晶片裡的一座城市,如何撐起 AI?從台積電三段對談看懂半導體

台積電與 WIRED 合作,請北美副總裁 Paul Rousseau 分別和孩子、電機系學生與材料科學教授談晶片。本文依影片順序整理每一個例子,附 19 張示意圖、6 張實物照片、名詞小辭典,以及親子共讀的提問和活動。

本文目錄 8 節
  1. 先認識這支影片:同一件事,講給三種人聽
  2. 孩子篇:晶片是一座有幾十億個紅綠燈的城市
  3. 謎語:比郵票還小,卻是人類做過最聰明的東西?
  4. 晶片像一座城市:圖書館、大樓、送信車與街道
  5. 比頭髮還細:晶片裡的東西到底有多小?
  6. 沒有紅綠燈會怎樣?電晶體就是晶片裡的號誌
  7. 給機器人一顆「大腦」
  8. 學生篇:一張紙能對摺幾次?
  9. 摩爾定律:電晶體數量大約每兩年翻倍
  10. 摺紙示範:已經摺了 30 多代
  11. 手機與 1990 年代的超級電腦
  12. 2 奈米有多小?大約 10 個原子並排
  13. 晶圓:一片圓盤上有好多顆晶片,而且很「平」
  14. 把紙摺起來:往第三個維度發展
  15. 專家篇:新材料、小晶片,還要大家一起合作
  16. 只有一層原子厚:什麼是 2D 材料?
  17. 拆開再組合:小晶片(chiplet)
  18. CoWoS-L:運算晶片在中間,記憶體在兩旁
  19. 摻雜難題:像研發新的餅乾食譜
  20. STCO:大家不能各自在自己的沙盒裡設計
  21. 用 AI 在乾草堆裡找針
  22. 回到開頭的問題:AI 為什麼需要這麼多晶片?
  23. 影片結尾:AI 幫忙設計晶片,晶片再讓 AI 更強
  24. 和孩子一起看影片:可以這樣聊
  25. 參考來源
晶片裡的一座城市,如何撐起 AI?Lunar Lake 晶粒實物顯微照片,左側深藍漸層上有標題與「從電晶體,到整個系統的合作」字樣。
封面|採用本文介紹的 Lunar Lake 晶粒實物顯微照片,非影片展示樣品。攝影:FritzchensFritz,2024-12-01,CC0 1.0;本站裁切、加字與局部半透明漸層,沒有生成或改畫電路。

「AI 的回答明明出現在螢幕上,為什麼大家一直說,AI 需要晶片?」如果孩子這樣問你,或者你自己也好奇,可能會先回答:晶片就是機器的大腦。但再往下追問:晶片裡面到底有什麼?為什麼要一直把它做小?最近常聽到的「先進封裝」又是什麼?答案就沒那麼直覺了。

台積電於 2026 年 11 月 4 日在官方 YouTube 頻道發布一支與 WIRED 合作的影片〈TSMC Explains Semiconductor Chips in 3 Levels〉,由台積電北美副總裁 Paul Rousseau 依序和一位 8 歲孩子、一位電機系學生,以及一位材料科學教授對談。同一個主題,從生活比喻一路談到材料與系統設計。本篇依影片內容與英文字幕整理,把片中的每一個例子都配上示意圖,也放進真實的晶片與晶圓照片;這是企業與媒體合作的教育內容,觀點以台積電的技術方向為主,本站補充的比喻與資料會另外註明。

文章順序和影片一樣:孩子篇看晶片怎麼工作,學生篇看縮小為什麼越來越難,專家篇看新材料與不同晶片如何合作,最後再回到開頭的問題:AI 為什麼需要這麼多晶片。遇到專有名詞,會用「名詞小辭典」框補充說明。我們先從影片開始。

官方影片|台積電 TSMC 官方 YouTube 頻道,2026-11-04,約 14 分鐘,英文發音,可開啟自動字幕。可以先看影片再讀本文,也可以讀完後依下方觀看指引回看。本站以原址嵌入,未下載或重新上傳影片。
章節起點看什麼?帶著哪個問題看?
00:00|開場Paul 介紹自己與影片形式同一件事,怎麼講給三種人聽?
00:45|孩子篇郵票謎語、城市模型、紅綠燈、機器人電晶體、運算與儲存,各自負責什麼?
05:08|學生篇摺紙、手機與超級電腦、晶圓、往上疊一直縮小遇到困難,還有哪些方向?
08:42|專家篇2D 材料、小晶片與封裝、餅乾食譜、STCO整個系統要變快,為什麼要大家一起設計?
13:26|結尾AI 與晶片的循環AI 和晶片怎麼互相推動?
表:觀看指引。時間依官方章節,點擊可直接跳到該段;問題為本站設計。SimpleLearn 整理。

先認識這支影片:同一件事,講給三種人聽

Paul Rousseau 擁有應用物理博士學位,在台積電工作了 25 年。他在開場說,這些年來,他看著「我們做的東西越來越小,但它們能完成的事越來越大」。影片的挑戰,是用三種難度解釋同一件事:晶片怎麼運作。

