由微电子科学的发展浅说现代科技哲学.doc

浅说自然辩证法在微电子技术中的点与滴摘要 从自然辩证法中的系统观、科学技术观及创新观的哲学理论出发，联系微电子学的诞生和微电子技术的发展历史，阐述其发展的因果关系，进一步揭示其发展的趋势，以及科学技术及其创新性在微电子技术发展中的巨大作用。由此说明刚踏入科研队伍的研究生学习自然辩证法的必要性，以及对自然辩证法对IC设计的指导意义。关键字：自然辩证法 微电子技术 科学技术方法论Abstract: The system from the concept of dialectics of nature, science and technology and innovation Philosophical view of theory, to contact the birth of microelectronics and microelectronic technology, history, describes the causal relationship between its development and further reveal the trend of its development, and science and technology Its innovative technology development in microelectronics great role. This research team that has just entered graduate study in the need for Dialectics of Nature, and the dialectics of nature guide on IC design.Keyword: Natural Dialectics Microelectronics Technology Science and Technology Methodology1 绪 论进入21世纪以来，我国信息产业在生产和科研方面都大大加快了发展速度，并已经成为国民经济发展的支柱产业之一。作为信息技术的基础的微电子技术的发展，特别是微电子半导体行业的发展，已经成为衡量一个国家综合国力的重要标志。并且半导体行业已经进入到日常生活的各个领域，在我们的生活中扮演中极其重要的角色。自然辩证法的发展同自然科学的发展是紧密联系着的，20世纪以来自然科学的突飞猛进，极大地扩大和加深了人类对自然界的认识，20世纪自然科学的发展已经在更加广阔的范围和更加深刻的程度上揭示了自然界的辩证法和自然科学的辩证法，是辩证法的许多基本观点由于无数确凿的自然科学事实而在实际上为自然科学界所广泛接受。如辩证唯物主义哲学原理、世界观和方法论为指导，对现代自然科学技术的新成就进行概括，较深刻地揭示了自然物质系统的辩证法。自然辩证法对于自然科学技术的研究包括对自然科学技术的性质、结构和功能的研究。对于科学技术经济社会的关系等的认识，已经形成共识。这一研究和自然科学论的研究共同为科学技术政策的制定，科学技术发展的规划，科学技术工作的领导和管理提供了理论基础，其重要性日益显得突出起来。而其在创新型人才的教育实践中，发挥着越来越大的作用。2 微电子技术的发展与研究 一、微电子技术的诞生和发展离不开科技的创新微电子是电子信息科学与技术的一门前沿学科。微电子学的诞生是以半导体晶体管的发明为标志的，晶体管是人类历史上最伟大的发明之一，是固体物理、半导体物理、材料科学等取得一系列重大突破后的必然结果。微电子学是脱胎于电子学和固体物理学的一门交叉性的技术学科，其主要任务是研究在固体（主要是半导体）材料上构成微小型化电子电路、子系统及系统的学科。以微电子学为基础发展起来的微电子技术包括半导体材料及器件物理，集成电路及系统的设计原理和技术，芯片加工工艺、功能和特性的测试技术等重要的组成部分，其核心是集成电路技术。从1959年美国德州仪器(TI)公司Kilby在一块Ge衬底上做成两个以上的晶体管，标志着第一块集成电路的诞生以来，集成电路(IC)技术的发展才40余年的历史。但是集成电路技术已经从小规模(SSI)、中规模(MSI)、大规模(LSI)、超大规模(VLSI)，发展到现在的巨大规模(ULSI)(集成度大于108元件芯片)，是当今世界上发展最快的高技术之一。微电子技术是在应用需求的推动下，依靠一系列的创新，包括原始创新、技术创新和应用创新等建立发展起来的。