科學人 No. 109 半導體教父------施敏
報導日期:2011-03-17
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新聞來源:科學人雜誌 三月號 P.46
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在家看數位電視、上班用電腦、出門在外打手機、拿數位相機拍照…..,,這些現代人天天倚頼的電子產品中,都有一個關鍵零組件:非揮發性記憶體。而這個劃時代的發明,是「半導體教父」施敏的傑作。 隨身碟已經成為人人必備的電腦配備,小小一顆最多可儲存32Gb資料;最夯的iPad如此輕薄,儲存量更可高達64Gb。這其中的關鍵電子元件稱為「非揮發性記憶體」(non-volatile 施敏當時是美國貝爾實驗室的研究員,他覺得用來儲存資料的王安磁圈體積太過龐大,因此想研發新的儲存裝置。他的專長是半導體,一開始他想組合兩個金屬氧化物半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field effect transistor,MOSFET)來當儲存裝置,但始終沒有做出來,也常常有人建議其他各式各樣的做法,可是沒有一個能成功。 來自奶油蛋糕的靈感 有一天,施敏吃過什餐後,看到同事姜大元點了一塊蛋糕,中間夾了一層奶油,他突然想到:何不在MOSFET中間加一層很薄的金屬層(稱為浮閘),若施加電壓,可將電子吸進去並保存在裡面,就可改變電路的導通性(金屬層存有電子時電路不能導通,可視為1,反之視為0)。這層金屬的上下兩側都是絶緣體,因此除非再度施加反向電壓,否則電子會一直保存在裡面,即使斷電資料也不會消失。接著施敏花了幾個月做實驗,試圖找出最適合製作浮閘的材料,最後,他終於用鋯做出具有記憶效果的成品(現在已改用多晶矽製作浮閘),於是和姜大元合寫論文,發表於1967年5月的 《貝爾系統科技雜誌》,貝爾實驗室隨即申請專利,第一個「非揮發性記憶體」於焉誕生。(關於上述數種記憶元件的原理,請見49頁〈從王安磁圈到非揮發性記憶體〉。)
幸好學術界對於NVSM的研究一直沒有中斷,並根據施敏的NVSM原型發展出快閃記憶體(flash memory)等各種型式。到了1979年,諾基亞開始發展行動式電子通訊裝置,並在1984年將flash裝進手機的先期機,NVSM的應用才露出曙光。 不過第一個商品化的NVSM產品並非諾基亞的手機,而是任天堂的遊戲卡帶。任天堂在1983年推出經典的紅白機,一開始的遊戲卡帶並沒有記憶功能,玩家每次玩遊戲都必須從頭玩起;一年後任天堂在卡帶中加裝flash,可以將玩到一半的遊戲記錄存檔,下次要玩時再讀取,此後大型遊戲開始發展,電視遊樂器進入了新的時代。 電腦也在1984年開始使用flash來加強功能。施敏笑稱,30年前他打開電腦後的第一件事情是去倒咖啡,還可以慢慢品嘗,因為載入開機程式就要30分鐘;現在只要1分鐘,就是因為開機程式存在flash中。又如現在筆電越做越輕薄,也是以flash所製作的固態碟取代硬碟的結果。 1990年,低耗電的flash已成為手機的基本配備。此後NVSM的應用越來越多,現在所有的電子產品中,除了老式的家用無線電以及陰極射線管(CRT)螢幕外,其他產品都少不了NVSM;冷氣顯示時間和溫度要有NVSM,汽車內控制引擎、安全氣囊、自動煞車系統、汽車電子平衡系統及其他裝置有超過50個NVSM,還有數位相機,更是完全依靠NVSM來儲存資料。施敏開玩笑說,他對柯達公司感到很抱歉,「我的發明使柯達解雇了80%的人,因為有了NVSM之後,底片工業和沖洗工業都沒了。」 有人認為貝爾實驗室成立100多年來,最重要的發明是電晶體,第二就市NVSM,其重要性超過雷射和電荷藕合器件(charge coupled device 撰寫半導體界的聖經 施敏另一項令人津津樂道的成就,是他所撰寫的《半導體元件物理學》(Physics of Semiconductor Devices) 是全世界所有工程及應用科學領域最暢銷的書之一,被翻譯成六種語言,銷售超過100萬冊,被引用兩萬多次則是第一,有「半導體界的聖經」之稱。 全世界說明半導體元件的書有300多本,這本書是給學生用的教科書。施敏認為這本書賣最好的祕密是「我的英文沒有很好,所以不敢寫很複雜的句子,盡量用最簡單的句子來把很複雜的東西講清楚,結果學生看得很舒服。」