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摩爾定律,一個依賴天才的預(yù)言

2023-11-27 16:08:01趙淑荷
南風(fēng)窗 2023年24期
關(guān)鍵詞:摩爾定律晶體管半導(dǎo)體

趙淑荷

半個多世紀(jì)以前,當(dāng)晶體管誕生在美國最大的實驗室,它的制造者或許料到了這個小小的器件注定前途無量,卻不能預(yù)測此后芯片的發(fā)展會經(jīng)歷怎樣曲折而驚險的旅程。

印度有一個傳說,有關(guān)指數(shù)級增長是如何把一個不起眼的起點導(dǎo)向龐大而不可測的結(jié)果。向國王領(lǐng)賞的數(shù)學(xué)家要求在棋盤的格子里每次多放一倍數(shù)量的大米,從1粒米開始,最終所需大米的數(shù)量窮盡國王的想象也不能滿足。

這幾乎是芯片發(fā)展的模型。

快速增長的代價是,芯片技術(shù)對迭代的要求也給自身設(shè)下藩籬,就像一種自我詛咒,讓它不斷面臨著想象力的局限、物理學(xué)的邊界、難度與速度之間的悖論。

芯片的競爭,本質(zhì)上是經(jīng)濟與科技實力的較量。在發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的歷程中,確有舉國之力傾注其中的例子。但在某些特定時刻,技術(shù)飛躍又依靠一個個天才的構(gòu)思。

為了推倒芯片發(fā)展征途上的各種路障,一個個破局者出現(xiàn),在他們的故事中,芯片的歷史,由純粹而熱血的智識挑戰(zhàn)構(gòu)成。走過歷史的困境,我們才能知道,如何解綁我們對芯片未來的想象。

硅谷前史:冷戰(zhàn)與嬉皮士

1947年,沃爾特·布拉頓和約翰·巴丁在大名鼎鼎的貝爾實驗室里制造出世界上第一個點接觸型晶體管。在此基礎(chǔ)上,1951年,威廉·肖克利發(fā)明了結(jié)型晶體管。三位科學(xué)家因此共享了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎—彼時人們尚未充分意識到,一個小小的元件將會成為電子信息時代的先聲。

這不是一個偶然的結(jié)果。

1925年,美國電話電報公司(AT&T)將西方電氣公司工程部與AT&T研發(fā)部合并為一個獨立的科研中心,以電話發(fā)明人貝爾的名字命名。對當(dāng)時很多科學(xué)家來說,這是一片圣地,他們可以在里面做任何異想天開的研究。

沒有任何一種自由是無根的。貝爾實驗室背靠的AT&T當(dāng)時在美國市場上具有壟斷地位,高昂的利潤讓他們能夠為貝爾實驗室提供每年至少10%的基礎(chǔ)研究經(jīng)費。另一方面,美國政府為貝爾實驗室提供大量資助,軍事部門成為貝爾實驗室的最大客戶。最開始出現(xiàn)晶體管的發(fā)明需求,是因為二戰(zhàn)時期基于真空管的設(shè)備和軍艦有一半以上在操作當(dāng)中存在問題。1947年之后的5年內(nèi),全美總共生產(chǎn)了9萬個半導(dǎo)體晶體管,幾乎全部被美國軍方收購。

來自企業(yè)和軍方的資金支持,保證了實驗室的科研人員能夠心無旁騖地把自己的設(shè)想推向一個又一個高峰。

有趣的是,這部最開始由戰(zhàn)爭史支撐起來的科技史,正在朝向叛逆史轉(zhuǎn)變。如果說貝爾實驗室最早培育了一批不用操心錢的科學(xué)家,那么接下來,自主創(chuàng)業(yè)的風(fēng)潮很快會將“財富”二字帶到這些科學(xué)家面前。

1955年,不滿足于自己的名字只能與基礎(chǔ)研究掛鉤,他還希望自己作為富豪出現(xiàn)在《華爾街日報》上,肖克利離開了貝爾實驗室,在舊金山郊區(qū)以自己的名字成立了一家半導(dǎo)體公司。