篇章對象用了哪些例子想說明什麼
孩子篇8 歲的 Elena郵票謎語、平板電路板、城市模型、紅綠燈、粉紅色機器人晶片怎麼分工、電晶體在做什麼
學生篇電機系學生 Joe摺紙、手機與超級電腦、2 奈米、晶圓、把紙摺起來為什麼越縮越難,下一步往哪走
專家篇材料科學教授 Stephanie2D 材料、小晶片、CoWoS-L、摻雜與餅乾食譜、STCO、AI 找材料新材料、封裝與跨領域合作
表:三段對談一覽。SimpleLearn 整理。

名詞小辭典|半導體與晶片

半導體是導電能力介於導體(例如銅線)和絕緣體(例如塑膠)之間的材料,最常見的是矽。它特別的地方在於導電性「可以被控制」:加入極少量的其他元素,或加上電壓,就能改變它導不導電。

晶片則是在一小片半導體上,做出大量電晶體和導線所組成的電路,也叫「積體電路」(IC)。手機、電腦、汽車、家電裡都有晶片。

孩子篇:晶片是一座有幾十億個紅綠燈的城市

謎語:比郵票還小,卻是人類做過最聰明的東西?

Paul 準備了一張郵票當作送給 Elena 的禮物,但要她先猜一個謎語:「什麼東西比郵票還小,卻是人類做過最聰明的東西?」Elena 先猜「機器人」。Paul 說,機器人確實可以很聰明,但它比郵票大多了。

Paul 接著問 Elena 早上玩了什麼?她說玩了平板。「那你已經差一點就碰到人類做過最聰明的東西了。」Paul 拿出一塊平板裡會有的電路板,上面有好幾顆晶片,請 Elena 指出是哪一顆。

一台平板電腦的主機板實物照片,綠色電路板上焊著多顆黑色晶片與其他零件。
實物照片|一台平板電腦(Samsung Galaxy Tab 2 10.1)的主機板,上面焊著多顆晶片。用來對照影片中 Paul 拿出的「平板裡的電路板」,並非影片中的同一塊板子。攝影:Raimond Spekking,2017-11-02,CC BY-SA 4.0;本站縮放。
從平板到電晶體的放大示意:平板電腦、主機板、一顆晶片、晶粒、電晶體,五個層級由左到右依序放大。
圖:從我們每天用的平板,一路放大到電晶體。各層圖形為示意,未按比例。資料來源:台積電官方影片孩子篇;SimpleLearn 製圖。

名詞小辭典|電路板與晶片

電路板(主機板)是一塊印著銅線路的板子,負責把晶片、電池、鏡頭、螢幕等零件連在一起。焊在上面的黑色小方塊才是晶片,真正的計算在晶片裡面進行。打個比方:電路板像一座城市的地圖與道路網,晶片則是城市裡最忙碌的市中心。

晶片像一座城市:圖書館、大樓、送信車與街道

「最神奇的是,晶片看起來很像一座城市。」Paul 拿出一座城市模型,指給 Elena 看:城市有街道,也有大樓。

他一一說明:圖書館存放晶片需要知道的所有資訊;大樓負責計算,做所有的數學;街上跑的車子是送信車,它們是一小股一小股的電,載著訊息到處跑;而街道就是晶片裡非常非常細的導線,比頭髮還細。所以當你點一下平板的螢幕,就像送出一則訊息,讓送信車出發。

城市比喻與晶片的對照圖:左邊城市有圖書館、大樓、送信車、街道、紅綠燈,右邊晶片示意圖有記憶體、運算電路、電訊號、導線、電晶體,以相同號碼 1 到 5 對應。
圖:相同號碼代表比喻與真實晶片的對應角色。右圖為示意,不是實際晶片布局或比例。資料來源:台積電官方影片孩子篇;電路角色參考 ASML 微晶片基礎說明;SimpleLearn 製圖。
城市裡的東西在晶片裡對應什麼需要分清楚的地方
圖書館保存資料的記憶體很多資料存放在旁邊另一顆記憶體晶片,不一定都在同一顆晶片裡
大樓做計算的邏輯電路「大樓」本身也是由大量電晶體和導線組成
送信車電訊號移動的是電的變化,不是一顆顆小車;傳遞仍需要時間與能量
街道連接各區塊的導線實際導線分成許多層,疊在電晶體上方
紅綠燈電晶體可以先理解成用電控制的開關,控制電流通過或停止
表:城市比喻來自原影片;「需要分清楚的地方」為本站補充。SimpleLearn 整理。
Intel Lunar Lake 處理器的實物顯微照片,可見不同晶粒與規律的電路區塊。
實物照片|真實的晶片長這樣:Intel Lunar Lake 處理器的顯微影像,可以看到一區一區的電路,就像城市裡的不同街區。不過圖上的一格色塊並不等於一顆電晶體;這也不是影片拿出的展示樣品。攝影:FritzchensFritz,2024-12-01,CC0 1.0;本站縮放。

比頭髮還細:晶片裡的東西到底有多小?

