在去年清華大學(xué)舉辦的慶祝集成電路發(fā)明60周年的會(huì)議上,，有位院士就摩爾定律做了一個(gè)非常精彩的比喻： “與其說摩爾定律是一個(gè)產(chǎn)業(yè)規(guī)律,，不如說摩爾定律是一面旗幟,，來激勵(lì)我們堅(jiān)持不懈地推動(dòng)科技和產(chǎn)業(yè)進(jìn)步！”

　　的確,，摩爾定律不是一條物理定律,，而是一個(gè)早期通過觀察發(fā)現(xiàn)的行業(yè)發(fā)展規(guī)律，后來由人為力量堅(jiān)強(qiáng)推動(dòng)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)步周期,。摩爾定律是由英特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出的,。1965年4月19日，《電子學(xué)》雜志（Electronics Magazine）發(fā)表了摩爾（時(shí)任仙童半導(dǎo)體公司工程師）撰寫的文章 “讓集成電路填滿更多的組件”,，文中預(yù)言半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年增加一倍,。1975年，摩爾根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況對(duì)摩爾定律進(jìn)行了修正,，把 “每年增加一倍” 改為 “每?jī)赡暝黾右槐丁?。所以，業(yè)界普遍流行的說法是 “每18-24個(gè)月增加一倍”,。

　　在摩爾定律發(fā)展的早期,，集成電路上的空間利用率不高,，主要通過擴(kuò)容來達(dá)到晶體管密度翻倍。但這種方法很快就達(dá)到了極限,，后來幾十年主要通過晶體管微縮（scaling）來提高密度,，材料、工藝,、測(cè)試技術(shù)都推進(jìn)到了納米級(jí)別,。

　　摩爾定律的發(fā)展，反映了集成電路產(chǎn)業(yè)從無到有,、到支撐起今天整個(gè)信息科技的大廈的過程,。在這中間，靠的不是一兩個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)的技術(shù)突破,，而是源源不斷的新材料,、新工藝和新技術(shù)的引入，體現(xiàn)了“守正出奇”在科技創(chuàng)新中的重要性,。

　　1. 科技創(chuàng)新為何需要守正出奇

　　“守正出奇”源自《孫子兵法》,，指按著常規(guī)發(fā)展，卻又不固守常規(guī),，能突破思維,、出奇制勝?？茖W(xué)的本質(zhì),，是使主觀認(rèn)識(shí)與客觀實(shí)際實(shí)現(xiàn)具體統(tǒng)一的實(shí)踐活動(dòng)。這是一個(gè)雙向互相促進(jìn)的過程,，需要人不斷地從思維和現(xiàn)實(shí)之間去思考,、發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證?？茖W(xué)發(fā)展有其客觀規(guī)律,，需要用實(shí)踐檢驗(yàn)理論，過程要邏輯嚴(yán)密,、可重復(fù),、可證偽，不能投機(jī)取巧,，不能違背原則,。而人的思維創(chuàng)造性（或者說靈感）又常常是重大突破的源泉。在科研精神方面,，“守正出奇”對(duì)應(yīng)著耐心,、好奇心和平常心。

　　1.1 “守正”是持續(xù)成功之母

　　晶體管微縮涉及很多關(guān)鍵技術(shù)，主要是解決兩個(gè)問題：一是如何制造更小的晶體管,；二是當(dāng)晶體管密度增加后如何控制功耗,。就像1990年，當(dāng)晶圓上的晶體管大小達(dá)到用以印刷它們的光的波長(zhǎng)（193納米）時(shí),，物理學(xué)界明確指出不能再向前推進(jìn)了,。但英特爾突破了挑戰(zhàn),，用掩模圖形產(chǎn)生的干涉光柵進(jìn)行印刷,，開發(fā)了計(jì)算型光刻技術(shù)和多重曝光，可以繼續(xù)微縮晶體管,。在2000年以后的幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上,，例如2003年90nm節(jié)點(diǎn)采用應(yīng)變硅（Strained Silicon），2007年45nm節(jié)點(diǎn)采用高K金屬柵極（High-K Metal Gate）,，2011年的22nm節(jié)點(diǎn)采用3D晶體管（FinFET）,，無一例外都需要五年以上的研發(fā)和試驗(yàn)周期。當(dāng)產(chǎn)生了一個(gè)想法,，就需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),、收集數(shù)據(jù)來驗(yàn)證它。這個(gè)過程需要極大的耐心,，因?yàn)榭赡苄枰芏啻?、很長(zhǎng)時(shí)間才能完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來后,，有可能是成功驗(yàn)證了想法,，也有可能是失敗了。這個(gè)時(shí)候我們要有平常心,，知道科學(xué)研究不可能一帆風(fēng)順,，本來就是要面對(duì)可能的失敗。勝不驕,、敗不餒,，表現(xiàn)出從容淡定的自信心，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,，通過不斷修正想法和實(shí)驗(yàn),，最終取得成功。