據(jù)說肖克利在報紙上用代碼的形式刊登招聘廣告,為自己招到了當(dāng)時業(yè)務(wù)水平最頂尖的工程師。強強聯(lián)手的局面本應(yīng)很快能為肖克利帶來他想要的名利,但是他為人剛愎自用,有做基礎(chǔ)研究的頭腦,卻沒有管理企業(yè)的才干。因為公司管理渙散,業(yè)務(wù)下降,1957年,肖克利手下8名工程師因無法忍受他的控制,離開公司自立門戶,創(chuàng)辦了一家名為“仙童”的半導(dǎo)體公司,這家公司被認(rèn)為是硅谷(Silicon Valley)的雛形。“硅谷”正是因作為半導(dǎo)體原料的高純度硅而得名。

IBM的工業(yè)設(shè)計顧問向庫布里克提議:你電影里的計算機太小了,這不符合常理。庫布里克說,不,越來越小是計算設(shè)備未來發(fā)展的真正趨勢。

仙童創(chuàng)立之前,半導(dǎo)體電路中的各個元器件彼此獨立,單個晶體管、電容和電阻插在電路板上,還需要另外的線路連接。在技術(shù)爆發(fā)時期,半導(dǎo)體電路上的晶體管數(shù)量迅猛增加,再對單個晶體管進行手工連線幾乎是不可能的任務(wù)。于是仙童開始致力于集成電路的研發(fā),他們設(shè)想能夠直接在一整個硅晶表面同時做出晶體管和它們之間的導(dǎo)線,從而實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)—芯片,就是這樣一塊含有集成電路的硅片。

1957年10月4日,蘇聯(lián)的斯普特尼克1號衛(wèi)星升入太空,為美國帶來了巨大的軍工和科技壓力,就在這時,仙童收到了第一筆大訂單,來自美國國家航空航天局(NASA)。1962年,仙童的芯片被用于阿波羅計劃。

然而,硅谷的工程師們隱隱感覺到,芯片的未來不止在火箭上。

1963年,有史以來最著名的科幻電影《2001太空漫游》面世,IBM(國際商業(yè)機器公司)的工業(yè)設(shè)計顧問向庫布里克提議:你電影里的計算機太小了,這不符合常理,“發(fā)現(xiàn)號”飛船的計算機至少應(yīng)該有一個房間那么大。庫布里克說,不,越來越小是計算設(shè)備未來發(fā)展的真正趨勢。

誕生之初有5層樓高的超級計算機,正在一代一代地接近庫布里克的設(shè)想。

自肖克利之后,從原東家出走自主創(chuàng)業(yè)幾乎成了硅谷的一種傳統(tǒng)。由于與投資方之間矛盾不斷,仙童公司出現(xiàn)離職潮,開始向整個硅谷開枝散葉。

制作出第一塊硅基芯片的羅伯特·諾伊斯與戈登·摩爾于1968年合作創(chuàng)辦了英特爾(Intel)公司。被仙童解雇的杰里·桑德斯于次年成立了美國超威半導(dǎo)體公司(AMD)。這兩家公司打響了一場曠日持久的戰(zhàn)爭,在芯片領(lǐng)域成了“死對頭”。

喬布斯說,那時候的仙童就像一支成熟的蒲公英,硅谷到處都是“小仙童”們新開的創(chuàng)業(yè)公司。

與硅谷一同蓬勃起來的,還有嬉皮士、搖滾樂、摩托車。充滿叛逆精神的60年代,工程師們比他們?nèi)魏我淮拜叾几匾晜€人價值的實現(xiàn)與私人財產(chǎn)的獲得,一位員工在仙童的離職調(diào)查表里寫下:“我……要……發(fā)……財……”

