追思施敏院士(1)矽文明先知

圖說:施敏院士愛女施怡凡(左六)特別自美國飛抵台灣,參加施敏院士紀念研討會。左起為陽明交大研發處組長黃爾文教授、台北海洋科技大學教授顧鴻壽、陽明交大副研發長劉柏村講座教授、陽明交大電機系教授寒川誠二、陽明交大電機系教授李義明、施怡凡女士、陽明交大產創學院院長孫元成、交大校友總會執行長陳俊秀、陽明交大電機學院院長王蒞君、陽明交大總務長黃世昌、產業人物Wa-People主筆王麗娟。

追思半導體大師施敏院士(Dr. Simon Sze)(1936年3月21日~2023年11月6日)的不朽貢獻,國立陽明交通大學於3月21日舉行「追思與學術:施敏院士紀念研討會」,施敏院士的愛女施怡凡特別自美返台參加,受到熱烈歡迎。

陽明交大副校長陳永富、電機學院院長王蒞君、產學創新研究學院院長孫元成、副研發長劉柏村、旺宏電子總經理盧志遠、鈺創科技董事長盧超群、電子研究所終身講座教授曾俊元、電機系教授李義明、電機系教授郭治群、電子研究所講座教授方偉騏、陽明交大總務長黃世昌、工學院院長林志平、博大國際智權董事長馮武雄及眾多師生,皆參與盛會。

圖說:陽明交大副校長陳永富推崇施敏院士栽培臺灣本土博士的貢獻。

陳永富副校長致詞時,特別推崇施敏院士對培育臺灣本土博士的貢獻!他說自己從小立志當老師,但礙於家庭經濟因素,出國希望渺茫。直到1986年來到交大電子系,得知施敏院士在交大培養了三位臺灣最早的博士,包括交大前校長張俊彥、電子學教得最好的交大前副校長陳龍英,從此看到希望並告訴自己,在這個學校,只要夠努力,應該有希望圓夢。陳永富說,雖然施敏院士沒有親自教過他,但他被施敏院士的學生教過。以前讀電子學時,包括吳重雨校長、沈文仁教授,都會提到施敏院士的卓越貢獻。

陽明交大珍藏的施敏院士影像,於會場播出時,彷彿這位親切又博學的大師重返人間,頓時觸動許多人的思念,不覺流下眼淚。

施怡凡說,如果爸爸還活著,這天是他88歲生日。施怡凡代表母親、哥哥及全家人感謝大家,她強調施敏院士在台灣講學授課、帶學生,是他最開心、最滿意、最得意的事。他的學生、同事、朋友,是他最重要的一部分。

在陽明交大產學創新研究學院院長孫元成主持的座談會上,施怡凡分享了兩件事,說出她對父親的感謝。第一件是感謝爸爸對兩個孩子都很支持、很鼓勵,真是一位好爸爸。她說,從小父親就對她說,男孩女孩都是一樣的,沒有老式的重男輕女。所以,哥哥有什麼機會,施怡凡也都有,不像鄰居偏重投資男孩,讓男孩子去讀常春藤名校,女孩子就只讀州立大學。施怡凡說,爸爸媽媽對我們兩個孩子完全公平,讓她特別感激。

圖說:施怡凡說,施敏院士是一位最好的爸爸。

第二件事是施敏院士鼓勵女兒勇敢追夢的態度。施怡凡說她年輕時膽子很大,畢業後想到法國巴黎的經濟合作暨發展組織(Organisation for Economic Cooperation and Development,簡稱OECD )去做事。「我去申請工作,但他們說沒有PHD根本沒有甚麼機會。」儘管那時施怡凡不會講法文、不認識人、沒有經驗、沒有錢、也沒有地方住,但她還是想去。

後來終於如願找到工作了,可是做了兩年,雖然在巴黎覺得很開心,但工作卻很無聊。所以,施怡凡決定搬到香港。這一回又是相同的狀況,她不會講廣東話、不認識人、沒有經驗、沒有錢、也沒有地方住,但她還是去了香港。

