那是1995年。芯片技術(shù)一直遵循摩爾定律飛速發(fā)展，摩爾定律指出，由于晶體管的尺寸不斷縮小，芯片上晶體管的數(shù)量大約每?jī)赡昃蜁?huì)翻一番。

然而地平線似乎不再無(wú)限。的確，這是第一次，整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)都在悄然預(yù)言摩爾定律的終結(jié)。當(dāng)一個(gè)關(guān)鍵晶體管的尺寸從350納米縮小到不足100納米時(shí)，這就暗示了黃金時(shí)代將結(jié)束。就連美國(guó)政府也憂心忡忡——美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）為此拉響了警報(bào)，并啟動(dòng)了一項(xiàng)尋找新芯片技術(shù)的計(jì)劃。 當(dāng)時(shí)就職于加州大學(xué)伯克利分校電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)的胡正明教授欣然接受了這一挑戰(zhàn)。他立即想到了一個(gè)方案（實(shí)際上是兩個(gè)解決方案），并在幾天后乘坐飛機(jī)的途中做出設(shè)計(jì)草圖。其中一個(gè)想法是，升高電流流過(guò)的通道，使其凸出芯片表面，成為鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）。該技術(shù)為他贏得了今年的IEEE榮譽(yù)勛章，“在半導(dǎo)體模型開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面成就卓越，特別是3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使摩爾定律又延續(xù)了幾十年?！?/p>

當(dāng)然，F(xiàn)inFET的故事并不是在胡正明在飛機(jī)折疊餐桌上畫草圖的時(shí)候開(kāi)始的。 事情最早始于中國(guó)臺(tái)灣，當(dāng)時(shí)的胡正明還是個(gè)充滿好奇心的孩子，他會(huì)在爐臺(tái)上用海水做實(shí)驗(yàn)，或是把鬧鐘拆卸開(kāi)來(lái)又重新組裝上。臨近高中畢業(yè)時(shí)，他依然對(duì)科學(xué)充滿興趣，尤其是化學(xué)。但他并未選擇化學(xué)專業(yè)，而是申請(qǐng)了電氣工程專業(yè)。雖然當(dāng)時(shí)他并不真正了解電氣工程師實(shí)際上是做什么的，但是電氣工程專業(yè)的錄取分?jǐn)?shù)最高，這對(duì)他無(wú)疑是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在大學(xué)的最后一年，胡正明發(fā)現(xiàn)了這個(gè)他后來(lái)將要撼動(dòng)的行業(yè)，這要?dú)w功于當(dāng)時(shí)來(lái)自美國(guó)的客座教授弗蘭克?方（Frank Fang）。“那是1968年，”胡正明回憶道，“他告訴我們半導(dǎo)體將成為未來(lái)電視機(jī)的材料，電視機(jī)可以像照片一樣掛在墻上。”

在那個(gè)電子管電視機(jī)很笨重的年代，這句話引起了胡正明的注意。他決定將半導(dǎo)體作為自己未來(lái)的研究領(lǐng)域，并申請(qǐng)攻讀美國(guó)的研究生學(xué)位。1969年，他來(lái)到了伯克利，并在那里加入了一個(gè)研究小組，研究金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）晶體管。 根據(jù)他自己的回憶，由于半導(dǎo)體似乎太過(guò)簡(jiǎn)單，他很快改變了研究方向，轉(zhuǎn)向研究光電路，在完成集成光學(xué)的博士論文之后去了麻省理工學(xué)院，繼續(xù)從事這一領(lǐng)域的研究。 直到發(fā)生1973年的“石油禁運(yùn)”?！拔矣X(jué)得我要做點(diǎn)事情，做一些有意義、重要的事情，而不僅僅是寫論文?！?于是他轉(zhuǎn)而致力于開(kāi)發(fā)用于地面的低成本太陽(yáng)能電池——在當(dāng)時(shí)，太陽(yáng)能電池僅用于衛(wèi)星。1976年，他以教授的身份回到伯克利，計(jì)劃進(jìn)行能源領(lǐng)域研究，包括混合動(dòng)力汽車，這讓他重返半導(dǎo)體領(lǐng)域?！半妱?dòng)汽車需要高電壓、大電流的半導(dǎo)體設(shè)備?！焙鹘忉屨f(shuō)。

