研究學者發展研究宇宙用的新型擴大器

本文與 威力暘電子 合作，泛科學企劃執行。

想像一下，當你每天啟動汽車時，啟動的不再只是一台車，而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機，後果會有多嚴重？方向盤可能瞬間失靈，安全氣囊無法啟動，整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情，而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天，我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟，汽車的「大腦」—電子控制單元（ECU），是如何從單一功能，暴增至上百個獨立系統？而全球頂尖的工程師們，又為何正傾盡全力，試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化？

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代，當時的汽車工程師們面臨一項重要任務：如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力？「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現，關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間：火星塞的點火時機，也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內，這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一！引擎效率就能提升整整一成！這不僅意味著車子開起來更順暢，還能直接省下一成的油耗。那麼，要如何跨過這道門檻？答案就是：「電腦」的加入！

工程師們引入了「微控制器」（Microcontroller），你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法，在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內，精準計算出最佳的點火角度，並立刻執行。

從此，引擎的性能表現大躍進，油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元（ECU）的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」（Engine Control Unit）。

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功，在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像：「這 ECU 這麼好用，其他地方是不是也能用？」於是，ECU 的應用範圍不再僅限於點火，燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車，甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而，問題來了：這麼多「小電腦」，它們之間該如何有效溝通？

為了解決這個問題，1986 年，德國的博世（Bosch）公司推出了一項劃時代的發明：控制器區域網路（CAN Bus）。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上，就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是，CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如，煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息，絕對能搶先通過，避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題，但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線，並連接各種感測器和致動器。結果就是，一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里，總重量更高達 50 到 60 公斤，等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面，大量的 ECU 與錯綜複雜的線路，也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束，簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障，無疑讓人一個頭兩個大。

汽車電子革命：從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代，汽車電子架構迎來一場大改革，「分區架構（Zonal Architecture）」搭配「中央高效能運算（HPC）」逐漸成為主流。簡單來說，這就像在車內建立「地方政府＋中央政府」的管理系統。

可以想像，整輛車被劃分為幾個大型區域，像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙，就像數個「大都會」。每個區域控制單元（ZCU）就像「市政府」，負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合，並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理，就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台（HPC）擔任，統籌負責更複雜的運算任務，例如先進駕駛輔助系統（ADAS）所需的環境感知、物體辨識，或是車載娛樂系統、導航功能，甚至是未來自動駕駛的決策，通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中， 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子，便精準地切入了這個趨勢，致力於開發整合 ECU 與區域控制器（Domain Controller）功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢，威力暘提供的解決方案，就像是將好幾個「分區管理員」的職責，甚至一部分「超級大腦」的功能，都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力，可同時支援 ADAS 與車載娛樂，還能兼容多種通訊協定，大幅簡化車內網路架構。如此一來，車廠在追求輕量化和高效率的同時，也能顧及穩定性與安全性。

萬無一失的「汽車大腦」：威力暘的四大策略

然而，「做出來」與「做好」之間，還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯？具體來說，威力暘電子憑藉以下四大策略，築起其產品的可靠性與安全性：

1. AUTOSAR ： 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層（RTE）和基礎軟體層（BSW）。就像在玩「樂高積木」，ECU 開發者能靈活組合模組，專注在核心功能開發，從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
   
2. V-Model 開發流程：這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般，左側從上而下逐步執行，右側則由下而上層層檢驗，確保每個階段的安全要求都確實落實。
   
3. 基於模型的設計 MBD（Model-Based Design）： 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具，把整個 ECU 要控制的系統(如煞車)，用數學模型搭建起來，然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前，就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷，，並驗證安全機制是否有效。
   
4. Automotive SPICE (ASPICE) ： ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」，它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性，而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」，也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化，並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作，其能否正常運作，自然被視為最優先項目。為此，威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準：ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統（特別是 ECU）的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」，從概念、設計、測試到生產和報廢，都詳細規範了每個安全要求和驗證方法，唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略，威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準，才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而，ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡，「大腦」變得更集中、更強大後，汽車產業又迎來了新一波革命：「軟體定義汽車」（Software-Defined Vehicle, SDV）。

軟體定義汽車 SDV：你的愛車也能「升級」！

未來的汽車，會越來越像你手中的智慧型手機。過去，車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」，想升級？多半只能換車。但在軟體定義汽車（SDV）時代，汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」，能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA（Over-the-Air）技術，車廠能像推送 App 更新一樣，遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過，這種美好願景也將帶來全新的挑戰：資安風險。當汽車連上網路，就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭，輕則個資外洩，重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV，業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略，確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程，到安全認證，這些努力，讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新，也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力，威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota，以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈，更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴，以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈，並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產，驗證其流程與品質。

毫無疑問，未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷，交由電腦判斷，比交由人類駕駛還要安全的那一天，離我們不遠了。而人類的角色，將從操作者轉為監督者，負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全，人類甘願當一個「最弱兵器」，其實也不錯！

文／劉奕志、李君毅、翁佳菱｜國⽴臺灣⼤學物理學系電⼦學課程學生

還記得當初我們對 google 眼鏡的想像嗎？只要眨眨眼就能拍照，隨著視線的移轉便能任意地縮放視窗、捲動頁面。但，你曾關注過這些功能背後的技術嗎? 