面對果敢追夢的女兒,身為父親的施敏,心中是怎麼想的呢?施怡凡說,我爸爸在我每次出國去的時候總跟我說,「你去試試看,希望妳很成功,萬一出問題的話,家裡總是會有一碗稀飯給妳吃。」

當初施怡凡聽父親這麼說,總是覺得爸爸很滑稽、很可愛,現在回想起來,她覺得做父母的,這是最好的方法。施怡凡說,「如今我的兒子25歲,我對兒子也是相同的態度。你要做什麼,你就去試試看,如果需要幫助的話,我們做父母的還在這兒。」

欣銓科技董事長暨旺宏電子總經理盧志遠,以「向世界上最偉大的電子元件園丁暨矽文明世代之先知鼓吹者致敬!」為題發表專題演講。他認為施敏院士像是電子元件的園丁,不停耕耘,寫的書堆起來比人還高,造福了許多學生,各個都比他有錢。盧志遠說,施敏已經達到「成功不必在我」的境界,甚至還樂在其中,真是非常難得一見的崇高人格。

圖說:欣銓科技董事長暨旺宏電子總經理盧志遠推崇施敏院士的崇高人格。

盧志遠並推崇「施敏院士對矽文明、矽世代的來臨,是一位先知及鼓吹者。」盧志遠表示,施敏院士很早就看好矽世代即將到來,他能有這麼先知的看法,關鍵在於他擁有學術基礎,並且做了非常多電子元件的研究。施敏院士也深知,從元件到變成一個產業,必須通過精實的量產及營運的考驗,確保每天產出的幾千億、幾百億個元件,在每個人不停地操作使用下,都不會壞掉。

到底什麼樣的材料,才能符合這個條件呢?盧志遠說,施敏很早就講過,「除了矽,其他都不必看了。」當時,矽根本尚未稱霸,但施敏早已預言「矽時代」的到來。

盧志遠細數電子元件的發展史,以及貝爾實驗室的研究發展對人類做出的重要貢獻。盧志遠曾任職貝爾實驗室,和施敏院士曾是同事,兩人多年情誼十分深厚。盧志遠引述施敏院士的話,看好矽文明及矽世代(Silicon Era)的發展,如同人類歷史經歷青銅文化、鐵器文化一般,每一項文明從崛起到成熟,大約都是兩百年。因此,施敏院士認為「矽文明崛起,至少也會盛行200年。」

回顧電子元件發展史,從真空管到有電晶體(transistor) 的概念,花了20年;盧志遠說,「量子力學於1900年第一次爆發,開始有電子電路(electronic circuit),從此才有了半導體。」盧志遠說,在那之前,物理界根本沒有辦法解釋,為何世界上會有一種東西,具有半導體的性質。

電晶體之後,包括BiPolar, NMOS等大約兩百多種電子元件紛紛出現,歷經30年的演變,才來到用矽做成的金氧半場效電晶體(Si-MOSFET)。盧志遠說,「我1968才念台大物理系,當時也還沒有接觸半導體。」他指出,直到1970年,有了大型積體電路(LSI),從此半導體才一飛衝天,整合度也越來越高,來到VLSI及ULSI的規模。

微縮、堆疊、小晶片(Chiplet)等技術,是半導體產業能夠不斷成長的關鍵。數十年來,半導體產業兼顧了性能、功耗、面積大小、成本(Performance, Power, Area, Cost, 簡稱PPAC)等四大挑戰,不但做到速度變快、耗能降低、尺寸縮小,而且成本還更便宜。

盧志遠指出,過去系統晶片(SoC)把CPU、GPU、記憶體、I/O、通訊整合在一起,全都採用同一製程技術(例如3奈米),但這些個別元件,有的並不需要用那麼先進的製程,因此如今就發展出,先將元件各自以不同的製程做好,然後,再像堆樂高積木一樣封裝在一起,成為系統晶片。只是如今新的挑戰,並非技術難做,而是大家都有自己的介面,需要努力溝通,才能夠整合成功。

