从电子信息领域看产业发展与材料工程发展关系 罗哲 5110829018 一 概论 产业发展与材料工程一直都是相辅相成的关系：没有来自产业需 要的人力财力支持，材料工程无法正常发展：没有来自材料工程的推 动，产业也往往容易因瓶颈而停滞不前。最简单的如建筑行业，如果 没有混凝土材料的发明，人类估计还一直居住在木屋里；当然，反过 来如果人类没有对更安全更大的封闭空间的需要，也不会有人专门地 致力于建筑材料的研发。 当今社会被称为信息时代，本文将以对当今社会影响最大的电子 信息领域以及其相关材料工程为具体的例子分析产业发展与材料工 程之间相辅相成的关系。 二. 材料工程对电子信息产业的贡献 在美国《金属杂志》曾发起过关于“材料史上最伟大的时刻”投 票活动，最后的选出的五十个伟大时刻中，有三个直接与电子信息产 业相关。分别是第三位晶体三极管的发明，第三十五位硅的P型结构 和N型结构的发现，与第三十七位第一块单片集成电路的发明。之 所以说它们伟大，必定是因为它们对电子信息产业有着巨大的推动作 用一一它们帮助电子信息产业完成了从电子管到晶体管的跨越，使之 能够慢慢从电子管发展到集成电路，到如今的超大规模集成电路。部
从电子信息领域看产业发展与材料工程发展关系 罗哲 5110829018 一． 概论 产业发展与材料工程一直都是相辅相成的关系：没有来自产业需 要的人力财力支持，材料工程无法正常发展；没有来自材料工程的推 动，产业也往往容易因瓶颈而停滞不前。最简单的如建筑行业，如果 没有混凝土材料的发明，人类估计还一直居住在木屋里；当然，反过 来如果人类没有对更安全更大的封闭空间的需要，也不会有人专门地 致力于建筑材料的研发。 当今社会被称为信息时代，本文将以对当今社会影响最大的电子 信息领域以及其相关材料工程为具体的例子分析产业发展与材料工 程之间相辅相成的关系。 二． 材料工程对电子信息产业的贡献 在美国《金属杂志》曾发起过关于“材料史上最伟大的时刻”投 票活动，最后的选出的五十个伟大时刻中，有三个直接与电子信息产 业相关。分别是第三位晶体三极管的发明，第三十五位硅的 P 型结构 和 N 型结构的发现，与第三十七位第一块单片集成电路的发明。之 所以说它们伟大，必定是因为它们对电子信息产业有着巨大的推动作 用——它们帮助电子信息产业完成了从电子管到晶体管的跨越，使之 能够慢慢从电子管发展到集成电路，到如今的超大规模集成电路。部
分人也认为它可以说引发了第三次工业革命。 基于电子管的计算机虽然有相当的运算能力，但无论是其生产成 本还是维护成本都实在太高，绝对无法被广泛地运用。据说第一台计 算机ENIAC含17840支电子管，功耗高达170kw,。晶体管半导体 材料的发现从根本上改变了计算机。当时人们也在研究，会不会有一 种材料能够取代真空电子二极管与真空电子三极管，直到半导体材料 的发现。 其实在巴丁等人发明晶体三极管前，1929年，工程师利莲费尔 德就已经取得一种晶体管的专利。但由于当时的其制备材料（硅，锗 等)都达不到相应的纯度，因此他发明的晶体管并没有很好的应用前 景。虽然如此，但他却后人指明了半导体材料的可行性，于是乎在当 时的几年里，限制计算机发展的就可以看作是高纯度半导体的制备， 而这则是彻彻底底的材料工程。在看到微弱的灯光指引的道路后，越 来越多的材料工程师与材料科学家投入到半导体的研究与制备中，即 使在二战期间，这种热情也未曾衰减。 当半导体材料的材料科学与工程的“四面体”制备一特性一性能 的过程走完后，电子信息产业就进入飞速发展。英特尔的创始人摩尔 也提出了及其著名的摩尔定律，当价格不变时，集成电路上可容纳的 晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。一 时间，各种各样的电子工业的企业，尤其是芯片公司如同雨后春笋一 般地出现在世界各地。而在美国，它们的聚集地则有一个享誉全球的 称号一一硅谷。或许大多数中国人不知道硅谷具体在美国的哪个州哪
分人也认为它可以说引发了第三次工业革命。 基于电子管的计算机虽然有相当的运算能力，但无论是其生产成 本还是维护成本都实在太高，绝对无法被广泛地运用。据说第一台计 算机 ENIAC 含 17840 支电子管，功耗高达 170kw，。晶体管半导体 材料的发现从根本上改变了计算机。当时人们也在研究，会不会有一 种材料能够取代真空电子二极管与真空电子三极管，直到半导体材料 的发现。 其实在巴丁等人发明晶体三极管前，1929 年，工程师利莲费尔 德就已经取得一种晶体管的专利。但由于当时的其制备材料（硅，锗 等）都达不到相应的纯度，因此他发明的晶体管并没有很好的应用前 景。虽然如此，但他却后人指明了半导体材料的可行性，于是乎在当 时的几年里，限制计算机发展的就可以看作是高纯度半导体的制备， 而这则是彻彻底底的材料工程。在看到微弱的灯光指引的道路后，越 来越多的材料工程师与材料科学家投入到半导体的研究与制备中，即 使在二战期间，这种热情也未曾衰减。 当半导体材料的材料科学与工程的“四面体”制备—特性—性能 的过程走完后，电子信息产业就进入飞速发展。英特尔的创始人摩尔 也提出了及其著名的摩尔定律，当价格不变时，集成电路上可容纳的 晶体管数目，约每隔 18 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。一 时间，各种各样的电子工业的企业，尤其是芯片公司如同雨后春笋一 般地出现在世界各地。而在美国，它们的聚集地则有一个享誉全球的 称号——硅谷。或许大多数中国人不知道硅谷具体在美国的哪个州哪
