2023年3月24日,半導體產業界的傳奇人物、英特爾共同創辦人高登.摩爾(Gordon Moore)在美國夏威夷家中,走完他94歲人生。早期半導體業界大老已經幾乎凋零殆盡,目前活躍在半導體產業的「大神」皆是新一輩的菁英,如輝達(NVIDIA)執行長黃仁勳、英特爾執行長基辛格(Pat Gelsinger)、超微(AMD)執行長蘇姿丰等。
半導體界傳奇人物,回顧摩爾的94歲旅程
摩爾於1954年取得美國加州理工學院(California Institute of Technology)物理化學博士學位,之後在約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)應用物理實驗室做「博士後」研究。
學有所成的摩爾,後來被電晶體共同發明人威廉.蕭克立(William Shockley)找來加入蕭克立半導體實驗室(Shockley Semiconductor),開啟他進入半導體的契機,並且將半導體事業作為他一生的「職涯」。
蕭克立原任職於貝爾實驗室,他與布萊頓(Walter Brattain)、巴丁(John Bardeen)三人為同事。布拉頓與巴丁於1947年發明點接觸電晶體(Point-contact Transistor),他們申請專利時未將蕭克立列入,引起蕭克立的不滿。蕭克立認為他早期的構想,是啟發布、巴兩人發明電晶體發明的「引子」,布、巴兩人未將他列入發明人,讓他很不滿。
蕭克立受到刺激,秘密研究另一種電晶體。1951年蕭克立獲得接合式電晶體(Junction Transistor)發明專利。從實用的觀點來看,蕭克立的接合式電晶體,比點接觸電晶體更容易製造,也更有商業價值。
由上述的經歷,大家可以看出蕭克立是一位不容易相處的人,他應該有「恃才傲物」的傾向。1956年肖、巴、布三人同時獲得諾貝爾物理獎。
也是在獲得物理獎的當年,蕭克立返回加州在「山景城」(Mountain View)附近,創立蕭克立實驗室,由於蕭克立頂著諾貝爾獎的光環,吸引很多「天才」加入他的實驗室,摩爾也是其中的一員。
但由於蕭克立很不好「相處」,因此實驗室創立的隔年就有8位員工離開,接受「快捷相機及儀器」(Fairchild Camera and Instrument)150萬美元的投資,共同創立快捷半導體(Fairchild Semiconductor),這8名員工包括摩爾以及後來與摩爾一起創辦英特爾(Intel)的諾伊斯(Robert Noyce),他們被蕭克立稱為「八叛徒」。
摩爾預測電晶體數目成長,成為業界定律
1965年4月19日,時任快捷半導體研發總監的摩爾,在《電子》(Electronics)雜誌發表一篇文章。在此文章中,他預測IC將可整合愈來愈多的電子元件,摩爾預測IC含電晶體的數目,每年將增加1倍。
這種「幾何級數」般的成長,是非常驚人的。摩爾發表文章當年,每顆IC僅容納約50個電晶體,57年後最先進的IC每顆可容納數百億個電晶體,真是令人嘆為觀止。
摩爾的預測,被大家稱為「摩爾定律」,循著每年1倍的腳步,IC快速推動現代科技的進展。
「八叛徒」成立的快捷半導體,由於當時大家缺乏經驗及對半導體產業的遠見,在股權的架構上,技術者沒有享受到公司發展的龐大利益,因此紛紛離開快捷半導體。
摩爾與諾伊斯於1968年離開快捷半導體,兩人在加州山景城(Mountain View)附近創立英特爾(Intel)。Intel是取Integrated Circuits(積體電路)前幾個字母的縮寫。英特爾之後在半導體產業大放異彩,曾經有30多年,高居全球半導體公司營業額最高的公司。
半導體包含哪三大類?
在此我們對半導體與IC,做一個簡單的說明。半導體包括積體電路(IC)、分離式元件及光電半導體三大類。由於IC占半導體產值80%以上,因此通常大家談論到半導體,大部分就是指IC。
分離式元件包括電晶體、二極體及閘流體三大類。
光電半導體主要包括發光元件、受光元件、複合元件及光電元件等。我們熟知的CMOS影像感測器,就屬於光電半導體的範疇。
創立英特爾投入微處理器開發!延續自己預測30年
摩爾與諾伊斯創立英特爾後,安迪·葛洛夫(Andy Grove)隨後也加入英特爾,成為英特爾的第三位員工。葛洛夫後來成為英特爾的CEO,在他的領導下,英特爾業績蒸蒸日上,成為全球最主要的半導體公司。
1971年,英特爾推出4004微處理器,這是英特爾第一顆商用微處理器,也是全球第一顆商用微處理器。4004能執行4位元運算,內含2,300個電晶體,以10微米製程製造。
1970年代英特爾的主力產品是DRAM、SRAM記憶體,之後由於日本廠商加入,市場競爭加劇,利潤降低,英特爾開始將業務重心轉向微處理器。
幸運的是,IBM選用英特爾的8088微處理器作為IBM PC的CPU,奠定英特爾成為PC處理器霸主的地位,也讓英特爾成為全球最大的半導體公司。
英特爾1979年推出的8088微處理器,使用3微米製程製造,內含約2.9萬個電晶體,是一顆8/16位元(內部暫存器為16位元,外部資料匯流排為8位元)微處理器。
1965年摩爾提出預測時,每個IC內的電晶體數目約50個電晶體,1971年問世的4004,內含電晶體數目增加到2300個,約略循著摩爾預測的腳步。
1975年摩爾修正已經被大家稱之為「摩爾定律」的內容,摩爾說IC內含電晶體數目,增加的速度會減半,由「每年」增加一倍,改為「每兩年」增加一倍。
之後摩爾在英特爾的同事大衛豪斯(David House),將摩爾的說法調整,他認為每18個月,IC內含電晶體的數目就會增加一倍。
1975年摩爾出任英特爾總裁兼CEO,1979年摩爾擔任英特爾董事長兼CEO。1987年葛洛夫接替摩爾出任英特爾CEO,摩爾續任董事長。2001年摩爾依自己設立的退休年齡制度,從英特爾董事會退休。
鉅資投入研發!指數級成長的摩爾定律能否延續?
2015年,摩爾參加一場紀念摩爾定律創立50周年的活動時表示,摩爾定律總有一天必定會終止﹐沒有像這樣指數級的事物會永遠繼續下去。
2022年發表的蘋果A16處理器,內含160億個電晶體,1971年發表的4004微處理器僅內含2300個電晶體。A16電晶體的數目,約為4004電晶體數目的696萬倍左右。半導體科技的飛躍進步,也只有摩爾定律這種「指數級」的預測方能「正確地」描述。
半導體製程技術進入3奈米、2奈米後,面臨不少「物理極限」的挑戰。進入「原子」大小的製程節點,半導體公司必須克服許多困難。從製程設備、材料到引進新觀點、新科技,這些需要有深厚的技術基礎、強大的財務資源以及市場的需求作為後盾。
現在全球半導體產業中,只有台積電、三星電子及英特爾這三大半導體公司有能力、資源投入半導體尖端製程科技的開發,延續摩爾定律。在這三大半導體巨頭激烈的競爭下,半導體製程技術的發展,應該可以沿摩爾定律的軌跡,挺進「埃米」級製程。
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責任編輯:林美欣