在此后的幾十年里,硅谷不僅是新科技的搖籃,也成為了工程師們追尋財富的應(yīng)許之地,肖克利沒能達成的愿望,將被后來的硅谷人實現(xiàn)。

未來,人們希望擁有更輕便的收音機,希望在自己的臥室里放一臺電腦,希望在盡可能便攜的設(shè)備上完成盡可能多的任務(wù)—時代精神的轉(zhuǎn)向為電子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了前景,反過來,電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也即將推動社會關(guān)系的變革,越來越小的器件給每個人帶來前所未有的私人空間,一代人的精神世界會被電子產(chǎn)業(yè)重新塑造。

1965年,戈登·摩爾為《電子學(xué)》雜志寫了一篇文章,在《將更多的元件放進集成電路》里面,他對芯片產(chǎn)業(yè)做出大膽預(yù)測:在未來十年內(nèi),芯片里的晶體管數(shù)量將會每兩年翻一番,同時價格下降一半。后來這個周期被修正為“18個月”,這就是大名鼎鼎的摩爾定律。

芯片越來越小,它的潛能卻越來越驚人。這個指數(shù)級規(guī)律的背后,是那一代科學(xué)家對電子信息社會指數(shù)級膨脹的野望。

低端與頂尖的辯證法:日本和中國臺灣

任何一樣技術(shù),走出實驗室的過程,都不比它誕生的過程更容易。

20世紀(jì)60年代,芯片制造還是一種勞動密集型產(chǎn)業(yè)。完成生產(chǎn)的最后環(huán)節(jié),是用顯微鏡將芯片定位,把硅芯片貼在基片上,再手動縫合金線,最后插入儀表進行測試。為了真正實現(xiàn)芯片的大規(guī)模生產(chǎn),就得先找到大量能勝任此工作的工人。

英特爾的老板諾伊斯找到了中國香港,這里的人力成本約為每小時25美分,是美國國內(nèi)水平的十分之一。1963年,仙童半導(dǎo)體公司將晶圓的測試封裝工作外包到香港,成為第一家在亞洲進行海外組裝的半導(dǎo)體公司。

緊接著,美國人很快發(fā)現(xiàn),還有比香港更便宜的地方:中國臺灣的人力成本是每小時19美分,馬來西亞15美分,新加坡只要11美分。

這次產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移給芯片終端技術(shù)的積累帶去了機會。這一時期,日本國內(nèi)正在如火如荼地發(fā)展本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。盡管在技術(shù)上,日本遠遠落后于美國,但日本有一個聰明的做法,提前搶占尚未引起美國足夠重視的民用半導(dǎo)體市場。

德州儀器發(fā)明了世界上第一臺晶體管收音機,可惜的是,由于美國人的使用習(xí)慣以家庭為單位,他們認(rèn)為在一個家庭有一臺大收音機的情況下,袖珍收音機不會有市場。反而是人稠地密的日本敏銳地意識到,“一人一臺”才是收音機的未來。

索尼的前身東京通信工業(yè)株式會社于1955年研發(fā)了第一臺量產(chǎn)晶體管收音機,并且把它賣到了全世界。他們不僅獲得了巨大的收益,還培養(yǎng)了青少年的個人收聽習(xí)慣,為后來的隨身聽(walkman)文化、耳機文化打下了基礎(chǔ)。

在晶體管產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向芯片產(chǎn)業(yè)的過程中,仙童和德州儀器把平面工藝專利和基爾比專利牢牢把握在自己手里,其他人想要進芯片產(chǎn)業(yè)分一杯羹,必須要先取得這兩項專利。

盡管在基礎(chǔ)邏輯芯片的設(shè)計上,日本相比美國沒有優(yōu)勢,但是由于政府的支持,嚴(yán)格的企業(yè)管理,以及對芯片質(zhì)量的嚴(yán)苛控制,日產(chǎn)芯片的良品率大大超過美國。