他指出,半導體元件物理學是很複雜的知識,如果用很棒的英文來寫很複雜的句子,學生不容易看懂,而他都是用很簡單的英文來寫,同時書中又放了幾百張容易了解的圖來輔助學習,結果幾乎所有學校都以這本書作為半導體的教科書。他曾在美國最大的連鎖書店邦諾(Barnes&Nobel)的排行榜上看過,他的書(第三版)一星期賣了1000本,第二名只賣70本,而地舞明也是他的書,是20年前出版的第二版。 其實施敏會寫這本書,是「塞翁失馬」的結果。1967年初施敏發明NVSM之後,貝爾實驗室有個關於MOSFET的大計畫,他信心滿滿,認為自己最適合擔任負責人,沒想到貝爾實驗室確認命一個表現不如他的史丹佛大學學弟,讓他不大服氣。然而塞翁失馬,焉知非福,正因為施敏沒有負責那個大計畫,他才得到一些空閒可以寫書,才造就這本半導體界的聖經。 到目前為止,施敏一共撰寫、共同撰寫、主編過33本書,若在加上各種語言的譯本,堆起來近兩個人高。不過由於盜版猖獗,「我可能有90%的版稅都沒有收到。」施敏對此倒不是十分在意,一直強調他的原則是:「夠用就是福,不求人就是貴,能吃能睡就是福。」既然收入已經夠了,多出來的部分,少賺一點也無所謂;其次,他認為這些書和參考書的主要參考對象是學生,「只要對學生有用就好,版稅不是很重要的事。」 除了寫得好,施敏對自己寫書的速度也很自豪。他說自己撰寫《半導體元件物理學》第一版只花了一年,經過十幾年的科技演進,1981年出的第二版也只花了一年三個月時間修訂;又過了將近20年,半導體又有很多新的研究成果,相關知識需要更新,而他覺得自己的年紀大了,所以他以前在貝爾實驗室的同事、華裔美籍學者伍國玨把二版中已經過時的一半刪除,補充新發展成為第三版,兩人掛名合著,結果伍國玨足足寫了五年 ! NVSM發明於1967年,《半導體物理元件》第一版開始撰寫於1967年,他的女兒施怡凡也在這年出生,這一年他僅31歲。 好環境、不盲從、造就半導體教父 施敏於1936於出生於南京,父親施家福是礦冶專家,國共內戰時被調到金瓜石的金屬礦業局,舉家遷台。施敏從小就很會念書,尤其對數學有興趣,考大學時,因為想要繼承父業,報考了台南工學院(現成功大學)礦冶系,又認為數學系接觸的數學最多,也報考了台大電機系。兩系都考取後,父親卻不希望他讀曠冶,因為「台灣以沉積岩為主,是個沒有礦的島。」於是他選擇了台大,之後到美國進修,1963年取得史丹佛大學電機博士後,進入貝爾實驗室工作。 施敏現在被尊為「半導體界的教父」,之所以能有這樣的成就,重要原因之一事他不會盲從前輩專家的研究結果。例如1963年之前,所有文獻都指出半導體-金屬界面電子傳輸的介電常數是1,剛到貝爾實驗室的施敏認為這個數字有問題,做實驗證明其為12,推翻了前人的結論。他說其實很多科學家的做過類似的實驗,但因受到前人影響,將實驗資料拼湊後得到1,以符合前人的結論,而他則認為不應該100%相信專家,應靠自己驗證。他從這件事體會到「不要盲從專家的結論,盡信書不如無書。」 另一個例子是,隨著半導體工業的進步,各種電子元件越做越小,然而1980年時,各界普遍認為MOSFET內部線路寬度不可能小於1微米。施敏偏偏不信邪,經過深入研究和實驗,他硬是以電子束製造出現寬僅0.15微米的MOSFET元件,突破了理論的限制。他說這項成果非常重要,因為自此大家相信「MOSFET可以繼續往微小化努力」。如今業界量產的MOSFET線寬已縮小到32奈米,而實驗室中更可以達到5奈米。 施敏在貝爾實驗室工作了27年,他認為年輕的時候比較適合從事研究工作,自己最重要的突破都是在前10年做出來的。1990年,他已經54歲,自覺研究工作已經很難再有重大突破,又考慮到父母親年紀都大了,希望就近照顧,於是決定回台灣到交通大學電子工程系任教。 其實施敏對教學一直充滿興趣,在全世界許多學校都教過書,尤其樂意指導華人學生,包括台大、清華、交大、中山大學級中國的八所學校,都曾請他去開課。他很喜歡跟年輕一代在一起,「他們一開始完全不懂,經過學習之後,也變成專家,這讓我感到非常高興。」 不過他指出「現在台灣的大學生程度等於我那個時代的高中生,現在的碩士生等於以前的大學生,程度都降了一級。」為什麼會這樣?他認為這與國家進步有關,美國也是這樣,「當國家的經濟發展好到某一個程度,不需要改善生活了,學生就失去了用功的原動力。」這也為什麼中國的學生都非常用功,「比台灣學生努力10倍!」當然台灣還是有用功的學生,但相較之下人數已經很少。 施敏樂觀的認為,21世紀會是華人的世紀,「華人學生很聰明,理解力、分析力都強,一旦決定要做,沒有什麼擋得住。」