20世紀(jì)80年代初，重返半導(dǎo)體研究領(lǐng)域被證明是件好事。當(dāng)時(shí)政府對(duì)能源研究的資助已近枯竭，但舊金山灣區(qū)的許多企業(yè)都支持半導(dǎo)體研究。胡正明認(rèn)為，獲得轉(zhuǎn)讓合作經(jīng)費(fèi)“并不困難”。他開(kāi)始在距離伯克利不遠(yuǎn)的硅谷投入時(shí)間，受一些企業(yè)的邀請(qǐng)，講授半導(dǎo)體設(shè)備的短期課程。1982年，他整個(gè)學(xué)術(shù)假期都在硅谷中心的圣克拉拉國(guó)家半導(dǎo)體公司度過(guò)。

“在工業(yè)界的工作對(duì)我產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響?！焙鞲锌?，“在學(xué)術(shù)界，我們只是彼此學(xué)習(xí)什么是重要的，感興趣的事情僅來(lái)自讀了一篇?jiǎng)e人論文，覺(jué)得‘嘿，我可以做得比這更好’。而放眼工業(yè)界，我發(fā)現(xiàn)到處都是有趣的問(wèn)題。”這樣的頓悟讓胡正明更加努力地研究晶體管的3D結(jié)構(gòu)。━━━━場(chǎng)效應(yīng)晶體管有4個(gè)部分——1個(gè)源極、1個(gè)漏極、一個(gè)連接這兩者的導(dǎo)電通道和一個(gè)控制沿通道電流的柵極。由于這些器件被做得更小，人們開(kāi)始注意到晶體管的性能隨著長(zhǎng)期使用在改變。這一改變?cè)诙唐跍y(cè)試中無(wú)法顯現(xiàn)，企業(yè)也很難預(yù)測(cè)。

1983年，胡正明讀到了IBM研究人員發(fā)表的一篇論文，其中就描述了這一挑戰(zhàn)。在美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司工作了一段時(shí)間后，他意識(shí)到缺乏長(zhǎng)期可靠性可能會(huì)給行業(yè)帶來(lái)各種問(wèn)題。如果沒(méi)有在基層一線的工作經(jīng)歷，他說(shuō)：“我就不會(huì)知道這個(gè)問(wèn)題的重要性，也就不會(huì)花費(fèi)近10年的時(shí)間來(lái)研究它?！?/p>