日本電氣NEC順利從仙童公司引進了集成電路平面制造工藝,德州儀器卻在1964年向日本提出在日設(shè)立子公司的要求,以此作為分享基爾比專利的條件。

答應(yīng)這個條件,日本本土的半導(dǎo)體市場將會受到巨大沖擊,于是他們想出了一個斡旋的辦法。

1968年,索尼與德州儀器成立合資公司,各持一半股份,并約定到一定期限索尼會將股份出售給德州儀器。到德州儀器終于在日本擁有第一家全資子公司的時候,日本已經(jīng)通過各種辦法為本國半導(dǎo)體行業(yè)爭取了長達8年的窗口時間。

盡管在基礎(chǔ)邏輯芯片的設(shè)計上,日本相比美國沒有優(yōu)勢,但是由于政府的支持,嚴(yán)格的企業(yè)管理,以及對芯片質(zhì)量的嚴(yán)苛控制,日產(chǎn)芯片的良品率大大超過美國。

80年代,冷戰(zhàn)局勢緩和之后,當(dāng)美國芯片公司把注意力從軍用需求轉(zhuǎn)向民用市場的時候,他們發(fā)現(xiàn),自己完全競爭不過已經(jīng)把收音機、計算器這樣的民用電子產(chǎn)品做到極致的日系企業(yè)。此時存儲芯片的市場幾乎已經(jīng)是日本的天下,以至于英特爾退出了這項業(yè)務(wù),轉(zhuǎn)而專心研究微處理器。

然而,日本這條起于模仿、專于制造的半導(dǎo)體發(fā)展之路,機遇與憂患并存。

由于日本芯片產(chǎn)業(yè)所依賴的核心技術(shù)與知識產(chǎn)權(quán)基本來自美國的扶持和默許,等到美國想要從日本企業(yè)手里奪回芯片市場的時候,一場不可避免的專利大戰(zhàn)就開始了。

在英特爾眼里,微處理器有玫瑰色的未來,但是我們還需要知道,進入超大規(guī)模集成電路(VLSI)階段意味著一塊芯片上集成的元件數(shù)超過10萬個。

還記得英特爾的創(chuàng)始人戈登·摩爾的那條定律嗎?這條規(guī)律遭遇了自己埋下的悖論。摩爾定律表示,芯片上的元件數(shù)量在一定周期內(nèi)呈指數(shù)級增長,然而與此同時,芯片的制造時長則會因為元件數(shù)量規(guī)模的擴大而成倍延長,這又會拖慢芯片的迭代速度。

這樣一來,芯片就被自己鎖死了。

解決這個問題的,是一個從玩具積木里得到的天才靈感。參與解決VLSI設(shè)計問題的美國施樂公司派出林恩·康維,這位科學(xué)家提出用計算機輔助芯片設(shè)計的同時,從樂高的規(guī)格當(dāng)中得到啟發(fā),把芯片設(shè)計與制造環(huán)節(jié)的分離往前推動了一步。

當(dāng)時,每隔兩年迭代一次的芯片設(shè)計總是要推翻上一代的基礎(chǔ)重來,康維提出,如果把晶體管柵長的一半確定為芯片設(shè)計版圖的最小尺寸單位,記作希臘字母λ,這樣一來,無論演進到多少代,這個基本數(shù)值乘以某個系數(shù)之后可以直接使用。

在λ法則的幫助下,專門提供芯片加工的代工廠與芯片設(shè)計公司可以分開運作。芯片生產(chǎn)的三大環(huán)節(jié),設(shè)計、制造、封測,能夠在全球化背景下彼此獨立相互配合,生產(chǎn)效率大大提高。

康維與自己的導(dǎo)師卡弗·米德合著,把這個法則寫進了《超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)導(dǎo)論》,但當(dāng)時人微言輕的康維,由于變性人身份備受歧視,只能作為這本書的第二作者。

幾年之后,這本書的意義卻在中國臺灣的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)初創(chuàng)與發(fā)展中顯現(xiàn)出來。

