浅谈用自然辩证法思想看微电子学

浅谈用自然辩证法思想看微电子学

摘要：自然辩证法作为一门研究自然界和科学技术一般规律的学科，对微电子学的发展可起到指导作用。本文就从自然辩证法思想的角度，浅要的分析自然辩证法对微电子学课的指导意义，用自然辩证法的思想去理解微电子学的多个方面，最后分析了微电子行业的发展。

关键词：自然辩证法；微电子；系统；设计；发展

一．自然辩证法在微电子学领域中的实践意义

1.自然辩证法简介

自然辩证法是研究自然界和科学技术发展一般规律以及人类认识自然和改造自然一般方法的学科，它是马克思主义理论的重要组成部分，

是对于人类认识自然和改造自然的成果与活动进行科学概括与总结的产

物。18世纪开始的资本主义工业革命推动了近代自然科学在十九世纪的

全面进展；19世纪涌现的各门自然科学重大理论成果，一次又一次地打

开了形而上学自然观的缺口，揭示出自然界普遍联系和变化发展的客观

辩证法。马克思和恩格斯在大量科学与哲学涌现的基础上，提出了关于

自然界和自然科学的辩证法思想。恩格斯通过对自然科学特别是19世纪

自然科学最新发展成果的哲学概括，确立了辩证唯物主义自然观的主要

内容以及辩证法规律和若干范畴，总结了自然科学的发展规律，批判了

自然科学领域中的唯心主义和形而上学，对自然科学未来的发展提出了

许多科学的预见。进入20世纪后，自然界各种不同物质运动之间的相互

转化和内在统一的客观规律，各种自然现象之间相互联系和依存规律被

不断地揭示出来。现代技术革命极大丰富了自然辩证法的学科基础和研

究内容，是自然辩证法学科的发展在现代获得了强大的生命力。

2.从哲学层面认识微电子

任何领域一旦探寻其本质都与哲学有关。微电子技术也不例外，其本质的询问需要从形而上学的层面上回答。微电子学作为信息产业的一个

重要组成部分，其发展情况已经成为衡量一个国家综合国力的标准。微

电子技术涉及的领域无处不在，存在于人类的诸多活动当中。日常生活

的很多方面都涉及到微电子、半导体行业，比如我们平日使用的公交卡

银行卡，其内的芯片使用的是微电子技术，计算机和各类电子产品、汽

车引擎、通讯系统都离不开微电子技术。微电子技术作为中介，与我们

只能整个社会的政治、经济、文化相互联系，成为一个复杂的整体。从

信息产业的发展，国家的综合实力等方面来考虑微电子技术，会对微电

子这一技术有不同的理解。

单从技术角度来看，微电子学与哲学也有很大的联系。微电子技术的基本组成是MOS管，而MOS管的运作从微观角度来看，是由电子的运

动造成的。IC设计中研究的是宏观的MOS管，而器件研究则要从微观的

原子电子出发。同一个领域，观察的角度不同，研究的内容也截然不同，

此即马克思主义哲学中的对立和统一性。另外，IC设计中也遵从自然的物质性，系统性和层次性。该内容的详述将在后面章节展开。从哲学角度认识理解微电子，对从事微电子行业的人员来说，有推动和启发的意义。

3.认识论对技术实践的指导作用

认识论是探讨人类认识的本质、结构，认识与客观实在的关系，认识的前提和基础，认识发生、发展的过程及其规律，认识的真理标准等问题的哲学学说。马克思在总结和继承其之前的认识论后提出了辩证唯物主义认识论，强调物质决定意识，把认识发展和社会实践发展结合起来。这对微电子行业的技术实践有很大的指导作用。目前微电子行业发展的瓶颈之一是晶体管的大小。现今晶体管最小尺寸为0.09微米，突破这一尺寸受到光刻技术以及材料的限制。短期无法从减小晶体管尺寸上提高芯片的性能，则需要从其它易实现的角度来提高整体的性能，如改变系统的结构，采用SOP技术改变封装的方法，使封装的尺寸更小来减小整个芯片的尺寸和性能。此即认识论中物质决定意识的过程，有了晶体管最小尺寸这一既定事实，确立可行的研究方向。认识论系统的阐述了我们在学习中所用到的方法、技术、逻辑过程，对我们的理论学习和具体实践都有重要的指导意义。

二．微电子与自然协调发展

1.物质性

所谓物质是指独立在人的意识之外，又可以为人的意识所反映的客观实在。自然界的物质形态可以划分为生命物质与非生命物质两大类。

根据现代科学，非生命物质的最简单形态是基本粒子和构成宇宙介质的各种物质场。自然界物质的形态分为固态、液态、气态、等离子态、超密态、真空态、反物质态和暗物质态。自然界各个领域存在物质统一性，微电子学也不例外。半导体器件其本质是原子间，原子与电子间，电子与电子间的相互运动和作用，以及外界不同电压温度和材料的实质上，产生了各样的性能。半导体器件得以运作，既要遵从物理学中电动力学的理论，也要遵从化学里原子能级、泡利不相容原理等理论。究其本质，是在物理学和化学上衍生出的一门学科。其与其他学科相联系、贯通、统一还在守恒定律上有体现。守恒定律包括了能量守恒、电荷守恒。无论什么电路，都满足能量守恒定律；而利用电荷守恒定律可以用来分析和设计电路。自然界的一切现象和过程，都联结成为一个统一的相互联系和相互转化的链条，其中没有任何一种物质的东西可以由“非物质”

