電子元件都硬邦邦沒彈性？輕如羽毛又可揉捏的電子感測器在這裡啦

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒，那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）　英國理論物理學家

大約在八十年前，當第一台數位計算機出現時，一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧；但七十年後，還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」（Artificial Intelligent，簡稱 AI）的能力最近十年突然起飛，在許多（所有？）領域的測試中擊敗了人類，正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元（graphic process unit，簡稱 GPU）是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia（英偉達）股票從每股不到 $5，上升到今天（5 月 24 日）每股超過 $1000（註一）的全世界第三大公司，其創辦人（之一）兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳（Jenson Huang）也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人！可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎？到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？

在回答這問題之前，筆者得先聲明筆者不是學電腦的，因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事，不是我們外行人需要了解的；但作為一位現在的知識分子或公民，了解基本原理則是必備的條件：例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析，即可判斷永動機是騙人的；又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上，它們不用往室外排廢熱氣，就可以提供屋內冷氣，讀者買嗎？

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」（central process unit，簡稱 CPU）。CPU 是電腦的「腦」，其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務，如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作；但為了簡單化，我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作（arithmetic and logic unit，簡稱 ALU），如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下，CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時，CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後，CPU 開始顯示心有餘而力不足：例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素（pixel），每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年，英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定／裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」（註二）定位為「世界上第一款 GPU」，「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU，GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作，快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢？因每一時刻只能做一件事，所以其步驟為：

• 計算 7×5；
• 計算 6/3；
• 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢？很多工作便可以同時（平行）進行：

• 同時計算 7×5 及 6/3；
• 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間，但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢？單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間（16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間），而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間（1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間）！

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了，如何將它擺正成右圖呢？ 一句話：「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點（座標 x, y）組成的，所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了：每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算！如果每一運算需要 10^-6 秒，那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉，便需要 6 秒，這豈是電動玩具畫面變化所能接受的？

人類的許多發明都是基於需要的關係，因此電腦硬件設計家便開始思考：這些點轉換都是獨立的，為什麼我們不讓它們同時進行（平行運算，parallel processing）呢？於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 10⁶ 運算，那上圖的轉換只需 10^-6 秒鐘！

GPU 的興起

GPU 可分成兩種：

• 整合式圖形「卡」（integrated graphics）是內建於 CPU 中的 GPU，所以不是插卡，它與 CPU 共享系統記憶體，沒有單獨的記憶體組來儲存圖形／視訊，主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上；早期英特爾（Intel）因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤，在這方面的研發佔領先的地位，約佔 68% 的市場。
• 獨立顯示卡（discrete graphics）有不與 CPU 共享的自己專用內存；由於與處理器晶片分離，它會消耗更多電量並產生大量熱量；然而，也正是因為有自己的記憶體來源和電源，它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年，英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後，科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化，在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效，因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理，不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化，也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬（註三）等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分，正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲，遠遠落在英偉達（80%）及超微半導體公司（Advance Micro Devices Inc.，19%，註四）之後，大約只有 1% 的市場。

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」，而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心（core）單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心，因此其核心功能不如 CPU 核心強大，但它們能同時高速執行大量相同的指令，在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心；GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書，不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等，也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺，它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是：嘴巴在講，腦筋思考已經不知往前跑了多少公里，常常為了追趕而越講越快，將不少學生拋到腦後！這不表示筆者聰明，因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技，因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣（matrix）的讀者應該知道，如果用矩陣和向量（vector）表達，上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的（註五）。而矩陣和向量計算正是機器學習（machine learning）演算法的基礎！也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在！因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石：它們的架構就是充分利用並行處理，來快速執行多個操作，進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」（deep learning）。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂：「下一次工業革命已經開始了：企業界和各國正與英偉達合作，將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升，幫助企業降低成本和提高能源效率，同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子：下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後，讀者是不是認為筆者該退休了？

GPU（圖形處理單元）和 AI（人工智慧）之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力，特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步，使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率，使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐，而且使其更具成本效益，因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展，GPU 的角色可能會變得更加不可或缺，推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標，這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作，使我們能夠執行複雜的任務，例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外，研究表明，與非人類動物相比，人類大腦具有更多平行通路，這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上，一邊聽音樂一邊做飯，或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技，因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵：透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

（註一）當讀者看到此篇文章時，其股票已一股換十股，現在每一股約在 $100 左右。

（註二）組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」（GeForce 256）插卡吧?