近几十年来，微电子技术一直是按照摩尔定律的指数增长规律发展的。摩尔定律是Inter公司的创始人之一，时任美国仙童公司研究部主任的摩尔与1964年在总结集成电路发展趋势的基础上，对未来集成电路的发展趋势而做的预测。其基本内容是，在集成电路的单个芯片上集成的元件数，即集成电路的集成度每18个月增加一倍，即集成度每三年翻两番，而且集成电路芯片的需求量也以相同的速度增加，在集成电路性能提高的同时价格下降。微电子技术已经成为整个信息社会发展的基石，这是由集成电路的本质所决定的。 信息社会的进步取决于人们对信息的掌握和利用程度，而集成电路恰恰是将信息的获取、传递、处理、存储、交换等功能集成在一个小小的芯片上，而这种芯片又可以低成本、高可靠性、大批量地生产出来，且功耗低、体积小，从而可在前所未有的广度和深度上得到推广应用，成为现代工农业、国防和科学技术的技术基础。综观微电子的发展史，微电子学是在物理学发展和突破的基础上建立起来的，而微电子技术的每一步发展都是以物理学成果为基础的。所以说微电子学的发展从来没有离开过科技创新。二、微电子技术的发展限制及挑战随着器件特征尺寸的不断缩小，特别是在进入到纳米尺度的范围内，微电子技术的这种一维发展模式将面临着一系列物理限制的挑战，这些挑战有来自于基本物理规律的物理极限，也有来自于材料、技术、器件、系统和传统理论方面的物理限制为了面对这些挑战，微电子技术将由一维发展模式向多维发展模式方向转变，微电子技术的发展将进入一个新的发展阶段，体现出一些新的发展特征!1， 物理规律的限制。随着器件特征尺寸缩小，量子效应变得显著，这些传统的微电子学理论需要利用量子力学理论对其进行改造。虽然在微观的原子尺度上，量子力学方法已建立起了一套完备的分析计算方法，但由于涉及极大的运算量和存储量，实际很难应用到多电子系统的固态电子学，因此，亟需发展一种全新的方法。2， 材料方面的限制。传统的微电子工艺技术，如光学光刻工艺、离子注入工艺等将接近其物理极限，无法满足器件进一步缩小的制备需要! 解决该限制的途径是寻找新的工艺方法和途径!3， 材料方面的限制。主要是传统的微电子材料，如硅衬底材料、二氧化硅绝缘材料、多晶硅及其硅化物和金属导电材料等无法满足微电子技术进一步发展的需要! 为了解决这方面的限制问题，需要引入一些新的材料到微电子技术中来!4， 器件方面的限制。按照摩尔定律预测，由于器件特征尺寸的研究水平缩小，MOS器件开关过程仅需要少数几个电子参与，MOS器件的经典理论将不适用；而到2020年，器件的开关过程仅需一个电子的参与，由此，必须要采用新的器件结构（如量子开关器件）和新的器件工作原理!面对这些物理限制，微电子技术的发展需要在多个方面进行突破，这些都需要科技的创新，这些都需要科学的系统观、科学技术观及创新观的论指导。3 自然辩证法IC设计的指导意义作为微电子专业的学生，电子系统设计是IC设计中一个重要的科研方向，如何把握好这一方向，并在这一方向上有所作为，不仅要有扎实的理论基础，对专业知识有充分的了解，还需要站在一定的高度来把握这些，这就需要自然辩证法的理论指导，主要体现在以下几个方面：1、在自然辩证法中，讲到了系统观，现代系统观认为，事物的普遍联系和永恒运动是一个总体过程，要全面地把握和控制对象，综合地探索系统中要素与要素、要素与系统、系统与环境、系统与系统的相互作用和变化规律，把握住对象的内、外环境的关系，以便有效地认识和改造对象。（1）与之类似，在电子系统的设计中，要处理好电子系统内部各个元素之间的关系，具体来讲就是处理好各个芯片、各个元器件之间的关系，它们之间怎样进行信号传输、怎样进行耦合、元器件之间是否有干扰、是不是可以忽略这些干扰或者消除减小等等，同时，电子系统在其数量、结构、功能等方面不等同于各个自然要素（元器件、芯片等）的简单叠加，因而，电子系统相对于元器件来说，是具有不可还原性的；对于一个电子系统，它与内部的各个元器件是相统一的，各个元器件通过相互联系成为一个系统，而电路系统在整个应用中可能也只是其中的一个部件，同样，在一个电路系统中，它会有一些芯片，而这些芯片本身就是一个非常复杂的集成系统。因此，系统与要素两者同生共存、密不可分。（2）自然界中的万事万物都在发展变化当中，同样我们在电路设计时，要面向不断发展中的社会需求，并不能闭门造车。在现今的数字集成电路设计中，高速数字系统设计是不断满足人们快节奏的生活需求而产生的电路设计。不过从低频到高频的工作环境，有些情况发生了明显的变化。