1985年,華裔企業(yè)家張忠謀接任中國臺灣工業(yè)技術(shù)研究院院長,他與“中國臺灣科技教父”李國鼎會見,商討臺灣地區(qū)工業(yè)與經(jīng)濟發(fā)展,擺在眼前的問題是,當(dāng)時臺灣除了低端制造業(yè),根本沒有能拿得出手的產(chǎn)業(yè)。

張忠謀想起了他在美國讀書的時候看過的一本書—正是康維與米德合著的《超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)導(dǎo)論》,這本書最重要的結(jié)論就是,芯片設(shè)計應(yīng)該與制造分離。兩個天才的頭腦隔著時空碰撞在一起—制造業(yè)有沒有可能是半導(dǎo)體行業(yè)的未來呢?

張忠謀決定在臺灣地區(qū)創(chuàng)辦一家純代工的晶圓廠,只提供制造服務(wù),臺灣積體電路制造股份有限公司(簡稱“臺積電”)就此誕生。張忠謀把目光對準(zhǔn)了無廠設(shè)計公司,你設(shè)計,我來加工,保質(zhì)保量。

1988年,臺積電拿到英特爾的訂單,打開了知名度。再過4年,日漸穩(wěn)定的盈利支持了臺積電在芯片制造工藝上的研發(fā)與創(chuàng)新,技術(shù)與世界水平的差距縮小到一代。又過了10年,臺積電超過了除英特爾之外的其他所有晶圓廠。

當(dāng)芯片上的元件數(shù)量越來越多,密度越來越高,設(shè)計越來越精細的時候,制造芯片就是整個產(chǎn)業(yè)鏈條里最艱難的一環(huán)。起于勞動密集型的臺積電,日后將會在這個逐漸轉(zhuǎn)向技術(shù)密集型的環(huán)節(jié)上大放異彩。

芯片的未來:拯救摩爾定律

摩爾定律,這個說法常常會給人一種誤解,以為芯片行業(yè)的發(fā)展“本該如此”。但是實際上,摩爾定律是戈登·摩爾在總結(jié)市場規(guī)律之后做出的預(yù)測,并不是一條物理定律。

霍金說,摩爾定律的極限是光速和量子隧穿效應(yīng)。

1965年這條規(guī)律提出之后,芯片產(chǎn)業(yè)一直在其指導(dǎo)下快速穩(wěn)步發(fā)展,不斷進行著精細化的自我革命。到80年代,摩爾定律卻險些遭遇失效的危機,因為芯片的精細化不是無限的,技術(shù)會不斷“撞墻”。

形容詞只是一個抽象的表達,我們需要更具象地說明芯片的“精細”是一件多么困難的事:搭載于蘋果手機iPhone 12的A14芯片,僅有指甲蓋大小,采用臺積電5nm工藝,上面集合了118億個晶體管。

我們是怎么越過重重技術(shù)高墻走到這一步的呢?上世紀(jì)80年代,科學(xué)家和工程師們發(fā)現(xiàn),當(dāng)芯片制程到達35nm,芯片就不能再變小了。這時候的摩爾 已經(jīng)做了多年技術(shù)專家和企業(yè)家,基礎(chǔ)研究被他擱置很久,無力解答重重困局的他只能去請教霍金:摩爾定律的未來在哪里?

霍金說,摩爾定律的極限是光速和量子隧穿效應(yīng)。

我們都知道,晶體管的工作有兩個狀態(tài),0和1,實現(xiàn)這個“開關(guān)”功能的,是晶體管的柵極。柵極接收輸入信號之后,分別接通晶體管的源極和漏極,完成兩個狀態(tài)的切換。源極和漏極之間是一條導(dǎo)電溝道,在晶體管不斷變薄的過程中,導(dǎo)電溝道會不斷變窄,到一定程度就會遭遇霍金所說的“隧穿效應(yīng)”:源極和漏極之間由于距離過短而出現(xiàn)電子干擾,提前接通電路,導(dǎo)致漏電。

