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 第二十二章 望尽天涯路 （美国梦幻曲系列） |
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hwarrensen
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头衔: 海归少将
声望: 专家
加入时间: 2004/02/22
文章: 1961
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作者：hwarrensen 在 生活风情 发贴, 来自【海归网】 http://www.haiguinet.com
要说宇文博职场生涯的运气还算是不错的。他刚参加STI的高级研发部，就参与了公司的一个关键项目。
半导体设备业再细分，还可以分成以设备龙头老大应用材料公司、老二制造光刻胶处理及蚀刻设备的东京电子、以及光刻机厂商阿斯麦公司等生产设备制造商，和象STI那样的计量和制程控制设备制造商。后者的规模比前者要小得多，但却可能是集人类所有精密复杂技术之最：尤其是所谓的“基于模型分析方法”(Model-ba<x>sed Analysis) 的计量设备，包括了复杂的数理模型和精密高级算法、高精度光学系统、电子学系统、精密机械系统、先进工程材料、和计息机软硬件系统等，系统工程的复杂精密程度超乎人们想象。
半导体的主流产品是所谓的硅技术，那是大规模集成电路的主要产品。而其他的如在光电子学和通信领域广泛应用，作为光源和光电探测器的三-五族元素半导体技术的市场比硅技术要小得多。无论何种技术，半导体制造的最基本工艺制程都一样。以硅技术为例，主要工艺流程是在硅基片上沉积薄膜，然后通过光刻和蚀刻制作金属-氧化物-半导体场效应三极管 (me<x>tal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor, FET) —— 早期MOSFET确实是用金属做栅极，但早已被多晶硅取代。不过自2007年以来，高介电常数金属门电路技术 (High-k and me<x>tal Gate Transistor) 金属栅极又重新被关注。计量和制程控制设备最主要的功能有两个：一个是测量和控制场效应三极管等器件的几何尺度，包括垂直方向上薄膜的厚度和水平方向上线条的宽度也就是所谓的“关键尺度”(Critical Dimension, CD)；另一个是器件的疵病 (Defect Inspection)。
对于如单晶硅和多晶硅等半导体材料，以及二氧化硅和氮化硅等电介质，和光刻胶或者用作抗反射薄膜的高分子材料，测量关键尺度和薄膜厚度的最强有力的工具是光谱椭圆偏振仪 (Spectroscopic Ellipsometer, SE)。但对于作为电极的金属材料如铜或者钨等，光不能透过，SE 就无能为力了。
能透过金属的是超声波。
宇文博加入STI不久，STI在东部的一家竞争公司开发出了一套应用超高频大功率飞秒激光器泵浦探测技术的金属薄膜测量设备，把一贯是市场和技术领导的STI放在了新技术追踪的位置。新成立的高级研发部的头自然被放在了火炉上。
测量的原理其实并不复杂，和超声声纳定位类似，只是这里超声是由超高频激光泵浦激发，波长极短，只有几个纳米，因此分辨率非常高，达到亚纳米级，可以测量半导体器件中金属膜的厚度。STI 同样也采用了泵浦探测技术, 宇文博负责设计其中的激光探测子系统。他使出浑身解数，终于发明并成功设计实现了一套非常精密复杂的同光路干涉探测系统。由于干涉系统的位相探测能力，他的系统比竞争对手的灵敏度要高出一个数量级。无论从学术还是技术创新，都令他心驰神往，难以自己的成就感的激动和愉悦。
但这愉悦还没持续多久就被金融资本的强大力量击得粉碎。因为干涉系统高度复杂，制造成本高于竞争对手的简单的反射光强探测系统，公司决策层最终决定不将样机开发成产品。宇文博第一次亲身体会到公司和学术机构的差别。硅谷神圣的光环在他心里开始渐渐褪色了。
常识告诉人们小公司比大公司更具活力，更重视创新。
但常识并不永远正确。
这时候正值纳斯达克网络泡沫接近顶点的时候。硅谷的光学工程师们似乎跟落霞孤鹜里的加拿大黑雁和雪雁，集体北雁南飞了 —— 当然他们的越冬棲栖地是硅谷大大小小的光纤公司。三十年河东，三十年河西，早先一些台湾来到硅谷的华裔工程师们创办的光纤公司，本来只是生产一些技术水平相对不高的光纤元器件，一夜之间鲤鱼跃龙门身价百倍。最著名的就是E-tek 被JDSU 以185亿美元并购。甚至一些从事简单光纤元件的小公司也纷纷准备在纳斯达克上市，大批原先在象应用材料或者STI那样硅谷顶尖的高科技公司工作的光学工程师都趋之若鹜，前赴后继地跳槽到那些光纤公司。