互動式穿戴裝置一直以來都是科幻電影中不可或缺的元素之一，而這些裝置只能存在於大螢幕上的原因，就是因為在現實層面上有許多問題還有待克服，除了成本的考量，還有就是對動作的偵測。由於人體的生物電訊號大多極小，為了偵測這些訊號，目前有效的技術基本上都需要搭配一台昂貴且續航力低的偵測裝置才能達成目的。理想的偵測裝置必須能偵測到極微小的動作，因此，偵測裝置最主要的部份便是放大器，但若想實現穿戴式裝置互動裝置的普及，這個放大器最好是低功耗、具有延展性，放大效果好，同時耐用且生產成本低，才能符合我們長時間配戴及使用的需求。 

電子元件中的放大器——電晶體

目前電子元件中的放大器，多半是運用「電晶體」來達到放大效果，而這些「電晶體」，又是從半導體堆疊而來的。

材料中的電子原本被束縛在價帶中，但如果給電子足夠的能量，它就有機會往上跳到傳導帶，變成可以移動的電子，一般如金屬般的導體，就是價帶跟傳導帶很接近，只要一點能量就可以變成可移動的電子，而絕緣體正好相反，就算給很大的能量，還是沒有幾個電子可以移動。

半導體正如其名，介於可以導電跟不可以導電之間，我們可藉由調整給予能量的大小，來決定材料現在能不能導電，運用此特行，可以讓半導體成為簡單的自動控制裝置，來控制電路的開、關狀態。

那由半導體組成的電晶體（Transistor）又是怎麼做出放大效果的呢？從字根上來了解 Transistor 這個字，可以發現它是由 trans（改變）跟 resistor（電阻）組成，亦即利用一個額外的接點來控制電晶體內的電阻。以電阻為例，它沒有任何的外接控制點，所以假設有 1 安培的電流從一端流入，另一端就會輸出 1 安培的電流；而電晶體多出了一個接點，倘若在這個接點上施加電壓來「通知」電晶體改變輸出端的電阻，那麼我們就能控制輸出的電流大小，這也就是電晶體作為放大器的原理。

下文提到的薄膜電晶體（Thin Film Transistors, TFT）是電晶體的一種，常用於顯示器中。藉由電流通過與否，間接控制螢幕上每個畫素產生不同的亮度，使液晶顯示器顯示出各種畫面與顏色，但一般的薄膜電晶體難以塑形，因此較難在穿戴式裝置上應用。

輕薄短小又便宜？「有機」或許就是關鍵

有機薄膜電晶體^{註 1}（Organic Thin Film Transistors, OTFT）以具有共軛鍵結^{註 2} 的高分子為主要材料。一般常見的有機高分子材料如塑膠與橡膠之所以為絕緣體，是因為其由碳氫化合物所組成的共價單鍵長鏈分子，並不具備可自由移動的電荷。而具有共軛鍵結導電高分子的主鏈，由交替的單鍵─雙鍵共軛鍵結而成，此時每一個碳原子有一個價電子未配對，這個多出來的電子可以在分子上自由移動，不被鍵結束縛，但這個價電子不易沿著整個長鏈移動，因此還需加以摻雜（doping）—— 即增加帶電載子（carrier，即載有某種物理特性、且可自由移動的粒子）的濃度，則此材料即成為導電體。 

與一般的薄膜電晶體比起來，有機薄膜電晶體有以下幾個優勢：低溫製程、製作步驟簡單、成本低廉且容易塑形，但由於有機材料中分子與分子間僅僅透過微弱的吸引力束縛在一起，不同於無機半導體中分子間透過化學鍵確實的連接在一起，此種較弱的分子間之相互作用，使它們易於形成缺陷，使得載子在傳輸時容易被缺陷所捕獲，此時需要施加較大的電壓以提供能量來將其釋放。這個未能解決的起始電壓問題，就是為什麼現今產業多使用無機半導體的原因。 

而今天這組由 Chen Jiang 團隊發現的蕭特基有機薄膜電晶體放大器 (Schottky barrier organic thin-film transistor amplifier circuit, SB-OTFT amplifier circuit)，完美的克服了上述的阻礙。 