“開關(guān)”失效,晶體管的工作也就亂了套。為此,我們不得不把絕緣體的厚度盡可能打薄,讓柵極距離導(dǎo)電溝道更近,越過漏極對導(dǎo)電溝道的影響。當(dāng)導(dǎo)電溝道接近35nm的時候,芯片絕緣體僅能有一層原子的厚度,我們再也找不到任何切割材料來把它做得更薄—35nm晶體管就成了極限。

芯片的發(fā)展,似乎已經(jīng)觸碰到了天花板。

或許此時正在搭載著5nm制程芯片的手機上閱讀這篇文章的你,一定已經(jīng)意識到,在現(xiàn)實世界里,這個危機并沒有發(fā)生。華裔科學(xué)家胡正明,于1999年找到了解決芯片漏電的辦法。他發(fā)明了一種鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET),半個世紀(jì)以來的模式思維被打破了:如果絕緣體不能變薄,不如讓源極和漏極像魚鰭一樣呈縱向升高,在絕緣體上面立起來,從而增加與柵極的接觸面積,來防止電子“逃跑”。

這個辦法不僅可行,而且比削薄晶體管更便宜。就是這樣一個看似天真的簡單設(shè)想,扭轉(zhuǎn)了晶體管窮途末路的命運,開創(chuàng)了3D晶體管的嶄新時代。

然而摩爾定律就像一個百病纏身的老人,一波未平一波又起,2002年,摩爾定律再次遭遇危機。

正如前文所述,芯片生產(chǎn)發(fā)展到本世紀(jì)初,基本已經(jīng)形成了設(shè)計、制造、封測三大環(huán)節(jié)分立的產(chǎn)業(yè)鏈條,首先進行芯片的基礎(chǔ)邏輯設(shè)計,隨后將芯片圖紙制作成掩膜,再使用光刻、刻蝕等步驟,將芯片電路圖從掩膜版轉(zhuǎn)移到硅片上,最后對芯片進行封裝和性能測試。

電路圖從掩膜版到硅片上轉(zhuǎn)移的過程,是芯片生產(chǎn)中的驚險一躍。科學(xué)家對芯片的想象能不能從大腦中解放出來,落在一個真正能投入使用的硅片上,主要依賴光刻技術(shù)。其原理是在晶圓上涂上光刻膠,光透射之后經(jīng)過掩膜版令光刻膠發(fā)生性質(zhì)變化,就能把成比例縮小后的芯片線路圖投到硅片上。

光刻機能實現(xiàn)的分辨率越小,它在單位面積硅片上制造的晶體管就越多,芯片的制程水平和性能就越好。

根據(jù)摩爾定律,2002年的芯片工藝制程應(yīng)該在157nm光刻技術(shù)的支持下迭代到45nm,然而實驗發(fā)現(xiàn),157nm的紫外光在空氣中會被氧分子吸收,照射到晶圓上的效率不能保證,因此157nm光刻技術(shù)遲遲無法進行商業(yè)化落地。

芯片設(shè)計工程師的想法雖然沒有極限,本應(yīng)把頭腦中的輝煌圖紙“畫”在硅片上的“手”卻被掣住了。

這個時候,摩爾定律再次被一位華裔科學(xué)家續(xù)命。當(dāng)時,世界上做光刻技術(shù)最好的企業(yè)是荷蘭的阿斯麥,以及日本的佳能和尼康。面臨157nm光刻技術(shù)瓶頸,尼康和佳能選擇的研發(fā)方向是降低曝光波長,開發(fā)波長更短的深紫外光刻機。但是來自臺積電的工程師林本堅有一個不同尋常的想法。我們小時候都曾有過把筷子插進水里,看到筷子好似折斷變短的經(jīng)驗,林本堅提出的就是這樣一個簡單得近似玩笑的辦法:在鏡頭和晶圓片之間敷上一層薄薄的超純水。水對上一代193 nm紫外光的折射率為1.44,計算后水中等效波長是134 nm,就能成功打破157 nm光刻的發(fā)展壁壘。