比如一段普通导线在低频时可以有效地将两个电路短接在一起，但在高频状态下因电感太大而无法完成短接功能，此时我们可以把它用做一个高频电感，而不是一个高频短接电路。所以在高频状态下，只有宽的、扁平的导体才能够有效地短接两个电路。高速数字系统设计成功的关键在于保持信号的完整，影响信号完整性的因素主要有：传输线的长度、电阻匹配及电磁干扰、串扰等。这些部分所存在的问题，严重地影响着整个电路的工作状态，因此为解决以上问题，我们必须考虑阻抗匹配，如果匹配不好，信号会产生较大的上冲和下冲现象。同样传输线尽量短，如果传输线加长，那么传输线的等效电阻、电感和电容都增大，传输线效应明显加强，波形出现振荡现象。在考虑部分的同时，我们还要兼顾整体情况，比如干扰问题，由于频率提高，两平行传输线的干扰增强，因此增大两线的行距，但这又增加了PCB板的面积开销，而在实际布线时，又不能缩短传输线长度，所以采用差分信号来传输，这也因为差分信号有很强的抗共模干扰能力，从而缓解传输线长度、面积开销及串扰之间相互矛盾的问题。如果我们只看重部分的作用，不兼顾其他部分，只是解决目前的问题，却又出现另外一个问题，因此我们在做电路设计时也要做好统筹兼顾，不能顾此失彼。2、在面对全球变暖的世界性问题中，各国家政府都在减排方面做着不懈的努力，同样在科学技术方法论中所提到的绿色设计方法，这是人们对自身发展所引起的环境及生态破坏的反思，也体现了设计师的道德和社会责任的回归。绿色设计既考虑满足人的需要，又注重生态环境的保护与可持续发展的原则，即实现社会价值有保护自然价值，促进人与自然的共同繁荣。作为方法论的绿色设计着眼于人与自然的生态平衡关系，在设计过程的每一个决策中都要考虑到环境效益，尽量减少对环境的破坏。（1）基于此，低功率无污染的绿色环保电子系统应运而生，而CMOS的普遍应用又为其设计低功率电子系统提供了光明的前景，目前最小功耗系统设计中的一些原则和方法，以及设计师们一些实践经验已成功地运用到过程控制中，但对绿色环保各项要求设计时考虑得不够，现逐渐形成绿色环保电子系统设计的基本要求：首先，节能；其次，减少电磁辐射；再次，减少环境污染；最后，减少对电网的污染。对待以上四方面要求，我们要降低待机功耗，配备睡眠和唤醒装置；完善屏蔽装置，通讯系统尽量采用有线光缆；提高电子产品的回收率，改进电池的生产工艺，减少对环境的污染；采用先进的变频技术、晶体管逆变技术来取代可控硅交流技术等措施。因此为人类社会可持续发展，作为电子系统设计的我们，同样也应对社会负起这份责任电子系统的绿色设计。（2）对于一个实际的电路系统，它必须应用到具体的工作环境中，才能实现其价值。电路系统必然处在一定的环境中，它与外界环境在时刻的发生着关系，对于一些高功率的电路系统，它可能会散发大量的热，从而使环境的温度升高；反过来，大部分的电路系统对工作温度都有一定的要求，比如一个CPU，通常要专门为它安装一个小风扇，以便为它散热，如果CPU周围的温度过高，芯片可能会出现逻辑错误，导致死机甚至系统崩溃等不良后果，因而就要求科研工作者在设计芯片的时候考虑到温度的影响，采用一些优化措施如引入反馈电路或者采用低功耗的元件等等。另外，电子系统都会有一定的使用寿命，当它不能工作后，它就可能成为电子垃圾，污染环境，因此，我们在设计电子系统的时候，要尽可能使用可回收的元器件，这就涉及到自然辩证法中提到的绿色设计，其本质就是减量、重复利用、循环。这就要求我们在设计电路系统的时候使用尽量少的材料和能源，采用一些可重复利用的材料，并且产品的废弃物可以被回收利用。3、在自然辩证法中，提到了科学技术观，其中指出：科学技术是人类认识自然、改造自然的工具，是第一生产力，可以帮助人类不断创造出光辉的物质文明和精神文明。科学技术的飞速发展，必然给电子设计带来新的设计理念和思想，而电子设计的发展又对我们的社会发展产生了深远的影响。现代电子设计必然要满足科学技术观的要求，在当前设计中主要体现在两个方面。科学技术在电子设计中的一个体现就是计算机技术的应用。科学技术革命所引发的变化莫大于计算机技术的日新月异。较早期的电路系统的设计都采用手工设计的方式，但是随着电子系统复杂程度的增加，采用手工方式进行设计就变得非常困难，例如一款CPU的设计，Intel公司早期的奔腾系列CPU都是采用手工绘制，但是随着晶体管数目的增加，随着布线层数的增加以及电路复杂程度的加深，采用手工设计已经变得不可能，因此电子设计的计算机应用便应运而生