但宇文博归根结底是个不可救药的技术主义者，那些简单的光纤元器件对他来说实在太缺乏挑战。恰巧那时他在浙大光仪系的一位同学有机会认得一位初创公司老板，拿到风险投资初创了一家光纤公司，吉林比特公司 (JillionBits Inc, JBI)，于是顺理成章的来挖宇文博。一边想找能独当一面的光学专家，另一边梦想着以技术改变世界，自然是一拍即合。
当然有钱能使鬼推磨也是一个重要的因素。作为最早一批技术骨干雇员，JBI给了宇文博20万股期权。那时候光纤股动辄百把美元一股。宇文博买到的被同事称为“股王”的SDI 就曾接二连三翻番，一直涨到400多美元一股。二十万股的原始股期权，要是上市涨到一百美元，宇文博和玛塔眨眼就成千万富翁富婆了。这个诱惑当然也足够大。其实泡沫破裂后，宇文博在朋友间酒酣耳热后，就曾感慨要是纳斯达克泡沫再多延长个一年，他就可以退休了。
JBI 的主要技术力量有两拨，宇文博和他的同学来自STI, 强项是光学系统，由宇文博负责无源光纤器件和子系统研发。另一拨来自从惠普分出来的安捷伦公司，由一位姓朱的华裔工程师主导有源光通信子系统，主要是可调谐激光器的研发。
现在所谓的“独角兽”公司，开发个把两个手机应用软件，一估值动辄10亿美元，就自以为真的是高科技了。其实象优步之类的手机应用公司，充其量也就是个网上倒买倒卖货物或者服务的掮客，技术含量实在有限，跟估值多少亿没有任何关系，只不过把信息技术的边际效用最大化罢了。现代信息技术的基础是二进制。电子学系统是通过场效应管的开关功能实现二进制逻辑运算。光子学要实现光计算，就必须开发和电子学系统类似的光逻辑器件，通过光学方法实现二进制开关运输。光逻辑开关器件的关键是光调制技术。对于分立光学系统，光调制可以通过其他物理量如电场、磁场、弹性波、或者温度等实现电光调制、磁光调制、声光调制、以及热光调制等。从原理上来说，光子无论在数据的传输、储存、和处理的功能都超级强大，光子学信息系统在运算速度和存储容量上都比电子学系统要高出几个数量级。但至今为止光子的优势还只局限在理论上，离实际应用还有相当的距离。其中最重要的原因，大规模集成电路通过三极管的开关效应实现二进制，而光子学系统实现二进制的信息处理技术还没有达到可以产业化的程度，通过光调制技术实现光逻辑器件仍然还只能在实验室里的研究工具。
归根结底，硅技术大规模集成电路的最主要的优势还是体现在工艺制程上。在上世纪70年代，半导体产业刚起步时，工业界面临的一个最基本的决策就是基片材料的选择: 是选硅还是锗。两者都是四价元素，三价元素或者五价元素的蝉杂都能形成N-型或P-型半导体。理论上说，锗的开关速度比硅快，功耗比硅小，所以前苏联将半导体技术定位在锗基片，而这可能是前苏联最终在信息技术上被美欧淘汰的原因之一吧。尽管贝尔实验室在1947年制成的第一个三极管是基于锗材料的，但从产业化的角度和硅相比，锗有两个难以逾越的障碍而无法产业化。首先是成本。硅是从地球上最丰富的材料之一的沙子也就是二氧化硅制备，真正是取之不尽用之不竭。实际上硅在地壳里的含量高达26.3%，仅仅次于地壳里含量最丰富氧 (48.6%)。而锗属于稀有金属中的稀有分散金属，不光在地壳里的分布只有百万分之七 (0.0007%)，而且锗在自然界分布很散，矿石中很少含有高浓度的锗。结果是锗的价格昂贵，比白银还贵。
其次，半导体器件需要绝缘层。二氧化硅结构致密，物理和化学性能稳定，形成的薄膜厚度均匀，是硅半导体器件理想的绝缘层。而锗的氧化物性能不稳定而且还溶于水，因此以锗基片制造CPU或者记忆体的工艺制程难以实现产业化。到目前为止，锗的主要应用还是在光电子学，用来制造红外光源、太阳能电池、和光电探测器等。
另一个工艺决定产业化的例子是国际商用机器公司IBM的纳米碳管三极管。
多层管壁的纳米碳管最早由日本电气株式会社的饭岛澄男在1991年通过电子显微镜在石墨上观察到。稍后在1993年，单层管壁纳米碳管也通过人工合成观察到。纳米碳管的最显著的特点是其几何特性为基础而带来的一系列特殊机械及电子学性质。纳米碳管的直径一般在1 ~ 3纳米范围, 其长度却可达数毫米长：长度跟直径的比例竟相差9个数量级！直接后果是纳米碳管是一个一维系统，由此带来两个在半导体中特别有用的特性：
首先，由于纳米碳管的超小直径，其电子特性由量子力学决定。也就是说纳米碳管量子态的变化决定纳米碳管可以从类似于金属的导体变成半导体。通过控制纳米碳管的量子态，人们能实现现在的场效应管的开关功能，从而设计出纳米晶体管晶片。
