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胡正明眼中的微电子世界

2018-10-30
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最近一段时间,著名微电子学家、美国工程科学院院士、中国科学院外籍院士胡正明教授,在多个场合,阐述了其对微电子学的历史、现状、未来发展,以及社会发展与半导体产业发展之紧密关系的看法。


当今世界,对于现状以及未来发展,有人乐观,有人悲观。而回看历史,各种悲观论调也是不绝于耳。对此,胡正明教授持什么观点呢?下面看一看他的论述吧。


1972年,有17位MIT(麻省理工学院)的研究者出版了一本书,叫做《增长的极限》,当时销量达到3000万本。次年,我到MIT工作,报到的时候,几乎每个人都要谈论这本书及其观点。当时,这些研究者的结论是:到2072年,全球的人口和工业能力将失控,整体水平会呈现断崖式下降。由此可见,1972年,人们对世界的未来并不乐观。


然而,看一看今天的实际情况,各国都在竞相提高出生率,这些与1972年的专家对未来的预测和感受大相径庭,比如,当时以MIT的那17位研究者为代表,包括我在内,都没有想到在2017年的今天,普通人可以人手一台计算机,而且其功能和性能比当年最好的计算机都要强大很多。鉴于此,当下的人们对于未来持有更多的乐观态度。


1000倍的能效提升潜力


由此可见,过去50年的发展,更多是得益于科技的发展与进步,而科技的发展更多的是IT技术的发展,这其中,半导体技术扮演者非常重要的角色,它可以说是IT技术发展的主轴。如果摩尔定律真的结束了,半导体技术发展到此为止的话,那么以后50年的世界要如何发展?我们的儿孙到那时对未来世界的发展会是怎样一种感受呢?下面我们来探讨一下答案。


微纳电子技术对于世界的发展及和平的重要性是有别于其它科学技术的。由于微电子技术的应用非常宽广,是基础性技术,可以带动其它科技的发展,比如医疗、材料等等,都是因为微电子技术的进步,使得计算能力提升,人们就可以做出以前做不到的事情。


微纳电子使用的物料相较于其它科技要少很多,由于其主要原材料是硅,而地球质量的28%都是硅。此外,理论上,微纳电子技术使用的能源利用效率仍然有提升1000倍的潜力,而其它科学技术,如电动汽车、发电机、电动机等,能量的转换率也就是90%多,而LED等的电-光转换效率也就是40%左右,这些效率的提升潜力已经非常有限,几乎不可能有什么突破。因此,我能想到的,能让我们的工作效率提升1000倍,而能源消耗提升很少的技术,只有微纳电子。


也就是说,微纳电子技术可以增加人们解决世界难题的能力,比如,要逐步解决的全球变暖问题。如果说微纳电子技术不能再向前发展的话,那么我们解决未来世界难题的能力也就停留在此了,如果这样,当下一些非常热门的技术也难以实现真正的发展和腾飞,如目前仍处于纸上谈兵阶段的人工智能(AI)技术等。因此,我们要尽可能地延长微纳电子技术的持续进步水平,越长久越好。


微纳电子技术支撑的纳米制造、集成电路等都赋予了我们解决各种难题的能力,希望未来的20年、30年、50年,这份解决问题能力的名单可以越来越长。这些也是我们这些从业者需要做的事情,虽然其中存在着很大的挑战,但保持其发展是我们的责任,不能让其停滞不前。


挑战与希望


下面谈一下挑战,虽然,微纳电子技术在理论上有1000倍的能源利用效率提升潜力,但要真正实现它,却是非常困难的。在利用能源方面,英特尔在1999年曾经表示:以MOSFET为例,给出了芯片的功率密度与火箭的喷火口、核电站的核反应堆等相比的情况,如下图所示,由于无法彻底解决漏电流问题,所以当时认为35nm制程就是未来的极限工艺水平了。而随着时间的发展和技术的进步,当年认为无解的问题,通过人类的创意,很多都已经找到了方法或路径,再加上人工智能水平的不断提升,更能够帮助人们去发挥创意,应对原来难以解决的问题。



另外,随着新材料和新科学的出现,如二维材料、光、磁旋、铁电(负电容晶体管),有望打破热力学中的波兹曼定律的束缚,实现在能源利用效率方面的突破。


再看一下仿生、量子、生物、自组装等,这些并不是新材料和新科学技术,已经讲了几十年,但是其研究和发展依然在继续,没有停滞。除了这些,我们希望未来能出现从未见过的、更新的材料和更新的科学技术,以帮助我们实现1000倍能源利用效率的提升。


半导体市场如何成长


自1995年以来,全球半导体市场的增长率如下图中的蓝色曲线所示,其斜率与图中的红线(GWP增长率,即全球经济增长率)几乎完全相同。20年来,这两个增长率指标都在5.5%左右,这说明,多年以来,半导体企业虽然在成长,但总体来看,增长幅度并不是很大,每提升一步,都很难,需要付出很多。那么问题来了,半导体企业对于新技术研发的渴求以及投入成为了一个问题,谁会出钱进行长期的化学、物理、生物等前沿技术的探索工作,从而为微纳电子技术找出新的发展之路,为经济发展提供动力,解决未来的世界难题呢?这是一个很大的问题。



这里,我不禁想起了1948年晶体管的发明,也就是在70年前的贝尔实验室。当下,人们普遍感觉已经没有像贝尔实验室这样的机构存在了,那么,要如何解决当前的这种困境呢?答案很难给出,因为谁出钱来构建它仍然是个大问题。



看照片中的三位发起人,他们虽然都是在美国发明了晶体管,开创了这番事业,但是这三个人却出生在三个不同的地方。照片中间的那位是威廉·萧克利(William Shockley),出生在英国的利物浦,图片左侧站立的是约翰·巴丁(John Bardeen),出生在美国威斯康辛州的一个农场,图片右侧的是华特·豪舍·布拉顿(Walter Houser Brattain),他则出生在中国的厦门。这三个人背景不同,却聚合在了一个房间里,共同发明了晶体管,完成了一项世界级的壮举。这些很值得我们当今的半导体从业者去思考和学习。


结语


未来全球和平成长仍要靠微电子技术的继续进步来支撑,另外,微纳电子需要化学、物理、生物等科学前所未有的创新和探索的支持。如何让微纳电子技术发展下去,不禁让我想起爬山,在眼前看不到明确路线的情况下,你只有继续攀登,只有到达了山顶,眼前才能一片开拓,才能看到更多的路径,在这之前,除了继续攀登,没有其它选择。


在这样的大背景下,是不是中国的机遇呢?是中国出钱出力,为世界找出微纳电子未来发展方向的大好时机呢?这是值得我们去思考的一个问题。


文/半导体行业观察 张健




*本文由 公众号 半导体行业观察(ID:icbank)原创。如需转载请加微信号:icbank_kf01,或在公众号后台回复关键词“转载”,谢谢。


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