁極的過程。 寫入資料時,磁頭的磁場由於寫入資料的不同而變化。例如 當寫入資料1時,將產生順時針方向的磁場,讓磁性媒介上 的磁性微粒南北磁極變成順時針方向,進而形成資料1的表 示狀態 寫入資料1 3-69 磁性儲存原理 當寫入資料0時,則產生逆時針方向的磁場,讓磁性媒介 上的磁性微粒南北磁極變成逆時針方向,進而形成資料0 的表示狀態。 寫入資料0 重複以上的操作,磁性媒介的微粒就會根據所需記錄的 內容不同而呈現不同的磁極狀態,進而完整記錄所需要 儲存的二進位資料。 3-70 35
  • 36. 磁性儲存原理 讀取資料 讀取操作時利用電磁感應原理,也就是金屬導體在磁場中 運動時會感應微小的電流;不同方向的磁場,所感應的電 流方向也不同。因此在讀取資料時,只需要將微小的金屬 導體從磁性媒介的上面經過,即可根據電流方向判斷出磁 性微粒的磁性方向,進而判斷出其記錄的資料內容。 讀取資料 3-71 光碟片 新力(Sony)和飛利浦(Philips)在八十年代初期推 出了CD-ROM CD光碟片的儲存容量為 650MB DVD(Digital Versatile Disk)單面單層可儲存 4.7GB 最高可儲存雙面雙層 達17GB之多 CD系列(CD-ROM、CR-R、CR-RW或VCD)的存 取速度時,單倍速為 每秒150KB DVD系列(DVD-ROM、DVD-R、DVD-RW或 DVD-Video)的存取速度時,單倍速為 每秒約 1350KB 3-72 36
  • 37. 光碟結構 反射層 反射層由鍍上金屬的材質組成,用於反射雷射光,產生訊 號。 染料層 染料層也稱為資料記錄層,由有機染料(organic dye material)組成,這一層染料會在燒錄資料時發生變化,以 儲存資料。 保護層 反射層 染料層 基層 3-73 光學儲存原理 寫入資料到光碟 一片新的沒有記錄資料的可錄式光碟(Compact Disc Recordable,CD-R),就像鏡子一樣平滑。當具備寫入資料 能力的光碟燒錄機要寫入資料時,會通過透鏡,將雷射光束 聚焦到光碟上,當需要寫入資料「1」時,就加大輸出功 率,讓光碟的有機染料的反射率改變;而當需要寫入「0」 時,就減小輸出功率,保持有機染料完整。重複以上的操 作,燒錄機就可以在光碟上記錄二進位資料了。 燒錄二進位資料「0」 燒錄二進位資料「1」 雷射光束 3-74 37
  • 38. 光學儲存原理 從光碟讀取資料 讀取資料時,光碟機雖然同樣使用雷射光束,但是光束的功 率很小,不會破壞光碟上的反射層。當雷射光束照到資料 「0」時,由於光線可以順利穿透染料層到達反射面,所以 光束會被反射,反射的光束將被另一個位置的光電轉換裝置 接收到,這樣光碟機就讀出資料「0」。而當雷射光束照到 資料「1」時,由於染料層已經被破壞,所以光束無法反 射,光電轉換裝置在預定的時間內無法收到被反射的光束, 於是光碟機就讀出資料「1」。 讀出二進位資料「0 」 讀出二進位資料「1」 讀取資料 3-75 前瞻與專注- 台灣半導體產業開創的新營運模式 一顆半導體元件的製作過程, 從上游到下游可 區分為 4 階段: 3-76 38
  • 39. 前瞻與專注- 台灣半導體產業開創的新營運模式 因應這個流程, 產業界發展出不同類型的公司。 在早期大致可區分為以下 3 類: IDM (Integrated Device Manufacturer, 整合裝 置製造商) IDM 將上游到下游的工作全部包下來, 也就是從 設計到測試都自己來, 可說是能力最強、規模最 大的半導體公司, 這種模式稱為『垂直整合』, 例如 IBM、Intel 這些國際知名大廠便是屬於此 類型。 3-77 前瞻與專注- 台灣半導體產業開創的新營運模式 Fabless 成立一家 IDM 所需的資金動輒數十億美金, 這麼 高的門檻當然嚇退了不少投資者。於是有人退而 求其次, 不擁有製造工廠和封裝、測試設備, 只專 做設計部分。 Fabless公司按照客戶的訂單, 量身設計晶片, 但 是僅止於設計而已。 3-78 39