（註三）筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時，就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士（fellow）」Enrico Clementi 的團隊：因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層，我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦（非 IBM 品牌！）與一大型電腦連接來做平行運算，進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

（註四）補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商：英偉達及 ATI（Array Technology Inc.）。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立，2006 年被超微半導體公司收購，品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐（Lisa Tzwu-Fang Su）博士為執行長後，股票從每股 $4 左右，上升到今天每股超過 $160，其市值已經是英特爾的兩倍，完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色，正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題：超微半導體公司現任總裁（兼 AI 策略負責人）為出生於台北的彭明博（Victor Peng）；與黃仁勳及蘇姿豐一樣，也是小時候就隨父母親移居到美國。

（註五）或。

延伸閱讀

• 「熱力學與能源利用」，《科學月刊》，1982 年 3 月號；收集於《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版），轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
• 「網路安全技術與比特幣」，《科學月刊》，2020 年 11 月號；轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

奇幻故事中常見的魔法石可以輸出源源不絕的能量，其實在現實生活中的 20 世紀末期，人類真的發明了魔法石！

想像一下，手機開啟視訊，可以看到遠方的景色和親友，這不就像遙視、千里眼嗎？或者問 AI 上網查資料，就像內建大賢者。連開手電筒都像是探索地底迷宮的照明法術一樣！這些譬喻讓我們意識到，許多看似理所當然的科技實際上就像魔法一樣神奇。

晶片的原理

晶片進行的是邏輯運算，就像我們做的數學計算一樣。它裡面有許多微小的電子元件，類似於樂高積木一樣，用來進行各種運算。過去的電子元件是大型真空管，後來發明了電晶體，但仍需大量使用。直到有人提出了積體電路的概念，將許多電晶體整合在一起，這才開啟了晶片時代。

從真空管到奈米晶片，科技的進步無所不在。現代的魔法石就是這些晶片，它代表著工程師的智慧和創造力。科技或許是一種新型的魔法，由無數工程師代代相傳，用理性和創意塑造出來。所以，現代的魔法並非來自大自然或神秘的力量，而是來自人類的智慧和努力。

喜歡這系列將影片或有其它想法，歡迎留言分享喔！

更多、更完整的內容，歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab的 youtube 頻道觀看完整影片，並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊！

像電動車、充電樁使用於車用、工業用與戶外級別的電子產品，因應使用環境電子元件都需要採用三防膠塗佈保護，才能防止污染、腐蝕等問題。但為什麼，產品即便已經做了塗膠防護處理，仍會發生硫化腐蝕最終導致故障呢？原因可能就出在「膠」選得不對！

本文轉載自宜特小學堂〈為何已採用三防膠塗佈的電子產品，仍然發生硫化腐蝕失效〉，如果您對半導體產業新知有興趣，歡迎按下右邊的追蹤，就不會錯過宜特科技的最新文章！

近年來，伴隨環保概念提升與綠能意識抬頭，燃油類設備機具減少、電子產品數量增加，生活中最常見的就是電動車和充電樁變得越來越多。由於這類電子硬體設備會長期待在室外環境，加上日趨嚴重的空氣污染威脅，腐蝕性氣體、水分、污染物、懸浮微粒會直接或間接地造成產品中的元件生鏽或腐蝕，就會發生故障影響產品的使用壽命。而三防膠就是為了加強保護電子元件、延長設備壽命、確保安全性與可靠性所誕生的一種塗料。