Elena 看著電路板說:「我可以看到街道,它們比一根頭髮還細。」Paul 接著請她想像:把整塊電路板縮小,縮到像這樣一顆小小的晶片。Elena 說:「這一定很難,這已經很小很小了!」

到底有多小?下面這張圖從郵票開始,一路往下比到原子。晶片裡的電晶體與最細的導線,大約落在數十奈米到幾奈米的範圍,比頭髮細了上千倍以上。

尺度階梯:郵票約 2.5 公分、頭髮直徑約 0.07 毫米、紅血球約 7 微米、病毒約 100 奈米、DNA 寬約 2 奈米、原子約 0.1 到 0.3 奈米;下方標出晶片裡的電晶體與最細導線約數十到幾奈米。
圖:每往右一格,尺寸都縮小許多倍。各項為常見的約略尺寸,個體會有差異;圖示未按比例。資料來源:台積電官方影片孩子篇;SimpleLearn 製圖。

名詞小辭典|奈米

1 奈米(nm)是十億分之一公尺,也就是 1 毫米的一百萬分之一。一根頭髮的直徑大約 7 萬奈米。

換個方式想像:如果把一根頭髮的直徑放大到台北 101 那麼高(約 500 公尺),1 奈米也只會變成大約 7 毫米長。

沒有紅綠燈會怎樣?電晶體就是晶片裡的號誌

Paul 問 Elena:「如果這座城市沒有紅綠燈,會發生什麼事?」Elena 想了想:「大家會一直開、一直開,然後撞在一起,變得有點亂。」

「會變成一團亂。」Paul 說,晶片這座城市裡有數十億個紅綠燈,它們控制送信車,讓每台車都從正確的大樓出發、送到正確的大樓,載著正確的訊息完成工作。而且這件事每秒發生數十億次,非常非常忙碌。這些紅綠燈,就是電晶體。

電晶體開關示意:左邊閘極加上電壓、通道打開、電流從源極流到汲極,對應綠燈與 1;右邊閘極沒有電壓、通道關閉、電流停止,對應紅燈與 0。
圖:電晶體就像用電控制的號誌。以 MOSFET 為例的簡化示意,實際結構更複雜。資料來源:台積電官方影片孩子篇;電晶體原理參考 ASML 微晶片基礎說明;SimpleLearn 製圖。

電晶體為什麼能「計算」?在數位電路中,電晶體導通與不導通兩種狀態,可以對應到 1 和 0。把大量開關依特定方式連接起來,就能組成做加法、比較大小、暫存資料的邏輯電路(見 ASML 微晶片基礎說明)。單一個開關很簡單,但數量龐大、切換又極快,晶片就能處理非常複雜的工作。

名詞小辭典|電晶體、0 與 1

電晶體是用電來控制的微小開關,有三個主要部分:電流的入口(源極)、出口(汲極),以及控制開關的「閘極」。閘極加上電壓,就像綠燈亮起,電流通過,代表 1;沒有電壓,就像紅燈,電流停止,代表 0。電腦裡所有的文字、照片、影片,最後都會變成一長串 0 和 1。

影片說「每秒數十億次」有多快?我們常在處理器規格上看到「3 GHz」,意思是每秒大約 30 億個運作節拍。

比喻的界線|電晶體不是會認路的交通警察

城市與號誌是原影片的教學比喻。真實的電晶體控制的是電流,訊息該往哪裡走,是由電路的設計決定的;電晶體本身不會辨認「這則訊息該去哪裡」,也沒有紅、黃、綠三種燈號,主要只有導通與不導通兩種狀態。

給機器人一顆「大腦」

Paul 問 Elena 有沒有想過自己做一台機器?她說想做一台粉紅色的機器人,可以幫她打掃房間、做早餐,還能整理襪子。

Paul 請 Elena 閉上眼睛:「你現在看不到東西了,對吧?但你還聽得到我說話,也還在思考。你在哪裡思考?」「在我的大腦裡。」「那這台機器人需要什麼?」「一顆大腦!」「那叫做什麼?」「晶片!」Elena 解開了謎語,得到了那張郵票,也得到了那顆晶片,可以拿去考考別人同一個謎語。

Elena 還補了一句很可愛的話:她會先跟大家說,這是給電子產品用的超級晶片,不是拿來吃的那種 chip。英文的 chip 也是「洋芋片」的意思,難怪她要特別說明。

機器人需要大腦的示意:粉紅色機器人旁邊有三個方塊,感覺(輸入)如鏡頭、麥克風,想(晶片)負責判斷計算,動作(輸出)如馬達、喇叭;並以整理襪子為例。
圖:機器人的每個動作,都要經過「感覺、想、動作」。這三步的分類與舉例為本站補充。資料來源:台積電官方影片孩子篇;SimpleLearn 製圖。

比喻的界線|晶片不是真的大腦

說晶片是機器的「大腦」,只是借用「處理訊息」這個共同點。晶片依照電路和程式運作,和人腦的運作方式並不相同,也沒有人的意識。

學生篇:一張紙能對摺幾次?

摩爾定律:電晶體數量大約每兩年翻倍

第二位來賓 Joe 是電機系學生,研究類比積體電路,特別是半導體與 MOSFET。Paul 問他對「微縮」了解多少,也就是這些年來電晶體一直被做得更小的趨勢。Joe 說,他知道摩爾定律:大約每兩年,同樣面積裡能放進的電晶體數量就會翻倍。

名詞小辭典|MOSFET

MOSFET 的中文是「金屬氧化物半導體場效電晶體」,是今天晶片裡最常見的一種電晶體。前面那張紅綠燈示意圖,畫的就是它的簡化結構:閘極控制底下的通道打開或關閉。

名詞小辭典|摩爾定律

後來共同創辦英特爾的高登.摩爾(Gordon Moore),在 1965 年觀察到晶片上的電晶體數量成長得非常快,後來常被說成「大約每兩年翻倍」。它是對產業發展的觀察,也成為整個產業追求的目標,但它不是自然界保證會發生的物理定律;實際的進步,仍要靠材料、製造、電路與系統設計一起推動(見 ASML 對摩爾定律的說明)。