　　由于技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜性,，即使是行業(yè)里的頂尖專家,，對(duì)5年后的技術(shù)預(yù)測(cè)也未必準(zhǔn)確。而且,，外界還不時(shí)有“摩爾定律走不下去了”的聲音,。這時(shí)，不僅需要耐心和平常心來坦然面對(duì)試驗(yàn)中的逆境和外界的質(zhì)疑，還需要有好奇心來發(fā)現(xiàn)新的機(jī)會(huì),。

　　1.2 “出奇”帶來突破

　　我想用英特爾在45nm節(jié)點(diǎn)采用高K金屬柵極技術(shù)為例,，說明“出奇”的重要性。戈登·摩爾對(duì)這項(xiàng)創(chuàng)新給予了非常高的評(píng)價(jià)： “高K柵極介電質(zhì)+金屬柵極晶體管是自上世紀(jì)60年代晚期推出多晶硅柵極金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）晶體管以來,，晶體管技術(shù)領(lǐng)域里最重大的突破,。”為什么呢,？

　　我們說45nm制程,，不是指的芯片上每個(gè)晶體管的大小，也不是指用于蝕刻芯片形成電路時(shí)采用的激光光源的波長(zhǎng),，而是指芯片上晶體管和晶體管之間導(dǎo)線連線的寬度,，簡(jiǎn)稱線寬。半導(dǎo)體業(yè)界習(xí)慣上用線寬這個(gè)工藝尺寸來代表硅芯片生產(chǎn)工藝的水平,。因?yàn)榫€寬越小,，晶體管也越小，讓晶體管工作需要的電壓和電流就越低,，晶體管開關(guān)的速度也就越快,，這樣新工藝的晶體管就可以工作在更高的頻率下，隨之而來的就是芯片性能的提升,。從單個(gè)晶體管的角度來看,，為了延續(xù)摩爾定律，需要每?jī)赡臧丫w管的尺寸縮小到原來的一半,。

　　65nm的工藝已經(jīng)將晶體管的組成部分做到了幾個(gè)分子和原子的厚度,，組成半導(dǎo)體的材料已經(jīng)達(dá)到了它的物理電氣特性的極限。最早達(dá)到這個(gè)極限的部件是組成CMOS晶體管的柵極氧化物——柵極介電質(zhì),，當(dāng)時(shí)的工藝都是采用二氧化硅（SiO2）層作為柵極介電質(zhì),。大家把源極（Source）和漏極（Drain）之間的部分叫做溝道（Channel），在柵極氧化物上面是柵極（Gate）,。晶體管的工作原理就是通過對(duì)柵極施加電壓來控制源極和漏極之間的溝道能否產(chǎn)生有效電流,，從而使晶體管處于開啟或者關(guān)閉的狀態(tài)。我們可以把柵極比喻為控制水管的閥門,，開啟讓水流過,，關(guān)閉截止水流。晶體管的開啟/關(guān)閉的速度就是我們說的頻率,，如果主頻是1GHz,，也就是晶體管可以在1秒鐘開啟和關(guān)閉的次數(shù)達(dá)10億次。