一、 什麼是三防膠（Conformal Coating）？哪些產品特別需要使用三防膠？

三防膠又稱三防漆，跟大家概念中的膠或是漆有點像，它是常用於電路板上的一種特殊塗料。三防膠具有良好的耐高低溫特性，經由三防膠塗佈的電路板會產生一層「透明聚合物薄膜」，就能維持電路板外形並保護好電子元件，達到「防濕氣」、「防污」、「防腐蝕」的效果，因此才被稱為「三防」膠。

前面有談到，因應全球環境變化，電子產品卻越來越多元、越來越精密的條件下，現代電子硬體設備不僅擁有高性能，還需要具備抵抗惡劣環境的能力，像是應用在工業、車用、航太、戶外級別的電子產品，例如：資料中心、工業電腦、電動車、儲能站與低軌衛星等等……。

這些產品比起一般家電的使用環境更加嚴苛，尤其在面對含硫化氣體污染高的環境，特別容易造成「硫化腐蝕現象」，因此在製程中，電子元件必須做好三防膠塗佈處理、提升產品可靠度是非常重要的事。

什麼是「硫化腐蝕」跟「爬行腐蝕」？

當電子產品發生硫化腐蝕，會導致設備發生短路或開路的故障風險，像發生在印刷電路板或導線架封裝的爬行腐蝕（下圖一、圖二、圖三），或是表面貼裝被動元件的硫化腐蝕（下圖四），都是十分常見的案例。

二、 電子產品該選擇哪種方式做防護處理？

為了有效地隔絕惡劣環境對電子設備的影響，除了前面提過三防膠（Conformal Coating）的處理手法，一般也會採用灌封（Potting）來處理。下表是灌封與三防膠的差異比較。

方法	灌封	三防膠
保護性	優	中-優
加工與 重工性	劣（氣泡殘留、重工困難）	優
品管檢驗	劣（外觀不可視）	優（外觀可視）
應用性	劣（侷限）	優（輕薄）
環保	劣	優
範例	圖／Epoxyset Inc.	圖／Charged EVs

雖然灌封比三防膠保護性更好，但並非所有電子元件都能用灌封處理，灌封在作業前必須考量電子元件，會因為加工的熱應力、固化收縮應力、氣泡殘留等等產生影響，也要評估較多的產品設計條件，包括：尺寸、外殼、重量、熱管理、加工、重工、檢驗、成本與環保等因素，才能確認該產品是否適合做灌封處理。

而三防膠的加工快速、重工容易與成本較低的優點，既可以提升產品抗腐蝕的能力，又可維持印刷電路板的外形而不影響後續的組裝作業，可以說三防膠的泛用性會比灌封來得更高。

所以當電子設備需要在惡劣的環境運作，或是終端電子設備發生腐蝕失效時，三防膠通常是組裝、系統廠商針對電子產品腐蝕的問題會優先採用的方案，廠商可以直接管控三防膠塗佈製程的品質，能夠針對終端客戶退回產品時進行立即性的改善作業。

三、 原來三防膠有很多種？

目前三防膠的種類主要可分為八大類，包含：Silicone Resin（SR）、Acrylic（AR）、Polyurethane（UR）、Epoxy（ER）、Paraxylylene（XY）、Fluorine-carbon resin（FC）、Ultra-Thin Coatings（UT）與 Styrene Block Co-Polymer（SC）。一般三防膠的種類可依照材質區分種類，然而混合型的三防膠材則是以重量百分比佔高的材質為主，如果三防膠的厚度 ≤12.5um ，膠材將不受材料種類的拘限都被歸類於 UT 型。每一種三防膠都有不同的特性，常見的評估項目有厚度、黏著性、耐溫性、抗化學性、防潮性、加工與重工性、普遍性、疏孔性、耐鹽霧腐蝕性、表面絕緣電阻程度與成本高低等。

四、 為何已經採用三防膠塗佈的電子產品仍發生了硫化腐蝕失效，原因竟是國際規範不足？

一般業界針對三防膠的國際規範，大多是參照國際電子工業聯接協會（Association Connecting Electronics Industries；IPC） 所制定的試驗標準 – IPC-HDBK-830A、IPC-CC-830C 與 IPC-J-STD-001F。這幾項標準都是一般常見於三防膠相關的國際規範，它們定義了三防膠的設計、選擇與應用的準則，用於焊接電氣和電子組件要求，以及用於印製線路組件用電氣絕緣化合物的鑑定及性能。

