摩爾旅程：電晶體數目爆增的神奇魔力(二版)

序
二版修改摘要

第一章 積體電路精彩的摩爾旅程──數目爆增的神奇魔力
前言
第一節 半導體世界的起源和演化──獨有的摩爾定律
第二節 神奇的曝光機──光波波長的摩爾遊戲
第三節 半導體精彩神奇旅程的主要里程碑
第四節 我的摩爾人生
第五節 數大便是美──數大便產生神奇的魔力
結語

第二章 活潑主動的電晶體──積體電路因此而產生智能
前言
第一節 四門物理學闡釋了電晶體的空乏層及反轉層
第二節 量子力學促成電晶體的發明──矽晶的能帶及能隙概念
第三節 量子熱力學規範了電子填進分佈在矽晶能帶的法則
第四節 古典熱力學和古典電動力學描述了電子在矽晶的移動行為
第五節 電晶體的發明及演化
第六節 平面金氧半場效電晶體──主導了1970-2010年代的摩爾定律
結語

第三章 千絲萬縷的金屬連線──積體電路因此而誕生
前言
第一節 積體電路的發明──把「數目暴力」轉變成「數大便是美」
第二節 晶片上金屬連線的演化
第三節 晶片封裝承擔保護晶片及信號輸入輸出的重責大任
第四節 貝爾實驗室在1980 年代開發多晶片模組技術，期望延續摩爾定律
第五節 米輯的奇異旅程──MeGic及Freeway兩個創新的願景及夢想
結語

第四章 類似人腦的FPGA晶片──具有可塑性 (plasticity)及整合性 (integrality)
前言
第一節 用軟體改變記憶體內的數據資料來改變電路的功能及連結方式
第二節 我和FPGA頗有緣分
第三節 我提出了邏輯硬碟 (Logic Drive) 的構想
第四節 數據記憶儲存的革命──固態硬碟及USB快閃隨身碟
結語

第五章 回首前塵，點點滴滴串連成章
前言
第一節 創立成真公司進入生命科學領域
第二節 從台積電借調到台灣慧智擔任代理總經理
第三節 加入紅外線雷射研發，如魚得水，發揮我所擅長的物理和數學
第四節 為什麼我一直執著堅持要留在半導體積體電路這個行業呢？
第五節 點點滴滴，在不可逆的時間長流中，串連成章
結語

附錄
附錄A 夢想與恐懼──單封裝系統與單晶片系統
(收錄2002年2月21日出刊的「今周刊」雜誌，由資深記者林宏文報導的一篇文章)
附錄B 展技歐陸──台積電1992年到歐洲Road Show
(收錄1992年12月出刊的第13期台積電公司刊物《晶園雜誌》(Silicon Garden) 裡，我寫的一篇文章)
附錄C 活在四度空間裡
(收錄1976年出刊的第19期台大物理系系刊《時空》，我寫的一篇文章)
附錄D 我心長悠悠──禾里
(收錄1974年出刊的第17 期台大物理系系刊《時空》，我以筆名禾里寫的一篇文章)
附錄E 反摩爾定律的高速公路Freeway傳輸技術
(收錄我在2005年9月 (Vol.12, No.3) 出刊的《無晶圓廠半導體聯盟》(Fabless Semiconductor Alliance, FSA) 雜誌發表的一篇文章)


 

推薦序

　　3位頂尖科學専家學者讀完我的文章後，寫給我的讀後感：

　　◎張大凱(Derek Cheung)博士，曾是美國羅克威爾國際公司(Rockwell International)科學中心主管及執行長，讀完我的文章後，前前後後用中英文寫了3封e-mail給我：

　　「你的演講太精彩了，深入淺出，充滿了特有的見解及熱情，讓我學習受益良多，希望年輕人能有所感觸，影響一生。我已經把這視頻和幾個朋友分享，希望你不介意。」(2021年8月23日)

　　「拜讀你在成真網站上的兩篇文章，非常欽佩，觀點極有深度，尤其是DNA double helix及人造晶片概念上的相似性。這個角度還有很大繼續發展的空間。非常獨特，沒有讀到過，也沒有想過。」(2022年4月10日)

　　「我反覆幾次看了你的演講錄影。這真是一個非常卓越的演講，對於這整個議題，充滿深度及個人洞察力。不論從歷史或技術的角度來看，你的演講和其他在此議題已發表過的文件，完全不同。你所講的內容已經超出夏令營年輕學生所能體會的。我一直在考慮如何將你講的內容傳播更廣，產生更大的影響力。我初步的想法是建議經由哈佛大學出版社以英文出書。

　　我喜歡你數大便是美的觀點。人腦經由神經元的自我適應性的連結而產生智能。……由於晶片硬體的精進，現在是重新大力投入神經網絡研發的時候了，因為它是人工智能的關鍵元素。」(2022年4月10日)