胡正明決定接受這個(gè)挑戰(zhàn)，并和一群學(xué)生投入研究，開(kāi)發(fā)出了熱載流子注入理論，用以預(yù)測(cè)MOS的可靠性。這是一個(gè)定量模型，描述設(shè)備在電子遷移時(shí)是如何退化的。隨后，他開(kāi)始研究另一個(gè)可靠性問(wèn)題，即氧化物隨時(shí)間分解的方式。隨著制造商將半導(dǎo)體的氧化物層越做越薄，這個(gè)問(wèn)題也越來(lái)越受到關(guān)注。 胡正明告訴我們，這些研究需要他對(duì)晶體管內(nèi)部發(fā)生的情況有深入的了解。他的研究成果變成了后來(lái)的伯克利可靠性工具（BERT）和晶體管模型（BSIM）。BSIM成為了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并一直沿用至今，現(xiàn)在胡正明仍在領(lǐng)導(dǎo)著模型定期更新的工作。 胡正明和他的學(xué)生們一直在研究晶體管的基本特性：它是如何工作、如何失效，以及如何隨時(shí)間變化的。直到20世紀(jì)90年代，當(dāng)時(shí)，商用芯片還在繼續(xù)沿著摩爾定律預(yù)測(cè)的路徑發(fā)展。但是到了20世紀(jì)90年代中期，晶體管平均特征尺寸仍在350納米左右，進(jìn)一步縮小尺寸的前景開(kāi)始令人擔(dān)憂。據(jù)當(dāng)時(shí)在IBM 研發(fā)部門工作的劉易斯?泰曼(Lewis Terman)回憶道：“當(dāng)時(shí)覺(jué)得摩爾定律的終結(jié)就在眼前。” 主要問(wèn)題是功率。隨著晶體管越來(lái)越小，它處于“關(guān)閉”狀態(tài)的漏電卻成為一個(gè)大問(wèn)題。這種漏電會(huì)非常嚴(yán)重，增加甚至主導(dǎo)了芯片功耗。胡正明回憶說(shuō)：“有些論文開(kāi)始預(yù)測(cè)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）的摩爾定律將在100納米以下的時(shí)候終結(jié)，因?yàn)樵谀骋粫r(shí)刻，每平方厘米的功耗甚至高過(guò)了火箭噴管?！焙鲝?qiáng)調(diào)：“業(yè)內(nèi)認(rèn)定那場(chǎng)戰(zhàn)役注定失敗?！?但DARPA 并不打算放棄摩爾定律，希望資助有望突破這一障礙的研究，1995年中期，啟動(dòng)了一項(xiàng)稱為“開(kāi)啟25納米”計(jì)劃。胡正明表示：“我喜歡25納米的想法，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了業(yè)界的想象。”━━━━胡正明認(rèn)為根本問(wèn)題非常清晰——把通道做得非常窄，就可以阻止電子從柵極溜過(guò)。迄今為止，解決方案一直包括做薄柵極的氧化層，使柵極可以更好地控制通道，減少電流的泄漏。但胡正明在可靠性方面的研究表明，這種方法也可能接近極限：如果氧化層太薄，電子便會(huì)跳過(guò)氧化層進(jìn)入硅襯底，形成另一個(gè)泄漏源。 胡正明馬上想到另外兩種解決方法。其中一個(gè)是在晶體管下面的硅中埋入一絕緣層，使電荷難以溜過(guò)柵極。這種設(shè)計(jì)后來(lái)被稱為全耗盡絕緣體上硅（FDSOI）。另一種方法是將窄通道像鯊魚鰭一樣在基片上方垂直延伸，柵極可以三面環(huán)繞通道，而不是僅在通道上方，從而讓柵極更好地控制電荷的流動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)被稱為FinFET，它另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是垂直利用空間，緩解2D平面上的擁塞，從而開(kāi)啟了3D晶體管時(shí)代。 然而，沒(méi)有太多的時(shí)間向DARPA提交方案。他從加州大學(xué)伯克利分校的杰弗里?博科爾（Jeffrey Bokor）教授那里聽(tīng)到了DARPA的資助計(jì)劃，博科爾教授是在與DARPA的一位項(xiàng)目主管一起沖浪時(shí)獲知這一消息的。胡正明很快會(huì)見(jiàn)了博科爾和另一位同事金智杰（Tsu Jae King），并表明團(tuán)隊(duì)將在一周內(nèi)拿出一份方案。在一兩天后前往日本的途中，他畫出了這兩個(gè)設(shè)計(jì)的草圖，在下榻日本酒店后，胡正明將技術(shù)草圖連同說(shuō)明一起傳真到了伯克利。研究小組提交了這份方案，DARPA隨后撥付了他們長(zhǎng)達(dá)4年的研究經(jīng)費(fèi)。 在以前的理論論文中也提及過(guò)類似于FinFET的概念。然而，胡正明及其團(tuán)隊(duì)真實(shí)地做出了可生產(chǎn)的器件，并展示了如何設(shè)計(jì)將晶體管縮小至25納米甚至更小?！捌渌x過(guò)論文的人不認(rèn)為這是一個(gè)解決方案，因?yàn)橹谱鞯碾y度非常大，也許可行，也許行不通。甚至就連論文作者也不再深究。但我的看法不同，我們說(shuō)，我們要做這件事，不是為了多寫一篇論文，或多得一筆撥款，而是我們想幫助這個(gè)行業(yè)。我們覺(jué)得必須要延續(xù)摩爾定律。” “作為一名技術(shù)專家，”胡正明繼續(xù)說(shuō)，“我們有責(zé)任確保這件事不會(huì)停止，因?yàn)橐坏┩Ｖ?，我們就失去了最大的希望，沒(méi)有更大的能力來(lái)解決世界難題。” “胡正明團(tuán)隊(duì)沉著自信地開(kāi)發(fā)出FinFET，源于他教授學(xué)生研究器件的方法?！彼^(guò)去的學(xué)生、現(xiàn)在伊利諾伊大學(xué)香檳分校的副教授愛(ài)麗斯?羅森鮑姆（Elyse Rosenbaum）說(shuō)道，“他強(qiáng)調(diào)宏觀、定性的理解。在研究半導(dǎo)體器件時(shí)，有人把注意力集中在建立模型上，然后對(duì)3D網(wǎng)格中的所有的點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值求解。他教我們退一步，嘗試想象電場(chǎng)在器件的分布、潛在障礙的位置，當(dāng)我們改變一個(gè)特定的維度時(shí)，電流會(huì)如何變化?！?/p>