摺紙示範:已經摺了 30 多代

Paul 給 Joe 一張紙,請他對摺一次:「這就是摩爾定律的一代,不難吧?」Joe 笑說很簡單。Paul 接著說:「但我們已經這樣做了 30 多代,繼續摺吧!」

Joe 一邊摺一邊說:「我應該沒辦法摺 30 次,但我試試看。」摺了幾次之後,他越來越慢:「紙太厚了,摺不動。」Paul 說:「沒錯,越往下縮小,就越來越難。」這不是說晶片真的像摺紙一樣製造,而是借用「一開始很容易,反覆推進後越來越難」的感受。

摺紙倍增示意圖:摺 1 次 2 層、2 次 4 層、3 次 8 層、10 次 1,024 層、20 次約 105 萬層、30 次約 10.7 億層。
圖:每對摺一次,層數翻倍;摺 30 次約為 10.7 億層。數值為 2 的次方計算,用來說明倍增,不代表每一代電晶體密度都剛好翻倍。資料來源:台積電官方影片學生篇;SimpleLearn 製圖。

手機與 1990 年代的超級電腦

Joe 摺紙的同時,Paul 舉了一個例子說明摩爾定律的威力:他手上的智慧型手機,運算能力相當於 1990 年代中期的一台超級電腦。那台超級電腦在當年造價非常昂貴,一般人根本用不到;如今同樣等級的運算能力,卻裝在一般人買得起的手機裡。Joe 說:「太驚人了。」

從一間機房到一個手掌的對比圖:左邊是 1990 年代中期佔滿機房的超級電腦機櫃,右邊是放在手掌上的智慧型手機,中間寫著電晶體數量倍增了好幾十代。
圖:倍增幾十代的結果。這是主講人的概略比較,影片沒有說明用哪一種效能指標;圖示未按比例。資料來源:台積電官方影片學生篇;SimpleLearn 製圖。
1997 年 ASCI Red 超級電腦的實物照片,一排排機櫃佔滿整個機房。
實物照片|1997 年美國桑迪亞國家實驗室的 ASCI Red 超級電腦,一排排機櫃佔滿整個機房。用來想像 1990 年代超級電腦的規模,不是影片所指的特定機器。照片:Sandia National Laboratories,公有領域。

2 奈米有多小?大約 10 個原子並排

Paul 也提到,台積電目前量產的最新技術叫做「2 奈米」,並形容它「基本上大約只有 10 個原子寬」。台積電的 N2 製程已於 2025 年第 4 季開始量產(見 TechSpot 報導)。

2 奈米示意:左邊 10 個原子排成一列約 2 奈米;右邊列出台積電製程世代名稱 N7、N5、N3、N2、A16、A14,說明幾奈米是世代名稱。
圖:「約 10 個原子」用來想像大小,「2 奈米」是製程世代的名字。原子大小為約略值。資料來源:台積電官方影片學生篇;節點命名依 Intel 官方說明;A16、A14 時程見 Tom’s Hardware;SimpleLearn 製圖。
聽到的說法可以怎麼理解?別直接推成什麼?
「2 奈米製程」用來辨識製程世代的名稱;要了解技術細節,仍需看具體規格整顆晶片、每條線或每顆電晶體都只有 2 奈米寬
「大約 10 個原子寬」幫助想像尺度已經小到要用原子來數精確的量測值
「縮小帶來進步」在設計與製造配合下,能容納更多功能、改善效率所有工作都會以相同比例變快
表:本站整理的判讀表。製程名稱的說明依 Intel 官方說明:產業早已不再讓節點名稱對應某個特定的實際長度。SimpleLearn 整理。

名詞小辭典|製程與「幾奈米」

製程是把電路一層層做到晶圓上的整套製造技術。「7 奈米、5 奈米、3 奈米、2 奈米」是製程世代的名字,數字越小代表越新的一代。

它有點像產品的型號:型號告訴你這是第幾代,但不是一把尺。所以「2 奈米」不代表晶片裡某個東西剛好是 2 奈米長。

晶圓:一片圓盤上有好多顆晶片,而且很「平」

Paul 拿出一片在美國生產的晶圓:直徑 300 毫米,採用 4 奈米製程。仔細看,可以看到上面一格一格的晶片。他問 Joe:這片晶圓的厚度和大小比起來如何?Joe 說,直徑 300 毫米,但厚度看起來大概只有 1 毫米。

「這就是重點,」Paul 說,「矽晶片大部分是二維的。」真正用來做電路的部分其實不到 1 毫米,比這張紙還薄;那 1 毫米的厚度,主要是用來支撐結構。

一片 12 吋(300 毫米)矽晶圓的實物照片,表面整齊排列著許多方格狀的晶片,在光線下反射出彩虹色。
實物照片|一片 12 吋(300 毫米)矽晶圓,表面一格一格的就是晶片。用來對照影片中 Paul 展示的晶圓,並非影片中的同一片。攝影:Peellden,CC BY-SA 3.0;本站縮放。
晶圓示意:左邊從上面看,一片直徑 300 毫米的圓盤上排滿方格,金色一格代表一顆晶粒;右邊從側面看,晶圓約 1 毫米厚,表面只有薄薄一層是電路層,其餘的矽主要用來支撐。
圖:晶圓從上面看與從側面看。格子數量與尺寸為示意;一片晶圓能切出幾顆晶片,要看晶片大小而定。資料來源:台積電官方影片學生篇;SimpleLearn 製圖。