  • 40. 前瞻與專注- 台灣半導體產業開創的新營運模式 至於客戶要將設計圖交給哪家製造商生產, 打上 哪一種品牌的標誌, 都與它們無關。此外, 即使尚 未收到訂單, Fabless 公司也會主動設計晶片, 委 由他人生產後, 用自己的品牌行銷。台灣的『威 盛』 (VIA) 、『揚智』 (Ali) 、『瑞昱』 (Realtek) 等等都是這類的知名廠商。 3-79 前瞻與專注- 台灣半導體產業開創的新營運模式 Design House 基本上 Design House 也是專做 IC 設計的公司, 但是它的規模通常更小, 甚至是 3、4位工程師、 租個小辦公室就能開張營業, 畢竟 IC 設計所憑藉 的是腦力而非財力。也因為如此, 所以它不主動 開發自我品牌的 IC, 只接單設計, 交出設計圖之後, 一切就與自己無關了。 在過去, 因為只有 IDM 業者才有生產能力, 所以 Fabless 和 Design House 業者在委託他們製造 的時候, 電路設計圖必定會流入 IDM 業者的手 中。 3-80 40
  • 41. 前瞻與專注- 台灣半導體產業開創的新營運模式 可是 IDM 業者同樣也有 IC 設計部門, 這難免就讓 人懷疑它們會不會乘機偷技術?就算不考慮這個問 題, 每當遇到生產線忙不過來時, IDM 業者總是優 先生產自家的產品, 行有餘力才生產別家訂製的產 品。整體來說, 等於是 IDM 業者獨大, 其它沒生產 能力的業者都得看他們的臉色。 到了 1987 年, 在今日被稱為 『台灣半導體教父』 的張忠謀先生創辦『台灣積體電路公司 (TSMC, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) 』 (以下簡稱『台積電』) , 專職於晶圓 製造代工。 3-81 前瞻與專注- 台灣半導體產業開創的新營運模式 由於台積電的單純、專注, 一方面使 Fabless 和 Design House 業者放心將設計圖交給它生產; 另一方面也使交貨速度與產品良率更勝 IDM 業 者一籌, 奠定了台積電成為晶圓製造代工產業龍 頭的地位, 這種新類型的半導體業者被稱為 Foundary 。 3-82 41
  • 42. 前瞻與專注- 台灣半導體產業開創的新營運模式 而張忠謀先生提倡的『垂直分工』模式:將設 計、製造、封裝和測試等階段, 分由不同的公司 執行, 無疑解構了全球半導體產業的營運模式。 時至今日, 已經證明垂直分工模式的正確性, 它 不但推動台灣半導體工業的成長, 更帶動全世界 IC 設計業的蓬勃發展。即使是財力單薄的小公 司, 只要有設計創新的能力, 就可以委託晶圓代 工業者生產, 推出自我品牌的產品, 與 IDM 大廠 一較高下。 3-83 前瞻與專注- 台灣半導體產業開創的新營運模式 如今, 以台積電的財力雖然足以投入 IDM 的競爭, 但是它始終堅守本業-晶圓代工。不做設計、 以避免與客戶競爭, 亦不涉入封裝和測試過程。 為了與客戶發展更密切的合作關係, 台積電還會 定期將未來 5 年的技術藍圖提供給客戶, 讓客戶 知道台積電有哪些新技術、能開發哪些新產 品。這一切舉動, 讓台積電不僅是製造業, 更兼 具服務業的特質! 3-84 42