或虚无中产生，也没有任何一种可能转化为“非物质”或虚无。对于具体电路的分析和设计也需遵从这一法则，切实出发。

2.系统性

美籍奥地利生物学家贝塔朗菲，将“系统”定义为“处于一定的相互关系中并与环境发生关系的各组成部分的总体。而钱学森则将“系统”

表述为由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能

的有机整体。一个系统之所以成为一个系统，必须有两个或两个以上的要素构成，即承认系统内部应具有可分析的结构，单个的要素不成为系统；系统内诸要素之间、系统要素与系统整体之间相互联系、相互作用；要素彼此之间联系成为一个统一的有机整体。

任何系统都具有整体性、开放性、层次性和动态性等基本属性。微电子学也自成一个系统，它也具有上述基本属性。

（a）在一个集成电路中，能实现某一功能的电路系统，如放大器，是由许多增益、性能不同的放大器构成，而每个放大器又是

由尺寸各一的MOS管组成。各种要素，管子，电阻，电容

组合在一起，并通以电流或电压，就具有特定的功能。而要

素一旦组成系统，就是去了其作为独立要素的性质和功能，

形成了系统的新的质的规定性。单独一个MOS管，具有的

特性很有限：栅极通电压后，能将电压转化成电流。但若组

成一个系统，则具有放大电压的功能。多个MOS管、电阻、

电容组合为放大器后，表现出的整体性质和功能大于各要素

简单之和。

系统具有加和性和非加和性。而非相加性关系时系统的本质特征，是系统区别于各要素简单之和的关键。非加和性

是指整体的特征是各独立部分所不具有的，部分无法以简单

相加的方法建立整体的特征。在电路系统中，电路所实现的

功能可以是放大输入的电压或者电流，而单独要素如电阻、

电容，其特性简单相加是毫无意义的。电路元件的这种特定

联系方式形成了电路系统的结构，结构又决定了电路系统在

与输入的相互作用中表现出特定的功能，即表现出系统都有

的质的规定性。这种特定联系方式，哲学上称之为要素间的

非线性相干。正是非线性相干，产生了系统单个要素独立存

在时所不具备的“新质”。

（b）系统还具有开放性。开放性指系统具有与外部环境不断进行物质、能量、信息交换的性质和功能。在现实的客观世

界里，系统通过向外部环境开放得以稳定存在和向上发展。

为保证系统的稳定，系统需要适度的开放，它表现为系统与

环境进行物质、能量、信息交换过程中的选择性和条件性，

要靠系统自身的动态调节功能来保证。模拟集成电路中的反

馈这一概念最能体现电路系统的开放性。电路中引入负反馈

能够保证电路系统的稳定性。当电路受到噪声等影响而使输

入变化而导致输出发生改变时，负反馈会使输入朝相反的方

向变化，从而稳定输出，使整个系统能够稳定运行（c）系统存在等级结构。在集成电路系统中，为了实现某一功能，比如放大一个电压。若采用单个的放大器可能无法实

现所要求的较大的增益，此时就可采用多级的放大器结构，

组合起来以满足要求。

（d）系统具有动态性。其动态性表现在涨落现象。所谓涨落，就是刻画系统整体状态的宏观瞬时值对平均值的起伏。电路

中的噪声，环境因素的随机干扰，都将使得刻画系统整体状

态的宏观瞬时值难以稳定在平均值上。

3.层次性

如前所述，系统的机构具有层次性。系统科学进一步研究表明，整个自然界就是一个巨大的层次结构。

自然系统的层次性主要是自然界物质系统的纵向联系，是物质系统之间纵向的或垂直的有序关系。实际上，自然系统的层次性还包括两个方面：一是系统在某一等级上又可以分为多侧面的层次，即同一级的复杂系统，可从横向上分为若干互相联系、相互制约又各自独立的平行层次；二是一个高度复杂的自然系统以纵向层次和横向层次为基础，还可以构成纵横交错的立体网络结构形成交叉层次。

集成电路的设计可以看作一个复杂的系统。其纵向层次即由上到下的层次为：编写源代码，设计规范检查，仿真验证，设计综合，布局布线，版图物理验证。而每一纵向层上又分横向层次。比如设计综合这一纵向层次中，需要分情况对不同的尺寸要求采用不同的综合方法，综合时还需要进行可测性和低功耗设计，最后在进行FPGA综合。集成电路设计流程结构中，横向和纵向结构中存在交叉。综合过后需要根据时序验证的结果，对电路重新进行仿真验证。此外，设计中还存在其它许多交叉，这就是设计复杂性的体现。设计不会一次就成功，需要反复的修改，所以存在交叉的结构。