名詞小辭典|晶圓與晶粒

晶圓是用高純度的矽做成的薄圓盤。12 吋(300 毫米)晶圓,大約就是一個 12 吋披薩的大小。晶片會在晶圓上一格一格同時做出來,最後再切開。

切下來的每一小塊叫做晶粒(die),也就是真正做著電路的那片矽。晶粒再經過封裝,才變成我們在電路板上看到的晶片。

把紙摺起來:往第三個維度發展

接著 Paul 把紙摺起來:「想像這張紙原本是一顆大晶片。我想從紙的這一端傳訊息到另一端,距離很長,對吧?那把它摺起來疊在一起之後呢?」

兩端變得很近了。訊息要走的距離,也就是晶片之間的連線(互連),一下子縮短許多。距離縮短,訊號就傳得更快,也更省電。Paul 說,這是另一種讓運算能力繼續成長的方法:除了在平面上縮小,也往第三個維度,一層一層往上加。

平面與堆疊的比較:左邊是一條長長的平面晶片,A 與 B 分在兩端,路徑長;右邊是上下兩層,A 在上層、B 在下層,以短短的垂直連線相連,路徑短。下方流程:距離縮短、傳輸更快、更省電。
圖:把電路疊起來,可以縮短訊號要走的距離。示意圖未按比例;散熱與層間連線的挑戰為本站補充。資料來源:台積電官方影片學生篇;SimpleLearn 製圖。

Paul 最後問 Joe,聊了這麼多,什麼最讓他興奮?Joe 說:身為未來的工程師,最讓他興奮的是這個領域正在碰觸物理定律的極限,要想辦法在宇宙的限制之內,做出能讓生活更好的機器。Paul 笑著說:「很高興你加入,我們需要很多像你這樣聰明的人。」

專家篇:新材料、小晶片,還要大家一起合作

只有一層原子厚:什麼是 2D 材料?

第三位來賓是賓州州立大學材料科學與工程系的 Stephanie Law 教授,她的研究是一層一層原子地做出新材料。Stephanie 說,現在的電晶體大約是 10 個原子的尺度,Paul 也點頭同意。她接著說明,像矽這樣的材料,能做多小是有極限的。如果還要在晶片上放進更多電晶體、讓晶片更強大,就需要新材料。

其中一類是2D 材料,它們只有一到兩層原子厚。Stephanie 用簡化的方式說明它的潛力:如果電晶體能從 10 個原子變成只有 1 個原子,也許就能放進多很多的電晶體。不過,材料變薄,不代表電晶體數量或整體效能會以相同倍數增加;能不能真的做成穩定可靠的元件,仍是研究中的問題。

2D 材料示意:左邊矽電晶體的通道有約 10 層原子,中間 2D 材料只有一層原子;右邊以鉛筆芯為例,石墨是很多層碳原子疊在一起,剝下一層就是石墨烯。
圖:2D 材料只有一到兩層原子厚。原子排列與層數為示意;石墨與石墨烯的例子為本站補充。資料來源:台積電官方影片專家篇;SimpleLearn 製圖。

名詞小辭典|2D 材料

「2D」是二維的意思,指的是薄到只有一到兩層原子的材料,像一張攤平的紙,只是薄到了極限。

最有名的例子是石墨烯:鉛筆芯裡的石墨,是一層層碳原子疊起來的,只剝下其中一層,就是石墨烯。另一個常被研究用來做電晶體的例子是「二硫化鉬」。

拆開再組合:小晶片(chiplet)

Paul 接著問:封裝這些年有什麼改變?Stephanie 說,與其做一顆把運算、記憶體等功能全部包在一起的大晶片,不如做成很多顆不同的小晶片,把它們疊起來或放在一起,裝進同一個封裝裡。除了能往第三個維度發展,每一顆小晶片也都能針對自己的工作,設計得最有效率。

小晶片示意:左邊一顆大晶片把運算、記憶與 I/O 做在同一片矽上;右邊拆成運算、兩顆記憶與 I/O 等小晶片,放在同一個封裝裡並互相連接。
圖:一顆大晶片與小晶片的差別。球隊比喻為本站補充;圖示未按比例。資料來源:台積電官方影片專家篇;封裝技術參考 台積電 3DFabric 技術說明;SimpleLearn 製圖。
拆除上蓋後的 AMD EPYC 7702 處理器,中央與四周可見多顆分開的晶粒。
實物照片|拆除上蓋的 AMD EPYC 7702 工程樣品,可以直接看到一個封裝裡有多顆分開的晶粒:中間較大的那顆負責輸入輸出(I/O),四周八顆負責運算。這是較早期的多晶粒例子,並非影片展示的 CoWoS 封裝,也不能從照片判斷內部連接的細節。攝影:Fritzchens Fritz,2019-10-21,CC0 1.0;本站縮放。

名詞小辭典|封裝

晶粒本身非常脆弱,而且太小,沒辦法直接焊到電路板上。封裝就是幫晶粒加上保護外殼,並做出能和外界連接的接點。過去一個封裝裡通常只有一顆晶粒;現在的先進封裝,可以把好幾顆晶粒放在一起,甚至上下疊起來,讓它們像一顆大晶片一樣合作。

