胡正明眼中的微電子世界 | 半導體行業觀察
來源：本文由 微信公眾號 半導體行業觀察（ID：icbank）張健 原創，謝謝。
最近一段時間，著名微電子學家、美國工程科學院院士、中國科學院外籍院士胡正明教授，在多個場合，闡述了其對微電子學的歷史、現狀、未來發展，以及社會發展與半導體產業發展之緊密關係的看法。
當今世界，對於現狀以及未來發展，有人樂觀，有人悲觀。而回看歷史，各種悲觀論調也是不絕於耳。對此，胡正明教授持什麼觀點呢？下面看一看他的論述吧。
1972年，有17位MIT（麻省理工學院）的研究者出版了一本書，叫做《增長的極限》，當時銷量達到3000萬本。次年，我到MIT工作，報到的時候，幾乎每個人都要談論這本書及其觀點。當時，這些研究者的結論是：到2072年，全球的人口和工業能力將失控，整體水平會呈現斷崖式下降。由此可見，1972年，人們對世界的未來並不樂觀。
然而，看一看今天的實際情況，各國都在競相提高出生率，這些與1972年的專家對未來的預測和感受大相徑庭，比如，當時以MIT的那17位研究者為代表，包括我在內，都沒有想到在2017年的今天，普通人可以人手一臺計算機，而且其功能和效能比當年最好的計算機都要強大很多。鑑於此，當下的人們對於未來持有更多的樂觀態度。
1000倍的能效提升潛力
由此可見，過去50年的發展，更多是得益於科技的發展與進步，而科技的發展更多的是IT技術的發展，這其中，半導體技術扮演者非常重要的角色，它可以說是IT技術發展的主軸。如果摩爾定律真的結束了，半導體技術發展到此為止的話，那麼以後50年的世界要如何發展？我們的兒孫到那時對未來世界的發展會是怎樣一種感受呢？下面我們來探討一下答案。
微納電子技術對於世界的發展及和平的重要性是有別於其它科學技術的。由於微電子技術的應用非常寬廣，是基礎性技術，可以帶動其它科技的發展，比如醫療、材料等等，都是因為微電子技術的進步，使得計算能力提升，人們就可以做出以前做不到的事情。
微納電子使用的物料相較於其它科技要少很多，由於其主要原材料是矽，而地球質量的28%都是矽。此外，理論上，微納電子技術使用的能源利用效率仍然有提升1000倍的潛力，而其它科學技術，如電動汽車、發電機、電動機等，能量的轉換率也就是90%多，而LED等的電-光轉換效率也就是40%左右，這些效率的提升潛力已經非常有限，幾乎不可能有什麼突破。因此，我能想到的，能讓我們的工作效率提升1000倍，而能源消耗提升很少的技術，只有微納電子。
也就是說，微納電子技術可以增加人們解決世界難題的能力，比如，要逐步解決的全球變暖問題。如果說微納電子技術不能再向前發展的話，那麼我們解決未來世界難題的能力也就停留在此了，如果這樣，當下一些非常熱門的技術也難以實現真正的發展和騰飛，如目前仍處於紙上談兵階段的人工智慧（AI）技術等。因此，我們要儘可能地延長微納電子技術的持續進步水平，越長久越好。
微納電子技術支撐的納米制造、積體電路等都賦予了我們解決各種難題的能力，希望未來的20年、30年、50年，這份解決問題能力的名單可以越來越長。這些也是我們這些從業者需要做的事情，雖然其中存在著很大的挑戰，但保持其發展是我們的責任，不能讓其停滯不前。
挑戰與希望
下面談一下挑戰，雖然，微納電子技術在理論上有1000倍的能源利用效率提升潛力，但要真正實現它，卻是非常困難的。在利用能源方面，英特爾在1999年曾經表示：以MOSFET為例，給出了晶片的功率密度與火箭的噴火口、核電站的核反應堆等相比的情況，如下圖所示，由於無法徹底解決漏電流問題，所以當時認為35nm製程就是未來的極限工藝水平了。而隨著時間的發展和技術的進步，當年認為無解的問題，通過人類的創意，很多都已經找到了方法或路徑，再加上人工智慧水平的不斷提升，更能夠幫助人們去發揮創意，應對原來難以解決的問題。
另外，隨著新材料和新科學的出現，如二維材料、光、磁旋、鐵電（負電容電晶體），有望打破熱力學中的波茲曼定律的束縛，實現在能源利用效率方面的突破。
再看一下仿生、量子、生物、自組裝等，這些並不是新材料和新科學技術，已經講了幾十年，但是其研究和發展依然在繼續，沒有停滯。除了這些，我們希望未來能出現從未見過的、更新的材料和更新的科學技術，以幫助我們實現1000倍能源利用效率的提升。
半導體市場如何成長
自1995年以來，全球半導體市場的增長率如下圖中的藍色曲線所示，其斜率與圖中的紅線（GWP增長率，即全球經濟增長率）幾乎完全相同。20年來，這兩個增長率指標都在5.5%左右，這說明，多年以來，半導體企業雖然在成長，但總體來看，增長幅度並不是很大，每提升一步，都很難，需要付出很多。那麼問題來了，半導體企業對於新技術研發的渴求以及投入成為了一個問題，誰會出錢進行長期的化學、物理、生物等前沿技術的探索工作，從而為微納電子技術找出新的發展之路，為經濟發展提供動力，解決未來的世界難題呢？這是一個很大的問題。
這裡，我不禁想起了1948年電晶體的發明，也就是在70年前的貝爾實驗室。當下，人們普遍感覺已經沒有像貝爾實驗室這樣的機構存在了，那麼，要如何解決當前的這種困境呢？答案很難給出，因為誰出錢來構建它仍然是個大問題。
看照片中的三位發起人，他們雖然都是在美國發明瞭電晶體，開創了這番事業，但是這三個人卻出生在三個不同的地方。照片中間的那位是威廉·蕭克利（William Shockley），出生在英國的利物浦，圖片左側站立的是約翰·巴丁（John Bardeen），出生在美國威斯康辛州的一個農場，圖片右側的是華特·豪舍·布拉頓（Walter Houser Brattain），他則出生在中國的廈門。這三個人背景不同，卻聚合在了一個房間裡，共同發明了電晶體，完成了一項世界級的壯舉。這些很值得我們當今的半導體從業者去思考和學習。
結語
未來全球和平成長仍要靠微電子技術的繼續進步來支撐，另外，微納電子需要化學、物理、生物等科學前所未有的創新和探索的支援。如何讓微納電子技術發展下去，不禁讓我想起爬山，在眼前看不到明確路線的情況下，你只有繼續攀登，只有到達了山頂，眼前才能一片開拓，才能看到更多的路徑，在這之前，除了繼續攀登，沒有其它選擇。
在這樣的大背景下，是不是中國的機遇呢？是中國出錢出力，為世界找出微納電子未來發展方向的大好時機呢？這是值得我們去思考的一個問題。