综前所述，将集成电路的整体设计流程看为一个系统，该系统符合了自然界层级结构的特征：它是纵向等级构成性与横向多元相干性的统一；也是间断性和连续性的统一（设计时需要不断的验证设计结果，这就使得设计发生了间断，但这种间断是为了得到所求的设计结果，因此又是连续的）。

三．从自然辩证法角度看微电子行业的发展

1.微电子技术存在的瓶颈

尽管微电子学技术给人类带来了前所未有的巨大进步，但它进一步发展的空间却已经受到了极大的限制。这些限制已经成为微电子学技术继续发展的重大瓶颈。能否突破这些瓶颈是微电子学技术发展所面临的极大挑战。

（1）光刻技术限制

缩小晶体管的尺寸和线宽的基本方法在于改进光刻技术，也就是使用

更短波长的曝光光源，经掩模曝光，把刻蚀在硅片上的晶体管做得更

小。为了实现更高的光刻精度，人们仍在不断探索更短波长的F2激

光光源(波长为157纳米)光刻技术，它的使用有望使光刻的最小线宽

达到90纳米以下。但是。这种更短波长的紫外光很容易被空气吸收，

要想获得最终应用还需要探索新的光学及掩模衬底材料。

（2）材料和制造工艺的限制

随着集成电路集成度的提高。芯片中晶体管的尺寸会越来越小．这就

对制作集成电路的半导体单晶硅材料的纯度要求也越来越高。哪怕是

极其微小的缺陷或杂质，都有可能使集成电路中的某个或数个晶体管

遭到破坏，最终导致整个集成电路的失败。

（3）能耗和散热的限制

随着集成电路芯片中晶体管数量大幅度增多，芯片工作时产生的热量

也同样在大幅度增加，芯片的散热问题已经成为当今超大规模集成电

路进一步发展的严重障碍，降低器件的能耗和解决芯片的散热也已成

为微电子学技术进一步发展的一个主要技术瓶颈。

2.微电子的发展需要工程创新

由微电子行业在发展中存在的瓶颈可以看出，在微电子领域，其科研理论成果已较为成熟。其发展就需要依靠有效的工程转化。工程架起了科学发现技术发明与产业发展之间的桥梁，是产业革命、经济发展和社会进步的强大杠杆。在建设创新型国家战略的实施过程中，工程创新应是一个关键性环节。科学技术转化为现实生产力的功能一般都要通过工程这一环节。科技成果的转化，技术创新的体现，归根结底都需要在工程活动中实现并检验其有效性、可靠性。

在工程创新中，重点在于“集成创新”，即对所采用各类技术的选择和集成过程中，对各类资源的组织协调过程中，追求集成性优化，构成优化的工程系统。这就意味着工程不能只依靠单个技术，需要与之相关的技术协同支持。另外，在工程创新中，要把技术要素和经济、社会、管理等要素进行在一定边界条件下的优化集成。比如在微电子设计中，考虑人的需求，预算，设备以及技术水平，从工程的总体尺度上对技术、市场、产业、经济、环境、社会以及相应的管理进行更为综合的优化集成。这也就决定了发展的战略、工程的决策和设计、以及所要采用的技术、生产运行优化。

创新分“突破性”创新和“渐进性”创新两大类。在工程创新中，两者都需要考虑。“突破性”创新能成为亮点，使行业在短时间内有较大发展。

但更多的创新都是通过积累、改进过程实现的。尤其是在模拟集成设计中，电路经验占了很重要的地位。这就需要不断去摸索和积累电路经验，才能实现创新。量变产生质变，不断的钻研和积累，进行“渐进性”创新，必定能带来“突破性”创新。

3.微电子行业发展中需要考虑环境效益

当我们跨入21世纪的时候，这个时代的主题已经变成“和平与发展“、“环境与发展”。“可持续发展战略”成为人类走向未来的共识，建设

环境友好型社会成为人类构思的美好远景。在科学技术方法论中提到的

绿色设计方法，这是人们对自身发展所引起的环境及生态破坏的反思，

也体现了设计师的道德和社会责任的回归。微电子系统设计的时候就需

要考虑节能，电磁辐射小，减少环境污染，并提高电子产品的回收率。

在设计电路系统时，采用尽量少的材料和能源，采用一些可重复利用的

材料，并且产品的废弃物可以被回收利用。

四．总结

微电子学的各个方面都遵循自然辩证法。作为一名工程师，将科学技术上升到哲学的角度去思考，对技术本身能起到一定的指导作用。要想成为一名好的工程师，就必须提高自身的人文素养，培养唯物辩证主义世界观，在设计中把握系统观，体现科技观，富有创新观。

五．参考文献

[1] 《自然辩证法-在工程中的理论和应用》，清华大学出版社，2007年.

[2] 查有梁，自然辩证法能促进创新，自然辩证法研究，第10期92-94.

[3] 微电子学技术发展的瓶颈和出路，科学，2006年.

[4] 构建和谐社会与工程创新——关于工程与工程创新的认识，科学中国人，2004年.

[5] 工程需要哲学指导，工程质量，2007No.12（A）.