除了邏輯元件之外,在記憶體元件方面,也藉由半導體微縮技術,為全球使用者帶來又好又便宜的記憶體。盧志遠說,1956年IBM開發的儲存裝置,當年每套只有3.75MB的容量,體積非常龐大,需要用上308套才能擁有1GB的容量,而且只租不賣,算下來1GB記憶體每月的租金,高達23.1萬美元;如今,以矽為主的固態硬碟(SSD),2022年推出的容量達2TB,價格約250美元,換算下來1GB只需要0.125美元(新台幣不到4元)。僅僅66年的時間,記憶體的售價,竟出現這麼令人吃驚的跌幅,這正是半導體技術的神奇力量。

隨著微縮技術越來越小,新的挑戰來了!盧志遠指出,施敏發明的浮閘記憶體  (Floating-Gate Memory, FGM),隨著微縮技術不斷推進,元件裡的電子數量越來越少,「微縮到10幾奈米時,可靠性的問題就來了。」

面對這樣的挑戰,技術開始朝3D記憶體的方向努力,好比將原來一整片平房的社區,紛紛蓋起大樓。Toshiba於2007年,最早提出這樣的專利,先將一百層電路堆疊起來,最昂貴的微影製程只需做一次,然後100個電晶體就可一次完成。

「旺宏從50奈米以後,就不再微縮,這麼做的可靠度非常理想,如今正準備量產192層的3D Nand Flash記憶體。」盧志遠說,施敏院士所著的《Physics of Semiconductor Devices》第三版原文書,封面採用的就是旺宏的產品。

1946年,美國賓州大學以真空管推出世界第一台電子數值積分器和計算機(ENIAC) ,雖然體積龐大到佔滿一整個房間,但卻是全球第一台運算技術的作品。

量子力學的第一次上場,始於1947年電晶體發明開始、1958年IC誕生、1961年第一顆平面IC出現,到2018年IBM舉行超級電腦高峰會。

盧志遠說,如今,「量子科技(quantumn technology)可說是第二次量子力學的再爆發,並為運算技術帶來破壞式的革命。」他強調,2022年諾貝爾物理獎,由三位分別來自美國、法國,及奧地利的科學家,以研究量子糾纏而獲獎,更進一步肯定了量子技術的未來發展。

包括Intel與Delft大學合作開發二個量子位元的量子處理器(矽-量子點),還有IBM於2019年,特別於著名的華生研究中心成立「 IBM 量子運算中心(簡稱IBM Q computation Center),都顯示著未來量子霸權(Quantum Supremacy)的新競局正在展開。

「如今,量子元件已有十幾種,聲量最大的,首推IBM。」盧志遠說,觀察過去,大家對於新元件的了解,大約都要花上20年的時間。如今眾人對量子電腦的未來應用,還存在分歧意見,以及諸多想像。盧志遠記得施敏院士總是引述2000年諾貝爾物理學獎得主赫伯特·克勒默(Herbert Kroemer)說的話,他認為,「任何足夠新穎和創新的技術,都將會自己創建出許多嶄新的應用。」

從研發出一項可行的技術,到能夠穩定量產,形成一個產業,是一條很長的路。盧志遠說,施敏教授好比一名園丁,他所教授的這些電子元件物理學,就是在為產業鋪路。他強調,半導體產業仍處於上升期,而為新興產業開發相應的材料與設備,是最關鍵的推進劑,包括可製造工程、計量、測試、封裝/包裝,到各種設備的開發,還有很多事要做。

盧志遠表示,施敏院士帶給大家影響,「讓我們能有更多的洞見與願景,看到未來的趨勢。」他強調,依照施敏院士的預言,半導體至少還有75年可以前進。盧志遠鼓勵年輕人積極投入半導體產業,「因為體量很大,充滿機會!」

追思施敏院士(2)半導體聖經第四版的背後故事

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