　　同1995年晶體管中二氧化硅層相比,，65nm工藝的晶體管中的二氧化硅層已經(jīng)縮小到只有前者的十分之一,，僅有5個(gè)氧原子的厚度了。作為阻隔柵極和下層的絕緣體，二氧化硅層已經(jīng)不能再進(jìn)一步縮小了,，否則產(chǎn)生的漏電流會(huì)讓晶體管無法正常工作,，如果提高有效工作的電壓和電流，會(huì)使芯片最后的功耗大到驚人的地步,。所以,，從65nm開始，我們已經(jīng)無法讓柵極介電質(zhì)繼續(xù)縮減變薄,。而且到45nm,，晶體管的尺寸要進(jìn)一步縮小，源極和漏極也靠得更近了,。如果不能解決柵極向下的漏電問題以及源極和漏極之間的漏電問題,，新一代處理器的問世可能變得遙遙無期。這個(gè)時(shí)候,， “摩爾定律走到了盡頭” 的說法不絕于耳。

　　現(xiàn)有材料都到物理極限了,，怎么辦呢,？既然繼續(xù)采用二氧化硅作為柵極介電質(zhì)沒有前途，那么就要另辟蹊徑,，尋找比二氧化硅更好的 “絕緣體”,，用以更好地分隔柵極和晶體管的其他部分，而且替代材料需要具有比二氧化硅更高的介電常數(shù)和更好的場(chǎng)效應(yīng)特性,。一種材料應(yīng)具有良好的絕緣屬性,，同時(shí)在柵極和溝道之間產(chǎn)生很好的場(chǎng)效應(yīng)——就是高K。K 其實(shí)是電子學(xué)的工程術(shù)語,，K源于希臘文Kappa,，用于衡量一種材料存儲(chǔ)電荷（正電荷或者負(fù)電子）的能力。具有高K的材料可以比其他材料更好地存儲(chǔ)電荷,。

　　經(jīng)過對(duì)各種新材料的組合嘗試,，研究人員最終找到了一種基于金屬鉿（Hafnium）的氧化物，這種材料具有高K的潛質(zhì),。不過這種材料作為新的柵極介電質(zhì)和原來的柵極的多晶硅并不兼容,。又經(jīng)過了多次的試驗(yàn)和篩選，最后采用金屬代替多晶硅作為柵極材料的辦法來解決問題,。這就是全新的 “高-K 柵極介電質(zhì)+金屬柵極”晶體管（介電質(zhì)也稱為介質(zhì)）,。這種晶體管與前一代 “傳統(tǒng)材料” 做的晶體管相比，有質(zhì)的飛躍——源極到漏極的漏電降低80%以上,，柵極氧化物介電質(zhì)漏電降低 90%以上,；驅(qū)動(dòng)電流效率提升20%以上，即晶體管的性能提升20%。

　　好奇心是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的源泉,。在不斷的創(chuàng)新過程中,，正因?yàn)檠芯咳藛T跳出了原有技術(shù)和思維框架，找到了基于金屬鉿的氧化物這種具有高K潛質(zhì)的材料,，才讓處理器的發(fā)展得以繼續(xù),。同時(shí)也改變了四十多年來大家對(duì)傳統(tǒng)晶體管的認(rèn)識(shí)，讓世人知道 “原來晶體管還可以這么做”,。