胡正明認(rèn)為對(duì)半導(dǎo)體器件特性的可視化是相當(dāng)重要的，羅森鮑姆回憶起有一次，為了讓學(xué)生弄懂一個(gè)過(guò)程，他用自己孩子的培樂(lè)多玩具搭建了一個(gè)MOS晶體管特性的模型。

“這些東西看起來(lái)像是突如其來(lái)的發(fā)明，”他過(guò)去的學(xué)生、現(xiàn)任恩智浦半導(dǎo)體公司創(chuàng)新和先進(jìn)技術(shù)部高級(jí)副總裁法里?阿薩達(dá)拉吉（Fari Assaderaghi）感嘆道，“但是他的團(tuán)隊(duì)一直在研究理想設(shè)備的基本概念，從物理學(xué)的基本原理開(kāi)始，由此構(gòu)建這種結(jié)構(gòu)?！暴ォォォ?000年，在為期4年的資助結(jié)束時(shí)，胡正明及其團(tuán)隊(duì)研制出可工作的器件并發(fā)表了他們的研究成果，立即引起了業(yè)界廣泛的關(guān)注。然而，又經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的10年，2011年英特爾公司才首次將FinFET的芯片投入生產(chǎn)線。為什么會(huì)這么久？ “它還沒(méi)有被打破，”胡正明解釋道，他指的是使半導(dǎo)體電路越來(lái)越緊湊的行業(yè)生產(chǎn)能力，“人們想象它很快會(huì)被打破，但你永遠(yuǎn)無(wú)法修復(fù)還沒(méi)壞的東西?！?事實(shí)證明，DARPA的項(xiàng)目經(jīng)理很有先見(jiàn)之明，他們稱該項(xiàng)目為“開(kāi)啟25納米”，而當(dāng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展到亞25納米幾何尺寸時(shí)，F(xiàn)inFET便開(kāi)始發(fā)揮作用了。 與此同時(shí)，F(xiàn)DSOI技術(shù)也在不斷進(jìn)步，今天還在行業(yè)中應(yīng)用，尤其是光學(xué)和射頻設(shè)備。而FinFET在處理器行業(yè)中仍占主導(dǎo)地位。胡正明表示，他從不提倡用一種方法替代另一種方法。 在FinFET沉寂的幾年里，胡正明從伯克利離職3年，擔(dān)任臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司（TSMC）的首席技術(shù)官。他認(rèn)為這是一個(gè)回報(bào)他啟蒙教育的機(jī)會(huì)。2004年他重新回到伯克利，繼續(xù)從事教學(xué)工作，研究新的節(jié)能半導(dǎo)體器件，全力支持BSIM。2009年，胡正明不再教授常規(guī)課程，但仍然以名譽(yù)退休教授的身份和研究生一起工作。

自從胡正明回到伯克利后，F(xiàn)inFET技術(shù)席卷了整個(gè)行業(yè)。盡管人們依舊還在預(yù)言摩爾定律的終結(jié)，但它并未止步于25納米。

“它的發(fā)展將逐漸放緩，但100年內(nèi)我們很難找到MOS半導(dǎo)體的替代品。”胡正明說(shuō)。但這并沒(méi)有讓他感到悲觀?！案倪M(jìn)電路密度、功耗和速度的方法有很多，我們可以期待半導(dǎo)體行業(yè)不斷地給人們提供越來(lái)越多有用、方便和便攜的設(shè)備。我們要有更多的創(chuàng)造力和足夠的信心?！?