　　◎吳詩聰教授，在美國中央佛羅里達大學(University of Central Florida)教書，2022年剛當選中央研究院院士。他在電子時報看到我的文章，e-mail給我：

　　「我在電子時報讀了你的文章，非常精彩。你學識淵博、見多識廣，對年輕人會有很大的啟發。我建議你寫成一本書，記錄下來你的見解及人生經歷，這樣可以造就更多的人。」(2022年7月9日)

　　◎前台北醫學大學校長閻雲博士看了我演講錄影後，寫了一封e-Mail給我：

　　「我應該稱你為大師！你的演講讓人驚艶。我花了幾天看完你的演講錄影，有些地方，我重複看了好幾遍，欣賞體會你所説的細節及深層意義。你講解基礎物理，由淺入深。甚至連我這樣的生醫學者，看完後都懂得積體電路了！你甚至把宇宙和積體電路的知識連結起來，非常合理且完美！你太棒了!」。

作者序

　　【節錄】

　　緣起

　　我從高中時，就喜歡為賦新詞強說愁，在報章雜誌發表文章。後來做研究時，也發表了80多篇學術論文及申請了300多篇的美國專利。可是，從來沒有想過要出書。現在過了「隨心所欲」的70歲後，居然要出書了！

　　出書的構想源自受中研院原子分子硏究所所長陳貴賢博士之邀，於2021年7月30日在當年的居禮夫人高中化學營，給高中生講「積體電路神奇的摩爾旅程」；以及後來根據此演講，寫成文章，於同年的11月在電子時報連載5天。文章在電子時報登刊後，意外的得到不少佳評和鼓勵，超出我的預期。

　　我的朋友張大凱(Derek Cheung)博士(曾是美國羅克威爾國際公司(Rockwell International)科學中心主管及執行長)，我多年未連絡的大學同學吳詩聰教授(在美國中央佛羅里達大學(University of Central Florida)教書2022年剛當選中央研究院院士)，以及前台北醫學大學校長閻雲博士分別讀完我的文章或看了我演講錄影後，都寫了e-mail給我，鼓勵我出書。

　　知音難覓，我何其有幸，能夠得到頂尖専家學者的讚美之詞！這些讚美之詞，讓我受寵若驚，實不敢當！但是有了這些頂尖専家學者的讚美之詞，我決定全力以赴，努力出書，才不負他們的鼓勵和期待！

　　以技術科學為骨幹，穿插歷史故事，硬中帶軟的書寫方式

　　基於朋友們的鼓勵和經不起出書夢想的誘惑，於是在去年四月，我就決定出書，野人獻曝。但是電子時報那篇文章只有三、四十頁，太短了。於是，我就把電子時報的文章當成書的第一章，加寫第二章及第三章，分別闡釋積體電路的兩個重要元素：電晶體及金屬連線；另外，加寫第四章描述成真公司正在推動的「邏輯硬碟」(Logic Drive)，其中所含所含的主要晶片是類似人腦的現場可程式化邏輯閘陣列晶片(Field Programmable Gate Array，FPGA)，具有可塑性(plasticity)及整合性(integrality)，在所有的半導體積體電路晶片中獨樹一格，和我頗有緣份；最後加寫第五章，此章可以説是我個人的回憶錄，把過去40年的經歷和見證，點點滴滴，串連成章。本書嘗試以技術科學為骨幹，穿插歷史故事，硬中帶軟，希望這個新的寫作方式，讀者會喜歡。

　　另外，我找到以前寫的關於物理科學或技術比較感性的文章，收編在本書的附錄，包括50年前在台大寫的兩篇文章「活在4度空間裡」和「我心長悠悠」，30年前在台積電寫的「展技歐陸」，以及20年前在米輯寫的「Freeway: Reverse Moore’s Law」。

　　我原來計劃把這本書寫成「科普」，讓一般讀者容易閱讀，就像當初給高中生演講一樣(演講內容成為本書第一章)，演講中關於工程技術及科學原理，深入淺出，點到為止。因此在寫作的初期，秉持相同的原則，盡量自我克制，踩剎車。可是在撰寫第二章電晶體時，就遇到了困擾。剛開始寫的時候，也是盡量多講電晶體的故事，至於電晶體的原理，不做太深入的著墨，點到為止。可是如此的寫法，如鯁在喉，無法暢快的表達我過去40多年來體驗到的電晶體原理之美。於是，我就不再自我設限，暢所欲言，開始講量子力學的能帶(energy band)，講統計熱力學的費米-迪拉克分佈統計原理(Fermi-Dirac distribution statistics)，然後油門一路踩到底，甚至講到矽晶的6個子能帶(sub-bands)，簡直可以當成大學電晶體原理課程的參考書或教科書了！