其實早在上世紀(jì)80年代,林本堅就已經(jīng)想到了用水代替空氣作為鏡頭與晶圓之間的介質(zhì),但是當(dāng)時的芯片制程還沒有降到納米級別,對光刻技術(shù)的精度無需這么高。過了15年,林本堅的想法等到了一個“懷才可遇”的時代。

林本堅在國際會議上向同行們展示浸沒式光刻技術(shù)的可行性時,剛剛解決了晶體管危機的胡正明就在臺下。胡正明看到臺上的工程師手里拿著一幅圖,上面畫著一堵阻擋半導(dǎo)體發(fā)展的紅墻,正在跨過這堵墻的一匹馬,上面標(biāo)注著“浸沒”。

芯片設(shè)計工程師的想法雖然沒有極限,本應(yīng)把頭腦中的輝煌圖紙“畫”在硅片上的“手”卻被掣住了。這個時候,摩爾定律再次被一位華裔科學(xué)家續(xù)命。

阿斯麥最先響應(yīng)了林本堅的設(shè)計,與佳能和尼康分道揚鑣,轉(zhuǎn)向浸沒式光刻機研發(fā)。

3年后,在阿斯麥與臺積電的共同研發(fā)下,浸沒式光刻機投入生產(chǎn),將芯片制程降低到45nm以下。

阿斯麥賭贏了,它遠遠甩開了佳能和尼康,市場占有率從原來的三分天下躍升至80%,成為光刻領(lǐng)域的龍頭。

2012年,英特爾發(fā)布了基于22nm工藝的商業(yè)化FinFET,胡正明十年前為解除芯片發(fā)展危機提出的辦法被證明實際有效,芯片制造進入了20nm量級。如今,三星和臺積電等半導(dǎo)體代工企業(yè)能夠繼續(xù)生產(chǎn)20nm以下的晶體管,依然得益于胡正明的發(fā)明。

胡正明曾多次公開表示他對芯片發(fā)展的信心:“芯片功耗還可以提高1000倍,集成電路產(chǎn)業(yè)還能成長100年?!?/p>

會是這樣嗎?

讓我們把時間的指針盡可能地往前撥。我們會越過肖克利,來到1926年,波蘭裔物理學(xué)家利林費爾德發(fā)現(xiàn)了晶體管的操作原理:在半導(dǎo)體表面添加一個電場來控制源極與漏極之間的導(dǎo)電溝道。1934年,德國發(fā)明家奧斯卡·海爾也發(fā)現(xiàn),能夠用電極上的電容耦合控制半導(dǎo)體中的電流。他們都為自己申請了專利,但遺憾的是,由于當(dāng)時晶體方面物理知識的缺乏,原材料達不到足夠的純度,能夠達成場效應(yīng)的元件無法實際制成。

當(dāng)肖克利在貝爾實驗室里第一次為場效應(yīng)晶體管申請專利的時候,曾因費爾德的早期專利而遭到駁回。理論向技術(shù)轉(zhuǎn)換時未完成的這一跳,讓我們與半導(dǎo)體相遇的時間晚了近20年。如今我們知道,對芯片來說,這是一個太長的尺度。

拋開軍事、政治、市場爭奪等等因素,再次回顧芯片發(fā)展歷程,我們會發(fā)現(xiàn)它從根本上來說是一部基礎(chǔ)研究與工業(yè)技術(shù)相互推動的歷史,“手”與“腦”相輔相成。

從芯片誕生之初就捆綁著我們的摩爾定律,是一個自我達成的預(yù)言,我們終究發(fā)現(xiàn),這條規(guī)律的魅力在于,推動人類社會進步的根源動力永遠來自我們自己。

我們不知道芯片的最終極限在哪里,但這段歷史已經(jīng)證明,那至少不是人類的極限。

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