纳米碳管的另一重要特性也是其一维结构的结果。在高质量的金属态纳米碳管中，电子运动呈弹道式，散射损耗小到几乎可忽略不计。因而在金属态纳米碳管中的电流传输密度比金属导体高出两到三个数量级。一般铜导线每平方厘米允许的电流密度大概在一百万安培左右，纳米碳管每平方厘米允许的电流密度可达十亿安培。
上述两特性导致人们产生用纳米碳管结合半导体技术开发下一代晶体管的构想。1998年，IBM和荷兰的Delft大学同时独立制成了世界上第一个纳米碳管三极管装置。此后HP以及大学如斯坦福，哈佛，加大伯克利及洛杉矶分校等都投入了纳米晶体管研究。除了纳米碳管，人们也成功应用纳米线 (硅或氧化锌制成的Nanowires或Nanorods) 制备类似装置 。纳米管还有一特殊的应用特性。由于电子在纳米碳管中呈弹道方式运动，人们可以应用电子的自旋量子态，而不是象常规晶体管用电荷，作为开关状态。这就是所谓的 “自旋电子学” 器件。
图一 纳米碳管晶体管。来源：M Jacoby, “Carbon-ba<x>sed FETs best Silicon,”Chem Eng News 80(22), June 3, 2002 (https://pubs.acs.org/cen/topstory/8022/8022notw6.html)
弹指一挥间，18年过去了，当年IBM声称比常规半导体三极管开关速度高一个数量级的纳米碳管三极管仍然还没有走出实验室。最近2015年IBM 宣布在纳米三极管产业化取得重大突破，但离实现大规模集成电路大概还是任重而道远，可能相当长的一段时间还是可望而不可即。
同属电子学系统，锗技术或者纳米碳管三极管尚且无法实现能和硅技术大硅模集成电路竞争的产业，要通过光子学技术，基于和现在成熟的场效应三极管开关原理完全不同的方法实现光逻辑，将电光调制等技术微型化集成到光纤通信系统或光计算系统里，无论是技术还是工艺难度比锗技术或者纳米碳管三极管更要困难得多。在纳斯达克网络泡沫期间，当宇文博在JBI领导开发集成光学光调制技术时，市场上的主导技术是光热调制。这其实是一种临时抱佛脚的短平快商业行为，因为无论技术或者工艺，热光调制都相对简单，只需在集成光路光波导器件旁附加加热装置即可。
但热光调制有两个技术上无法解决的缺点：首先和电子学逻辑器件或者其他如电光调制等比较，加热是一个非常缓慢漫长的过程，因为温度改变必须要达到热平衡才能实现。对于场效应三极管，开关速度是最重要的性能参数。开关速度的限制决定了热光调制光逻辑器件无法和电子学器件竞争。大规模集成电路的另一个重要指标是功耗和散热。通过加热实现逻辑开关运算，在功耗和散热上又是一个先天缺陷。正因为这个原因，宇文博给公司决策层做开题报告时提出的方案是不采用其他光纤公司普遍采用的热光调制技术，而是聚集于研究电光调制解决方案。
但出乎他预料的是，他的方案在会上被决策层否决了。公司首席执行长在会议结束时说了一句话：
“初创公司不做可行性研究。”
最后一锤定音决定了公司还是沿着其他公司一样的路线，采用光热调制方案。宇文博后来自己开初创公司，才体会到当年JBI 首席执行长的那句话确实是他多年经验的结晶，甚至可以说是初创公司的一个定律。初创公司如果把风投资金投入去做可行性研究，首先可行性本来就意味着不确定性。如果技术方案不可行，资金和市场窗口可能都失去了。即使最后结果可行，但如果公司资金烧完了，照样还得关门。
但宇文博当年面临的却是一个技术和商业规律几乎无法调和的局面。不过他并没有机会找到能商业技术兼顾的方案，因为接下来不久，纳斯达克泡沫破裂了。本来似乎在硅谷遍地都是风投资金，只要你编出几张微软演示文稿的商业方案，就可以从风投基金那儿圈来钱。但一夜之间，这些风投资金似乎都消失了。JBI 第一轮1200万美元的风投资金恰恰在这时快烧完了。公司面临关门危机。对宇文博来说，现在不是能不能实现技术改变世界
的梦想了，而是玛塔和他的生计问题了 —— 他的当务之急是找工作了。
作者：hwarrensen 在 生活风情 发贴, 来自【海归网】 http://www.haiguinet.com
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 第二十二章 望尽天涯路 （美国梦幻曲系列） -- hwarrensen - (5427 Byte) 2016-2-06 周六, 12:40 (3918 reads)
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