CoWoS-L:運算晶片在中間,記憶體在兩旁

「我很高興你提到這個,」Paul 拿出一個台積電最新的 CoWoS-L 封裝樣品:中間是主要的運算晶片,兩側是 HBM(高頻寬記憶體),上下兩端則是負責和外界溝通的 I/O 晶片。每一塊矽都只做自己最擅長的事,也因此能降低耗電。

CoWoS-L 配置示意圖:封裝底座中央是主要運算晶片,左右兩側各有兩個 HBM 高頻寬記憶體,上下兩端各有一個 I/O 晶片;右側圖例說明三者分工。
圖:依主講人對 CoWoS-L 展示樣品的口述配置繪製的俯視示意。非實際產品尺寸與比例,晶片數量與位置依產品而異。資料來源:台積電官方影片專家篇;SimpleLearn 製圖。
AMD Fiji 繪圖處理器封裝的實物照片:中間是一顆大的運算晶片,旁邊緊貼著四顆 HBM 記憶體,一起放在中介層上。
實物照片|真實的「運算晶片+HBM」封裝:AMD Fiji 繪圖處理器,中間是運算晶片,旁邊緊貼著四顆 HBM 記憶體。這是 2015 年的產品,用來看見「記憶體緊貼在運算晶片旁」的配置,並非影片中展示的 CoWoS-L 樣品。攝影:C. Spille/pcgameshardware.de,2015-06-28,CC BY-SA 4.0;本站縮放。

名詞小辭典|CoWoS、HBM 與 I/O

CoWoS 是 Chip on Wafer on Substrate 的縮寫,字面意思是「晶片放在晶圓上,再放到基板上」:先把幾顆晶片並排放在一片當作「轉接板」的中介層上,再整個裝到基板。它是台積電的一系列先進封裝技術,CoWoS-L 是其中一種版本(見 台積電 3DFabric 技術說明)。

HBM(高頻寬記憶體)是把好幾層記憶體晶片疊起來,緊貼在運算晶片旁邊,一次能傳送大量資料。用城市來比喻,就像把圖書館直接蓋在大樓隔壁,還開了很多條專用道路。

I/O 是 Input/Output(輸入/輸出)的縮寫,負責和晶片外面的世界溝通,例如接收資料、送出結果。

Paul 也把這個原則延伸到日常:各司其職更省電,手機電池就能用得更久。這裡說明的是「分工能省電」的原則;CoWoS 這類封裝多用於資料中心的 AI 與高效能運算晶片,並不表示手機晶片也採用相同的封裝。

摻雜難題:像研發新的餅乾食譜

Paul 問 Stephanie,接下來她和學生要研究什麼?她說,會繼續設計新材料、研究 2D 材料。目前 2D 材料的一大難題叫做「摻雜問題」:怎麼在一種材料裡加入極少量的其他材料,就改變它的性質?這是用 2D 材料做出先進電晶體之前,必須先解決的挑戰。

Paul 說:「聽起來像高科技烹飪,要加剛剛好的香料。」Stephanie 說正是如此。她舉了烤巧克力豆餅乾的例子:如果要做大家都會的餅乾,就去店裡買一包巧克力豆,照著包裝背面的食譜做;研究已知的材料也一樣,查文獻、找到它的「食譜」、照著做就好。可是如果想烤出全新的東西,就得從一份已知的食譜出發,這裡改一點、那裡改一點,最後也許會得到更好的巧克力豆餅乾,甚至是一種全新的餅乾。研究新材料,做的就是這件事。

摻雜與食譜示意:上方左邊是排列整齊的純矽原子,右邊加入少量磷原子後多出可移動的電子;下方對照照著食譜烤餅乾與研發新口味兩種情況。
圖:摻雜就像加剛好的香料,研究新材料就像研發新食譜。磷原子與電子的例子為本站補充;原子數量與比例為示意,實際摻雜量極少。資料來源:台積電官方影片專家篇;SimpleLearn 製圖。

名詞小辭典|摻雜

摻雜是在材料裡加入極少量的其他原子,用來調整它的導電性質。例如純的矽幾乎不太導電,加入極少量的磷或硼之後,導電能力就能被精準地調整。這是半導體能被「控制」的關鍵。

在矽上,摻雜技術已經非常成熟;但 2D 材料只有一兩層原子厚,要加得剛剛好,就困難得多。

STCO:大家不能各自在自己的沙盒裡設計

Paul 問 Stephanie,對未來最期待的是什麼?她說,最期待的是跨領域合作:讓擁有不同專長的人一起解決大問題,因為這是解決今天這些大問題的唯一方法。

Paul 說:「說得真好,我們為這件事取了一個名字,叫 STCO,系統技術協同最佳化。」意思是,負責材料、製程、晶片設計、封裝和系統的人,不能各自躲在自己的沙盒裡設計,而要一起合作、一起考慮整個系統。

STCO 示意:中央是整個系統,周圍連著材料、製程、晶片設計、封裝、系統五種角色,各自寫出負責的工作。
圖:STCO 讓不同專業一起考慮整個系統。五種角色的分法為本站整理的示意,實際分工更細。資料來源:台積電官方影片專家篇;SimpleLearn 製圖。