而針對三防膠的驗證項目，包括了：種類、厚度、均勻性、缺陷、重工、應用、耐溫溼度環境、耐鹽霧、表面絕緣電阻等。其它與三防膠有關的標準還有 IPC-A-610H、IEC-1086-2、MIL-I-46058C、MIL-STD-202H、Method 106、NASA-STD-8739.1、BS5917、UL94、UL746F 與 SJ 20671……許多的國際規範。

然而在眾多三防膠國際規範的耐腐蝕性項目評估中，卻獨缺了「腐蝕性氣體的試驗」，尤其是在含硫與其化合物相關的腐蝕性氣體。因此，一旦產品的使用環境含有硫或硫化合物相關的腐蝕性氣體，即使電子設備已採用三防膠塗佈，仍會發生硫化腐蝕失效的問題。

此外，電子設備中也不是所有組件皆可以採用三防膠的塗佈，由於膠材具備絕緣的特性，一般均無法塗佈於電性連接、電器接點處，例如：金手指、插槽與連結器等。下圖是有採用與未採用三防膠塗佈的導線架封裝晶片發生與未發生硫化腐蝕的照片。

未採用三防膠塗佈	採用三防膠塗佈	採用三防膠塗佈
導線架發生嚴重的硫化腐蝕	膠材的抗硫化腐蝕能力不足	製程的缺陷（氣泡）導致保護不足
導線架發生嚴重的硫化腐蝕	膠材的抗硫化腐蝕能力優異	未採用三防膠塗佈

五、 不是有塗或是夠厚就好，透過驗證平台選擇出正確的三防膠材才有效！

透過上述的說明可以了解，如果只是按照規範去選擇三防膠材後進行塗佈，可能會遺漏腐蝕性氣體或是其他因素的影響，無法讓產品獲得最完善的保護。為了解決窘境，宜特科技所提供的硫化腐蝕驗證平台，可以協助廠商選擇正確的三防膠材，並針對各種採用三防膠塗佈的電子產品，評估產品抗硫化腐蝕的能力並進行壽命驗證。

上圖為透過宜特實驗室的硫化腐蝕驗證平台，評估各種三防膠材搭配不同厚度條件在硫化腐蝕試驗的耐受性。其中未經三防膠塗佈的抗硫化晶片電阻樣本（黑色），經歷 25 天的試驗後發生失效，但塗佈膠材 Ｃ（綠色）與膠材 Ｄ（藍色）的樣本，僅僅經歷 5 到 10 天的試驗就發生了失效。

由此可證，並非所有三防膠材都有具備抗硫化腐蝕的能力，抗腐蝕能力主要取決於膠材本身的材料特性，某些特定膠材非常容易吸附含硫與其化合物相關的腐蝕性氣體，即使提高厚度，也無法有效降低硫化腐蝕的發生，即便電子零件本身有做抗硫化腐蝕的設計，一旦選擇不合適的膠材，反而會加速電子產品發生硫化腐蝕失效的風險。

下表是採用相同樣本搭配不同的三防膠材，經硫化腐蝕試驗後，進行橫切面的掃描式電子顯微鏡分析之比較。可以看到，雖然膠材 B 的塗佈厚度比膠材 A 更厚，但是膠材 B 抗硫化腐蝕的能力卻更差。

三防膠	膠材 A	膠材 B
厚度	<30um	>100um
電子顯微鏡照片
抗硫化腐蝕的能力	優	劣

藉由宜特實驗室的硫化腐蝕驗證平台，不但可以協助選擇正確的膠材，亦可針對採用各種三防膠塗佈的電子產品，依照國際規範標準，並以實際終端環境的腐蝕程度搭配模擬使用年限，透過上述客製化的實驗設計，能夠協助廠商評估產品抵抗硫化腐蝕的壽命驗證。

本文出自 www.istgroup.com。