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前言

我為了將半導體積體電路70多年精彩的歷程講給高中生聽，而有這個機會把自己過去40年在半導體生涯中所親身經歷見證的點點滴滴串連起來，點滴在心頭。也因此，自己才真正體會出其中奧妙的意義，更驚訝讃美自然的神奇及人造工藝的美妙！半導體發展的過程及歷史就像史詩一般，其精彩刺激程度，幾乎可以比擬20世紀初期(1895 – 1945年)量子力學的發展。只是半導體的發展，不是基礎科學，是工藝及科學的應用，而且多了金錢及利益的商業氣息。

第一課: 半導體世界的起源和演化 − 獨有的摩爾定律

電晶體是一個可以用電的訊號主動控制的開關，其主動元件(Active Device)的功能特性也預吿了它具有人工智慧的能力。積體電路則是將多個電晶體以金屬連線連接組成。積體電路的基本元件包含了可以存取資料的記憶體(例如：靜態隨機存取記憶體(SRAM))、進行數學運算的計算電路(例如：加法器 (Adder))、進行邏輯判斷的邏輯電路(例如: AND、OR)和計時的心跳線路(例如：時鐘 (Clock))。現在電腦的中央處理器(CPU)晶片或手機的應用處理器(APU)晶片的時鐘頻率(Frequency)已經超過3GHz，相當於每秒擺動30億下，以奈秒(nano-second)為時間的單位；而人類的心臟每秒跳動只有1.2下，以秒為時間的單位。當積體電路根據人們所寫的程式指令，按照其時間次序，進行資料的存取、數學運算及邏輯判斷，這不就是和人腦的功能一樣嗎? 中文把「Computer」稱做電腦 (Electric Brain)，實在非常傳神!

半導體世界的起源和演化，和我們這個宇宙的起源和形成一樣，都是「數字」的魔力，只是牽涉到不同的尺寸(scale)大小及數目(quantity)多寡而已。宇宙由138億年前的一個小點，遵循著自然界的愛因斯坦廣義相對論不斷的膨脹，達到今日直徑10²⁷米且含有10²²個恆星的規模。半導體晶片的發展則是遵循人造的摩爾定律由1958年含有2個3×10^-3米大小電晶體的晶片，不斷微縮演進成今日含有5×10¹⁰個3×10^-9米大小電晶體的晶片。

摩爾定律可以用簡單的幾何級數描述，廣義相對論則需用深奧的萊曼曲面張量(Riemann Curvature Tensor)才能闡釋。然而，人造的能力行為遵循的經驗法則(Empirical Law)竟然能精準的和宇宙自然的物理定律(Law of Physics)一樣，著實令人讚美感動！

人類文明史上沒有一樣東西像半導體積體電路(Integrated Circuits, IC)晶片一樣擁有摩爾定律。依據摩爾定律，約每20個月，每個電晶體的面積會減半，使得每個積體電路晶片內可以包含的電晶體數目加倍；積體電路從1958年發明到現在，已經經過了37個 (2³⁷) 發展週期。假設汽車工業也遵循著摩爾定律，由1885年德國賓士先生發明汽車發展至今的136年，一台汽車的大小如果遵循摩爾定律經過81個 (2⁸¹) 發展週期的微縮, 現在汽車大小應該是 10^-11公尺 (10^-2 奈米), ，進入了測不準原理的次原子(Sub-atomic)範圍。但人類對汽車沒有持續縮小的需求，汽車工業也就沒有摩爾定律。再説，美國萊特兄弟在1903年發明飛機之後，雖然人類希望飛機能夠製造得越大越好，可是經過70個 (2⁷⁰) 週期的發展，現在最大的飛機Airbus Beluga 機身長度也才56公尺。因為技術上的物理限制及人類沒有強烈的需求，飛機的大小也就沒有遵循幾何級數持續的増大。

根據我自身的體認，一個事件如果不能用數學描述或用數字想像，則我對這事件可能還沒有想的透徹。誠如古希臘哲學家柏拉圖說：不懂數學幾何者，不入我門。我們可用簡單的幾何級數描述摩爾定律，然而無論是在自然界或人為事物裡並未有其他事物呈現幾何級數現象。這是因為自然界或人為事物的發展通常經由活化因素與抑制因素相互的競爭與抗衡，達到一個飽和的平衡狀態。例如，人體細胞分裂機制中有活化因素CDK (Cyclin Dependent Kinase)激酶，刺激細胞分裂；也有抑制因素CDKI (CDK Inhibitor)分子，抑制細胞分裂；另外，細胞分裂的過程中，染色體末端的端粒(Telomere)長度會隨著細胞分裂次數而不斷縮短，當Telomere縮短至無法維持染色體的穩定時，細胞將停止分裂且逐漸死亡。由於CDKI調控細胞分裂的進展以及Telomere調控細胞死亡的機制，人體細胞數目不致於成幾何級數的失控增長。只有積體電路晶片因為人類強烈的需求，想盡辦法，使出洪荒之力，增加活化因素，挑戰物理極限，經過37個 (2³⁷) 發展週期, 到現在尚未停歇, 當然會產生驚天動地的後果。

自然界為人類準備了矽原子及光子和電子兩個基本粒子來做積體電路。矽原子屬於週期表中IVA族的四價元素(電子半填滿在最外層s及p軌道)。矽原子在自然界中充裕而穩定，且可藉由摻入特定雜質，使其因多一個電子或少一個電子而具有半導體的特性。在基本粒子標準模型(Standard Model)表的17個基本粒子中，居然有兩個大家耳熟能詳的電子及光子，太神奇了！

而人類也很聰明的使用光子基本粒子當影印機/雕刻刀，在矽原子長晶而成的晶圓(Wafer)上雕刻圖案線路，然後在圖案線路上操縱玩弄電子基本粒子。矽原子（3s²3p²）和碳原子（2s²2p²）同屬IVA族的四價元素，兩者的固態晶體結構都是鑽石立方結構(Diamond Cubic Lattice)，但人類可以用便宜的方法長晶(Silicon Crystal Growth)去量產製造矽晶圓，卻無法找到可以便宜量產人工鑽石(碳)的技術。如今半導體積體電路晶片深深的影響了人類生活及文明，珠寶商説「鑽石永遠保值，Diamond is Forever」；看到大家丟了手機，驚慌找手機失魂落魄的樣子，我說「矽晶永保活力， Silicon is for Soul」。

(本文係依據林董事長刊登於2021年11月15日電子時報專欄的文章修訂而成。)

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