不過他強調環境非常重要,從1980年到現在,重要的半導體元件除了DRAM以外,都是華人發明得(見下表[對半導體元件貢獻卓著的華人﹞),但都是在美國或英國發明的。為此他已多次向教育部和國科會建議,一定要提供好的研究環境,才能激發學者的創意。 施敏以自己工作的貝爾實驗室為例指出,以前貝爾實驗室有三萬名員工,一年研發經費30億美元,相當於現在台灣教育部全部的研究經費;而且當年貝爾實驗室對實驗沒什麼限制,甚至不要求成果馬上有實際用途,只要「有實用的潛力」即可,例如他說想發明東西代替磁圈,貝爾實驗室就全力支持。在這樣的環境裡,華人科學家就會有很高的創造力,但「我那時如果在台灣,絕對不可能發明NVSM!」
對半導體元件貢獻卓著的華人 對台灣半導體產業貢獻卓著 在發明NVSM的次年,施敏應邀回台到交通大學擔任一年董浩雲講座教授,當時交大剛成立電子工程博士班,第一個學生張俊彥(1998~2006年擔任交大校長)就是由施敏指導。就在這一年中,他發現交大電子系學半導體的學生,畢業後全都到外國的半導體公司工作,相當可惜,於是他找了幾個朋友一起成立國內第一家半導體公司「環宇電子」,也招募許多交大的校友、學生進來。 環宇電子很快就擴充到1200人,也研發出台灣第一台電子計算機,製作出第一個半導體元件封裝。只是後來公司內部不合,經營不下去。施敏一直覺得非常可惜,他感嘆:「環宇和英特爾幾乎同時成立,現在英特爾已是世界最大,環宇卻關門了。」 不過樂觀的施敏也從另一個角度看待此事,認為「失之東隅,收之桑榆」。宏碁集團創辦人施振榮出自環宇電子,有次施振榮告訴他,從環宇出去變成董事長或總經理的有30~40人,顯示環宇電子對台灣的電子工業有很大的幫助,「現在台灣的半導體這麼厲害,我想我們都很有貢獻!」 施敏對國內電子工業的貢獻還不只於此。1976年孫運璿擔任經濟部長時,請了幾位委員評估政府是否要以剛成立的工研院電子所為龍頭,投入400萬美元向美國購買半導體技術,在國內推動半導體產業。當時經濟部、財政部、立法委員、國大代表大都反對,因為400萬美元對當時的政府而言是天文數字,大家都認為花這麼多錢投入這項未知、高風險的產業,太過冒險。 當時年僅40歲的施敏是委員中較年輕的一個,卻也是對半導體最專業的一個,他強烈主張台灣應該積極投入這項產業,並把當年父親對他講過的話搬出來:「台灣沒有資源,只能發展高科技。」最後委員會建議政府應該投入,孫運璿也接受了。施敏認為,這件事和前行政院政務委員李國鼎在1980年成立新竹科學工業園區,是對台灣高科技產業發展影響最深遠的兩件事,而很高興「我也是無名英雄之一!」這件事再度顯示他一貫的做事態度:不論對象是前輩大師、政府高官或一般民眾,都絕不盲從。他強調一個人要有先見及信心,如果認為正確的事,不要因為多數人反對就改變心意。 半導體產業仍有多年好光景 對於半導體產業的前景,施敏認為半導體是電子工業的基礎,至少還有幾十年的好光景。未來電子科技的應用會越來越多元,雖然許多人都說21世紀是生物科技的世紀,但「許多生技應用都必須植基於電子科技,生技應用越多,只會讓電子工業的發展更蓬勃。」他估計2030年全世界生物科技的產值達到0.4~0.8兆美元時,電子工業的產值已高達5~10兆美元。 現在台灣半導體廠商每年都要招聘數千名工程科技人員,所以施敏很鼓勵學生投入半導體領域,「絕對不會找不到工作。」不過他也鼓勵課業表現優異的學生繼續讀博士,然後再考慮到半導體業界工作,或是到學校擔任教授,因為他認為半導體這中應用科學,最好趁著年輕時盡量學,否則等年紀大了,想重拾課本就不是這麼容易了。 台灣的半導體產業已很成功,是全世界第三名(僅次於美國及日本),不過施敏強調「若政府因此認為不必繼續投資半導體研究,就大錯特錯!」因為即使是最成功的台積電、聯電,也只做3年內會有成果的研究,而政府必須把眼光放遠,看到10年之後半導體產業的技術需求,事先建立,才能協助台灣的半導體產業維持全球競爭力。電子產業是生技、能源、環保等產業的基石,「要維持台灣未來20~30年的經濟發展,還是要靠半導體、靠電子產業。」
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論注音符號書寫價值. 10. 科學人(月刊). 戰勝肥胖‧台灣基改動物研發造福人類未來‧毆拉公式大有內涵‧半導體教父-施敏‧染色體的秘密生活‧打開細胞核 ...
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