　　耐心和好奇心是相輔相成的：一個(gè)守正,，一個(gè)出奇，確保能找到克服難題的鑰匙,。

　　2. 推動(dòng)開放式科技創(chuàng)新

　　在過去的六十年間,，集成電路的復(fù)雜度有節(jié)奏的增長(zhǎng)。這個(gè)節(jié)奏不是一家公司推動(dòng)的,，而是社會(huì)化合作的產(chǎn)物,。它是人們?cè)谙胂罅Φ膯l(fā)下，依靠經(jīng)驗(yàn)提出可能性（摩爾定律）,，并通過全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的合作與競(jìng)爭(zhēng)來強(qiáng)化,。通過學(xué)術(shù)界與公司合作、會(huì)議溝通和“技術(shù)路線圖”的有組織干預(yù)以及投入巨額研發(fā)資金和數(shù)十萬人的努力,，來推動(dòng)芯片設(shè)計(jì)制造全產(chǎn)業(yè)鏈的指數(shù)式發(fā)展,。這種模式就是超出單個(gè)實(shí)驗(yàn)室、科研機(jī)構(gòu),、公司,、甚至國(guó)家的開放式創(chuàng)新。例如,，英特爾在22nm節(jié)點(diǎn)采用的3D晶體管技術(shù)就源自學(xué)術(shù)界提出的 FinFET（鰭式場(chǎng)效晶體管）設(shè)計(jì),。FinFET的發(fā)明人是加州大學(xué)伯克利分校的胡正明（Chenming Hu）教授，他也曾擔(dān)任過臺(tái)積電（TSMC）的CTO,。

　　集成電路發(fā)展到今天的深納米級(jí)別,，想僅靠一家公司或科研機(jī)構(gòu)之力來試驗(yàn)各種新材料、新器件和新的制程工藝都是不切實(shí)際的,。毋庸置疑,，美國(guó)是世界半導(dǎo)體技術(shù)的中心。在過去20年中,，美國(guó)政府和行業(yè)協(xié)會(huì)緊密合作,，聯(lián)合大學(xué)共同推動(dòng)技術(shù)發(fā)展。舉一個(gè)最近的例子,，當(dāng)半導(dǎo)體行業(yè)由于摩爾定律放緩受到挑戰(zhàn)時(shí),，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）于2017年啟動(dòng)了 “電子復(fù)興計(jì)劃”（ERI：Electronics Resurgence Initiative）,，被業(yè)界譽(yù)為將開啟下一次電子革命。

　　ERI是一個(gè)歷時(shí)5年,，總投資15億美元的研究計(jì)劃,，是商業(yè)界、工業(yè)界,、大學(xué)研究人員和國(guó)防部之間開展的一系列前瞻性合作項(xiàng)目,，要求對(duì)微系統(tǒng)的材料、設(shè)計(jì)和架構(gòu)等采用創(chuàng)新性的新方法開展研究,。該計(jì)劃主要包括由大學(xué)主導(dǎo)研究的聯(lián)合大學(xué)微電子學(xué)項(xiàng)目（JUMP）,、工業(yè)界主導(dǎo)研究的 “Page 3 Investments” 以及一些傳統(tǒng)的項(xiàng)目等。

　　JUMP 建立了一個(gè)由 DARPA 與工業(yè)界組成的聯(lián)盟,，工業(yè)界成員目前包括 IBM,、英特爾、ADI,、臺(tái)積電,、ARM 和三星電子等。聯(lián)盟成員共同擬定 JUMP 項(xiàng)目的重點(diǎn)研究領(lǐng)域,，也共同為項(xiàng)目提供資金支持,，邀請(qǐng)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)來聯(lián)合研究，并強(qiáng)烈鼓勵(lì)大學(xué)之間的交叉共享,，以達(dá)到解決研究技術(shù)所需的深度和范圍。DARPA 將提供大約40%的資金,，其他合作伙伴將共同承擔(dān)60%,。

　　在未來的創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域，由于涉及計(jì)算,、通信,、人工智能、安全等多領(lǐng)域的前沿技術(shù),，同樣需要多方合作的開放式創(chuàng)新,。例如英特爾中國(guó)研究院的 “智能網(wǎng)聯(lián)駕駛” 和 “機(jī)器人4.0” 研究方向，都構(gòu)建了聯(lián)合多個(gè)大學(xué),、企業(yè)合作伙伴共同研發(fā)的平臺(tái),，從而加速推動(dòng)技術(shù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)。

　　新時(shí)代的科技創(chuàng)新的特點(diǎn)是復(fù)雜度高,、跨學(xué)科交叉,、周期短。我國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域基礎(chǔ)弱,，但是發(fā)展速度很快,，應(yīng)用前景非常廣闊,。因此，我們要聚集多領(lǐng)域的人才,，通過有組織的開放式創(chuàng)新讓偶然的技術(shù)突破更快速出現(xiàn),，從而使科技進(jìn)步的快節(jié)奏成為必然。