明明電晶體千百種，為何「它」能勝出？

這組放大器以具有共軛鍵結的高分子材料 C8-BTBT ，作為有機半導體的主要成分，使其可以利用噴墨印刷技術生產（如字面意思可以被「印」出來），製造成本因此較以往常見的薄膜電晶體低上許多，具有大量生產的潛力。而且由於 C8-BTFT 的晶粒（>50μm）相對較大，可有效覆蓋整個通道，大顆晶粒在體積不變的情況下，晶粒數量較少，也可以減少晶粒間的接觸面積，有效覆蓋整個通道並減少晶粒邊界^{註 4} 和堆疊錯誤等晶體缺陷的形成，進而使此有機半導體的初始電壓降低，克服以往多數有機半導體因起始電壓高，所以在搭配電池使用時電力消耗快、續航力較差的問題。

除此之外，由於其材料特性，該放大器還具有高跨導率^{註 5}（38.2 S/A，接近理論極限 ─ 約 38.7 S/A，一般無機電晶體為 20~30 S/A）、極低功耗（<1nW）、具延展性的特質。考慮人體生物電訊號大多十分微弱，這組有機薄膜放大器的特性恰恰符合我們對於生物電訊號偵測的需求，非常適用於在生物醫學、運動科學等相關領域進行監測追蹤。 

這組放大器在經過三個月的環境暴露測試後，閾值電壓（即起始電壓，Operating voltage）的偏移小於 1mV 且傳導效率的浮動小於 1%，遠低於其他有機薄膜電晶體元件在相同條件下的表現（>100 mV, >20%），意即其具有優異的穩定性，即使在長時間運作下仍能保持原本良好的特性。

舉例來說，這個放大器可以大大的改善目前偵測人類眼電圖 (electro-oculogram，EOG) 信號的技術，意即利用偵測角膜視網膜電位來追蹤眼動，以上所述的特性改善了現今偵測器體積大、成本高、需求電源高的問題。另外，高放大功率使其有潛力偵測到極微小的波動訊號，讓我們能了解眼睛在面對虛擬環境（如景深效果）時應對的狀況。在建構虛擬實境 (Virtual Reality) 的技術上為非常重要的資訊。

有機薄膜電晶體突破對科技的想像

與傳統無機薄膜電晶體相比，有機薄膜電晶體的優勢在於製作程序簡單多樣、成本低。再者，以有機材料製成使它具有更好的柔韌性，因此物件的尺寸能做得更小、更輕，攜帶起來更方便。

在過去的有機薄膜電晶體研究中多追求載子遷移率^{註 4} 與電流開關比^{註 5} 等作為數位開關的性質提升。而此研究突破過往的窠臼，開啟了嶄新的研究方向。這組放大器能同時滿足低功耗、高放大功率與高穩定性等理想放大器應具備的性質，不僅如此，它還有優異的環境穩定度與能夠大量生產的優勢，有利於應用在生活中，而這都是其他電晶體無法做到的。 

由於目前有愈來愈多科技以互動式穿戴裝置為主軸，或許有機薄膜電晶體的發展會延續此研究發現更多可能性，使互動式穿戴裝置大量應用在生活中，突破現今對科技的想像。

致謝

本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告，感謝朱士維教授與程暐瀅助教的建議與協助。 

註解： 

1. 薄膜電晶體(Thin Film Transistors, TFT)：是場效電晶體的種類之一，大略的製作方式是在基板上沉積 各種不同的薄膜，如半導體主動層、介電質和金屬電極層當做通道區。 

2. 共軛鍵結(conjugated bonding)：指具有單鍵-雙鍵交替的鍵結方式，其中會有一個 p 軌域重疊，連接其中間的單鍵。它可以讓 π 電子游離通過所有相鄰對齊的 p 軌域。此 π 電子不屬於單鍵或原子，但是屬於一組的原子。最大的共軛體系是在石墨烯、石墨、導電聚合物和奈米碳管中被發現的。 

3. 跨導率(transconductance efficiency)：電晶體中描述跨導與相對應的工作電流比例關係的參數，此數 值越高代表設置到同樣工作環境時，所需要的工作電流越小，並因而減小整體功耗。一般常用的定義方式為 g_m/I_DS 其中 g_m 為跨導、I_DS為汲極電流。 

4. 載子遷移率（carrier mobility）：指載子受到外在電場的作用下，能移動的多快的指標（常用 cm²⋅V^-1⋅s^-1 作為單位） 

5. 電流開關比（on/off current ratio）：當給予的電壓大於起始電壓時，電晶體為開（on）的狀態，反之則 為關（off）的狀態，開與關兩個狀態的電流比稱為電流開關比，較大的電流開關比代表開關切換速度快，有較明顯的開關器功能。 

1. Jiang, C., Choi, H. W., Cheng, X., Ma, H., Hasko, D., & Nathan A. (2019) Printed subthreshold organic transistors operating at high gain and ultralow  power. Science, 363(6428), 719–723 (2019) 
2. Jia, X., Fuentes-Hernandez, C., Wang, C.-Y., Park, Y., & Kippelen B. (2018) Stable organic thin-film transistors. Science Advances, 4(1), eaao1705.