用 AI 在乾草堆裡找針

Stephanie 也很期待用 AI 和機器學習加速材料研發。她說,實驗會產生非常多資料,她也猜想台積電手上的資料量還要多出好幾個數量級;要人從這麼多資料裡找出那根「針」非常困難,資料多到一個人根本想不完。但 AI 沒有這種限制,可以看完所有資料,找出研究者真正想要的訊號。Paul 祝福她和學生,在乾草堆裡找到很多根針。

AI 找針示意:大量實驗資料點經過 AI 篩選,留下少數值得再試的配方,最後回到實驗室實際驗證。
圖:AI 幫忙縮小範圍,最後仍要靠實驗確認。資料點與流程為示意,不是實際研究數據。資料來源:台積電官方影片專家篇;SimpleLearn 製圖。

回到開頭的問題:AI 為什麼需要這麼多晶片?

AI 模型產生一句回答,背後是大量的數學計算,其中很多是矩陣運算。這些計算有個特點:很多題可以拆開來同時算。GPU 這類處理器擅長把能拆開的計算,分給大量運算單元同時處理,這叫做「平行運算」(見 NVIDIA 技術介紹)。

平行運算示意:上方一個人按順序做 1,000 題計算要很久;下方很多人同時各做幾題,很快完成;最下方提醒題目要及時發下去、答案要及時收回來,否則會卡住。
圖:平行運算就像全班一起算題目。人數與題數只是比喻,不代表實際硬體的數字;本站補充比喻。GPU 平行運算參考 NVIDIA 技術介紹;SimpleLearn 製圖。

名詞小辭典|GPU 與平行運算

GPU(圖形處理器)原本是為了快速畫出遊戲和影片的畫面而設計:畫面上幾百萬個小點,可以同時計算顏色。這種「很多小題目同時算」的能力,剛好也很適合 AI 的大量計算。

平行運算就是把一件大工作拆成很多小份,交給很多運算單元同時做,像全班一起改考卷,比一個人改要快得多。

可是只算得快還不夠。資料要從記憶體送到運算單元,算完再送回去;晶片和晶片之間也要互相傳遞資料。這就是影片後半段一直在談的事:把記憶體放到運算晶片旁邊(HBM)、把晶片疊起來縮短距離、讓不同專業一起設計整個系統。

本站補充比喻|一間實驗室裡的研究員、資料櫃與走道

把運算單元想成研究員,記憶體像資料櫃,晶片之間的連接像取資料的走道。增加研究員可能有幫助,但如果大家都卡在走道上等資料,只靠增加人數並不能改善整體工作。這個比喻依據的是運算、記憶體與連接的分工;它不代表所有 AI 任務都受同一個瓶頸限制,也不能用來推算某個產品的加速幅度。

運算單元、記憶體、互連與電力散熱共同影響系統,改善單一部分不保證整體等幅變快。
圖:從「單顆元件做得好」走向「整個系統配合得好」。這是本站概念示意,線條寬度不代表實測頻寬、功耗或速度。依 台積電與 NVIDIA 技術資料整理;SimpleLearn 製圖。

影片結尾:AI 幫忙設計晶片,晶片再讓 AI 更強

Paul 在結尾說,現在是當工程師、或成為工程師的好時機,因為還有很多困難的問題,需要大家一起解決。現在也是很棒的時代:有了 AI,很多事情不必再照以前的方式做。只要有一個想法,再加上一個 AI 平台,而這些平台,就跑在客戶設計、台積電以原子級精準度製造的晶片上。

他最喜歡的部分,是 AI 帶來的良性循環:AI 正在幫忙設計下一代晶片,而下一代晶片又會驅動下一代 AI。「所以,某個地方,有一顆我們還沒做出來的晶片,正在做我們還沒想像到的事。也許,它會由一個現在手上拿著郵票的孩子設計出來。」這句話,正好呼應了影片開頭送給 Elena 的那張郵票。

AI 與晶片的良性循環示意:AI 協助設計晶片、更好的晶片、更強的 AI 三個方塊以箭頭連成一圈,中間寫著還沒做出來的晶片。
圖:AI 與晶片互相推動的循環。這是影片的願景式說法;AI 實際如何參與晶片設計,影片沒有提供細節。資料來源:台積電官方影片結尾;SimpleLearn 製圖。

想再深入|影片說明欄還提到的進階名詞

影片說明欄還列出 1.4 奈米、背面供電、CFET、矽光子與 3Dblox 等名詞,但剪輯後的對談幾乎沒有展開。依公開資料簡單補充:1.4 奈米級的 A14 是台積電 2 奈米之後的製程,依 2026 年 4 月公布的路線圖預計 2028 年量產;「背面供電」是把供電線路移到晶圓背面,讓正面留給傳訊號的導線,有點像把城市的電線改走地下,台積電第一個採用的 A16 製程預計 2027 年量產(見 Tom’s Hardware 報導)。

CFET 是把兩種電晶體上下疊放來節省面積,2023 年已有研究展示,當時專家估計還要 7 到 10 年才會商業化(見 IEEE Spectrum);矽光子是用光取代部分電訊號來傳資料;3Dblox 則是台積電與設計軟體夥伴在 2022 年推出的設計語言標準,用統一格式描述 3D 晶片的堆疊與連接(見 台積電官方部落格)。各項時程以來源發布時為準,日後可能調整。