　　要了解電晶體的運作原理，及電晶體何以產生此種類似人類的智能，可真的不簡單！需要動用到物理學的四大艱深學門：量子力學(quantum mechanics)、量子熱力學(quantum thermodynamics)、古典電動力學(classical electrodynamics)及古典熱力學(classical thermodynamics)。因此，建議一般的讀者進到第二章時，可以略過電晶體原理的部分，只讀電晶體的故事。

　　一本文史作家及物理哲學學者的書籍

　　對於一個年輕時就喜歡寫作和物理哲學的我，一直希望自己能夠成為文史作家及物理哲學學者，因此在寫這本書時，就盡力把它寫成類似文史作品，多加些物理哲學的味道，而不只是硬梆梆的半導體產業及技術，也算是滿足年輕時未完成的一個心願。

　　菩提樹下的沈思

　　這本書可以說是新竹科學園區靜心湖的湖濱散記。我住在靜心湖公園附近，這本書的回憶、論述、想法和靈感大部分是我在靜心湖湖邊散步時所產生的。在湖中的島上有一棵巨大的菩提樹，本書中一些深沈的回憶和領悟是在樹下沈思而得的，但與其説是「菩提樹下的沈思」，不如說是「菩提樹下的發呆」來的真確，真是「菩提本無樹，庸人自擾之」。

　　時間即無知，空間即重力的物理哲學

　　這本書講了半導體積體電路摩爾旅程中的一些事件(event)，而在講到每一個事件時，如果可能，我都會清清楚楚的標明事件發生的時間，某年某月某日。因為只有時間，事件才有意義；沒有時間，也就沒有事件了。本書對於時間和空間有相當的著墨，書中以時間和空間的觀點，將積體電路的微縮類比成宇宙的膨脹，從最小到最大。另外書中也原創性的揭露積體電路和DNA在時間和空間的神秘關聯。

　　1915年愛因斯坦的廣義相對論提出史詩般的「空間即重力」(space is gravity)觀點。1927年海森堡(Heisenberg)發表極具爭議性的「測不準原則」(uncertainty principle)論述。Carlo Rovelli 2017年寫了「The Order of Time」一書，提出「時間即無知」(time is ignorance)，顛覆了我們對「時間」的常識和直覺。「時間即無知」(time is ignorance)、「空間即重力」(space is gravity)和「測不準原則」(uncertainty principle)的3個物理原則簡直是神奇的近乎荒謬，但卻是宇宙萬事萬物的最基本原則，也是我寫這本書的三個根本物理哲學。希望這3個物理原則能繼續為人類帶來革命性的創新，例如量子運算(quantum computing)或DNA運算(DNA computing)，使人類生活更幸福，生存更有意義和價值。

　　人類的光明前途及隱憂

　　宋朝周敦頤有句名言「文以載道」，那麼我寫這本書所要闡釋宣揚的「道」又是什麼呢？答案是：闡述將帶給人類光明前途的3樣法寶，以及提倡工程倫理以克服1個威脅人類文明的隱憂。

　　在第四章的結尾寫到：

　　「這一章提到類似人腦的FPGA晶片組成的邏輯硬碟；第一章第二節提到人類鬼斧神工創造的第一顆人造太陽極紫外光(EUV)曝光機；再加上發展中的第二顆人造太陽-核融合能源系統；有了這3樣法寶，人類文明將邁向前所未有的光明，世界將彷彿是人間天堂，這也是摩爾旅程的理想終點。可惜人不是神，高智能晶片可能被獨裁專制極權國家濫用，破壞甚至摧毀人類文明，這也是在第一章結尾時提到我最擔憂摩爾旅程中的險境，因此語重心長的強調工程倫理(enginneering ethics)。大家可能聽過「晶片霸權」(chip supremacy)，但我希望是「晶片平權」(chip equality)；大家也可能聽過「晶片即武器」(chip as weapon)，但我希望是「晶片即福祉」(chip as welfare)。

　　出版這本書的主要目的是要把自己在半導體世界的經歷、見證、觀點、領悟及成長，紀錄下來，留給自己的家人及後代子孫，並且尋找對人文、科學、物理哲學有興趣，且肯用腦進行深度思考的知音。

　　回顧我的一生，腦中偶而會出現一些新穎的獨特想法，我就會把他發表成學術論文，或申請成專利。可是很多想法和情感，尤其牽涉到的是人文、科學和物理哲學，不見得可以用學術論文或專利的方式呈現和保存。這些獨特想法和情感如果不設法保存，就會跟著死亡一起消失無蹤。而把這些曾經在我腦中出現獨特想法和情感，用出書的方式來進行呈現和保存，可能是個好方法。再說，知音難覓，這些獨特想法和情感，說不定還可以感動一些知音，啓發和鼓勵(inspiring and encouraging)他們，這是何等讓人興奮的事情啊！