科技產業的隔代創新

創新是科技業生存的不二法門，然而從創新的想法到實際技術及產品的開發，卻需要投入及耗費掉相當的資源，因此持續的創新就不見得符合經濟上的效益。再加上為了滿足應用上的需求，每隔一段時間就須開發出下一代的產品。為了在創新與效益上尋找出一個平衡點，因此科技業就演進出了隔代創新的商業模式。而新一代的創新技術，通常也會有相當的餘裕，可以繼續使用在下一代的產品上。

另一件有趣的是，每一代新的技術在效能上的提升，通常是以2倍當作一個節點，比如說2倍的速度，2倍的密度等。在現實世界中2倍是相對容易實現的，若一次要提升10倍難度是很高，而且2倍的提升也足以說服使用者採用下一代的產品。

先以半導體製程的創新來說，在元件的微縮上都是以0.7的比例縮小，當作下一代節點的目標，因為在一維尺度上縮0.7，以面積而論就是縮成一半，也就是密度翻倍，而成為原先的2倍。這十多年來的進展，半導體從28奈米開始，技術上導入了high-K以及金屬閘極，這是一個相當大資源的投入。所以到了20奈米的節點，就在此架構下，持續做元件的微縮，而沒有重大創新技術的投入。

半導體製程到了下一個15奈米的節點，魚鰭式電晶體(FinFET)被提出，取代了傳統平面型電晶體，半導體元件進入了立體的時代，這又是一個劃時代的改變。在下一個節點10奈米，因循15奈米的平台。再隔一代7奈米時，微影技術開始導入極紫外光(EUV)，取代使用了20多年的深紫外光(deep-UV)的光源。5奈米依舊延續7奈米的平台，但是到了3奈米世代，元件結構又將作重大的改變，電晶體的通道被閘極給全包覆(gate all around)，並開始做電晶體的堆疊。所以隔代的創新，給了半導體業者一個整裝待發的機會，在經濟效益上，也能延續了上一代技術開發所投入的資源。

無獨有偶，在光通訊領域也有相同隔代創新的商業模式。光通訊中最重要的效能就是數據傳輸的速度了，越高的速度就能處理及傳送更大量的資料。在100G傳輸速度的要求下，業者開始使用多通道的架構，這可以是4根光纖，利用多工及解多工器(mux, demux)，讓同一波長的雷射光在4根光纖內進行，每個通道傳25G。100G也可以使用1根光纖，而內含4種不同波長的雷射光，每一波長雷射光傳25G的訊號。200G的系統基本上是沿用，只是把雷射開關速度增加1倍。

再隔一代400G的系統就有顯著的不同，因為每個通道要傳100G的訊號。過往雷射訊號的波包(wave packet)就是開與關，亦即0或1，1個位元，現在需要增加波包的位元數到2個位元，亦即00、01、10、11。同時為了解決封裝上的複雜度，開始使用矽光子 (Si photonics)技術。800G的系統目前尚未問世，但基本上會以增加通道數目來實現。

但是到了尚在討論中的1.6 Tera系統，coherent的同調架構就開始上場了。在半導體雷射開關速度達到極限的情況下，科學家們就開始在調變(modulation)下功夫。這與在無線通訊系統所使用的技術相同，除了振幅上的調變外，得再加上相位的調變。比如說16QAM的調變，就是在每一個波包上能呈現出4個位元，若再加上水平及垂直的偏極化，因此在不改變雷射開關的速度下，傳輸的數據量增加了8倍。

無線行動通訊系統也有隔代創新的相同模式，畢竟每一代的系統開發及建置是非常耗費資源的，這包括了頻譜的競拍、手機的更換及基地台的建置。所以在第二代2G行動通訊中，業者引進了數位式的TDMA以及CDMA的多工技術，有別於第一代的類比式，增加了載波頻率的使用效率，以服務更多的客戶需求。到了3G時代，基本延續了上一代CDMA架構，只是開始數據端的傳輸大於語音的傳輸。4G的行動通訊是個大的演進，採用了全封包(packet)的通訊及交換協定，傳輸的量也由每秒Kbit推進到Mbit。在天線上也採用多重MIMO智慧天線，更進步增進頻率的使用效率。所以業界流傳了一個說法，就是偶數世代：2G/4G比奇數世代：1G/3G表現的好。

照理說5G應該是個讓大家能喘口氣的機會，可沿用在4G上所建立的基礎，然而事實卻非如此，到底發生了什麼事？其一是中國以華為及中國移動為首的業者，在4G發展之初就開始佈建5G，準備彎道超車。當西方世界意識到時，中國已經建立起5G相當完整的布局，這也就引發了一連串科技及商務戰爭，而爭相投入5G的戰局。另外頻譜也就是電磁波，不會無中生有，更無法靠人類的努力創造出來，而現有可利用的頻譜，多半都被軍事、航太、海事等通訊所佔用。5G時代甚至使用到了毫米波，這很可能是無線行動通訊系統，在頻譜上的最後一片淨土了，也再次地凸顯了5G的重要性。

有句廣告詞說「科技始終來自於人性」，科技界在每一代創新上中，也需要休養生息好整暇以待，同時也期望在先前所投入的資源，要能獲利極大化。所以隔代創新的做法，是不是很人性呢？

感謝陽明交通大學光電系陳智弘教授，在關於光通訊技術上的討論。