和孩子一起看影片:可以這樣聊

對家長和老師來說,這支影片適合練習「先懂角色,再問限制」。不必要求孩子一次記住所有縮寫,可以先請他用自己的話說出:哪個部分負責計算、哪個部分保存資料,以及它們為什麼要好好合作。

可以問的問題想培養的理解可以做的小活動
如果晶片像城市,哪裡負責計算,哪裡保存資料?把比喻對回真實功能畫出運算、記憶體與連接,標明每個角色
拿一張紙試試看,最多能對摺幾次?體會倍增與「越來越難」每摺一次就記下層數,算算 10 次會有幾層
把零件縮小後,整體一定等比例變快嗎?分清單一元件與整個系統想一個教室分工的例子:人變多,哪些地方反而可能塞住?
為什麼不同專業要一起設計?看見材料、電路與系統的配合小組分別扮演各角色,說明自己需要別人提供什麼條件
表:本站依本文內容設計的延伸活動,尚未進行學習成效評估。使用比喻時,也請孩子說出一個比喻對不上的地方。SimpleLearn 整理。

一起練習|用三種難度,重講一次「為什麼要把晶片疊起來」

試著用三句話向家人或同學說明:第一句用比喻(例如摺紙),第二句加上一個關鍵事實(距離縮短,傳輸更快、更省電),第三句說出一個限制或還不知道的地方(例如散熱)。說完之後,再回看影片學生篇,看看自己漏了什麼。這是本站依影片形式設計的練習。

下次再聽到「更先進的晶片」,我們就可以問得更具體:它改善的是元件本身、晶片之間的連接,還是整個系統的配合?把問題問清楚,才更容易看懂 AI 背後那些肉眼看不見的工程。

參考來源

  1. 台積電 TSMC/YouTube:TSMC Explains Semiconductor Chips in 3 Levels | TSMC × WIRED(2026-11-04;查閱 2026-11-08) https://www.youtube.com/watch?v=1DVAs2fKCmQ
  2. ASML:Microchip basics(微晶片基礎)(查閱 2026-11-08) https://www.asml.com/en/technology/all-about-microchips/microchip-basics
  3. ASML:Moore’s Law(摩爾定律)(查閱 2026-11-08) https://www.asml.com/en/technology/all-about-microchips/moores-law
  4. Intel:製程節點命名與實際尺寸的說明(官方頁最後檢視 2025-02-14;查閱 2026-11-08) https://www.intel.com/content/www/us/en/support/articles/000097598/processors.html
  5. TechSpot:TSMC 2nm (N2) process officially enters volume production(查閱 2026-11-08) https://www.techspot.com/news/110755-tsmc-2nm-n2-process-officially-enters-volume-production.html
  6. 台積電:HPC 平台與 3DFabric 技術(SoIC、CoWoS)(查閱 2026-11-08) https://www.tsmc.com/english/dedicatedFoundry/technology/platform_HPC_tech_WLSI
  7. NVIDIA:Why GPUs Are Great for AI(2023-12-04) https://blogs.nvidia.com/blog/why-gpus-are-great-for-ai/
  8. Penn State:Stephanie Law 教授介紹(查閱 2026-11-08) https://www.matse.psu.edu/directory/stephanie-law
  9. Tom’s Hardware:TSMC unveils process technology roadmap through 2029 — A12, A13, N2U announced, A16 slips to 2027(2026-04-22) https://www.tomshardware.com/tech-industry/semiconductors/tsmc-unveils-process-technology-roadmap-through-2029-a12-a13-n2u-announced-a16-slips-to-2027
  10. IEEE Spectrum:Intel, Samsung, and TSMC Demo 3D-Stacked Transistors(2023-12-16) https://spectrum.ieee.org/cfet-intel-samsung-tsmc
  11. 台積電:TSMC Introduces the Newest Addition to OIP: The 3DFabric Alliance(2022-11-08) https://www.tsmc.com/english/news-events/blog-article-20221108
  12. Wikimedia Commons/Raimond Spekking:Samsung Galaxy Tab 2 10.1 主機板照片(CC BY-SA 4.0)(拍攝 2017-11-02) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Samsung_Galaxy_Tab_2_10.1_-_mainboard-3964.jpg
  13. Wikimedia Commons/FritzchensFritz:Intel Lunar Lake 晶粒顯微照片(CC0 1.0)(拍攝 2024-12-01) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Intel@TSMC_N3_N6@LunarLake@LNL(4P%2B4LPE)@CoreUltra200Series@DSCx02_poly@5xBFPOL.jpg
  14. Wikimedia Commons/Sandia National Laboratories:ASCI Red 超級電腦照片(公有領域)(1997-06) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Asci_red_-_tflop4m.jpeg
  15. Wikimedia Commons/Peellden:12 吋矽晶圓照片(CC BY-SA 3.0)(查閱 2026-11-08) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:12-inch_silicon_wafer.jpg
  16. Wikimedia Commons/Fritzchens Fritz:AMD EPYC 7702 拆蓋照片(CC0 1.0)(拍攝 2019-10-21) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:AMD_Epyc_7702_delidded.jpg
  17. Wikimedia Commons/C. Spille(pcgameshardware.de):AMD Fiji 繪圖處理器封裝與 HBM 照片(CC BY-SA 4.0)(拍攝 2015-06-28) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:AMD_Fiji_GPU_package_with_GPU,_HBM_memory_and_interposer.jpg

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