个县，但是却都知道，这个区域一一从名字上就可以看出一一是依赖 于材料工程所制备的硅而崛起的巨大王国。 当然材料工程在电子信息方面的贡献绝对不止半导体材料。信息 传输过程中的光线材料，信息储存的磁材料，传感器中的压电陶瓷等 等。将巨大的地球连接成地球村的绝对不只是遍布全球的虚拟网络， 更是同样遍布全球的虚拟网络的基石一一信息材料。 可以看出，在电子信息，尤其是计算机的发展过程中，也许材料 工程相比与软件的研发与应用显得默默无闻，但是却为软件的实现奠 定了最基本，也是最为重要的硬件基础。如果没有半导体材料的发现， 如果没有晶体三极管材料的发现，当今如此繁华的信息时代也只能是 空中楼阁。产业的革命性发展的动力，就如同在电子信息产业中一样， 往往来自于某一种新材料发发现。材料工程在过去帮助电子信息完成 了一次跨越，在将来也一定会帮助信息时代完成另外一次跨越，不过 那时的信息时代就不一定是电子信息时代了，其名字也一定取决于材 料工程师们找到的新的材料。 三. 电子信息产业发展对材料工程的贡献 纯粹的科学家或许可以活在自己的世界里，但是工程师一定是活 在应用知识的现实世界里。因此，工程师不会专注于没有现实意义的 东西，某个行业需要什么，材料工程师才会去研发什么。因此产业的 发展方向就如同启明星一般，引导者着材料工程的研究方向。同时， 材料工程的研究需要耗费大量的财力与人力，仅仅靠工程师的个人意
个县，但是却都知道，这个区域——从名字上就可以看出——是依赖 于材料工程所制备的硅而崛起的巨大王国。 当然材料工程在电子信息方面的贡献绝对不止半导体材料。信息 传输过程中的光线材料，信息储存的磁材料，传感器中的压电陶瓷等 等。将巨大的地球连接成地球村的绝对不只是遍布全球的虚拟网络， 更是同样遍布全球的虚拟网络的基石——信息材料。 可以看出，在电子信息，尤其是计算机的发展过程中，也许材料 工程相比与软件的研发与应用显得默默无闻，但是却为软件的实现奠 定了最基本，也是最为重要的硬件基础。如果没有半导体材料的发现， 如果没有晶体三极管材料的发现，当今如此繁华的信息时代也只能是 空中楼阁。产业的革命性发展的动力，就如同在电子信息产业中一样， 往往来自于某一种新材料发发现。材料工程在过去帮助电子信息完成 了一次跨越，在将来也一定会帮助信息时代完成另外一次跨越，不过 那时的信息时代就不一定是电子信息时代了，其名字也一定取决于材 料工程师们找到的新的材料。 三． 电子信息产业发展对材料工程的贡献 纯粹的科学家或许可以活在自己的世界里，但是工程师一定是活 在应用知识的现实世界里。因此，工程师不会专注于没有现实意义的 东西，某个行业需要什么，材料工程师才会去研发什么。因此产业的 发展方向就如同启明星一般，引导者着材料工程的研究方向。同时， 材料工程的研究需要耗费大量的财力与人力，仅仅靠工程师的个人意
愿是绝不可能收集到足够多的财力与人力的。如果一个很有前景产业 需要某种材料，那么必然会有有资金的人愿意花很大的资本去突破它， 因为其成本与突破后的高额利润来说简直不值一提。 电子信息工业的发展对材料有着很明确的要求。在半导体方面， 要求制备纯度更高的硅和锗，或者能研发性能更好，性价比更高的新 型半导体材料，于是乎工程师们着手于高纯半导体与有机半导体的制 备：在信息传递方向，要求单位时间单位成本传输更多信息，于是有 了光纤材料… 当然，大部分走在最前沿的材料工程经费与人力支持都直接来自 国家，其成果也大部分应用与国防，各种合金材料就是极好的例证， 但是在电子信息产业中的材料工程却是个特例，因为其广阔的民用前 景所带来的高额而稳定的利润使其相关材料研究根本不用依赖国家。 由于电子信息产业发展带来的高额利润，让当时以电子信息为核 心的创业成本极其低。谁能想到，只是在导师教授一时兴起提议下仅 仅用538美元创立的公司，就是当今的惠普呢？在企业内部，高额的 利润保证了相关半导体制备加工的研究经费，其研究成果又提高了利 润，这样的良性循环很容易让公司迅速壮大起来。 硅谷的崛起虽然半导体工业本身的发展起到了很大的作用，但是 由于电子信息产业发展而带来的风险投资也绝对功不可没，正因为这 些资金，才能给当时只有技术的工程师实现梦想的机会。从1972年 第一家风险资本在紧挨斯坦福的Sand Hill路落户，风险资本极大 促进了硅谷的成长。1980年苹果公司的上市吸引了更多风险资本来
愿是绝不可能收集到足够多的财力与人力的。如果一个很有前景产业 需要某种材料，那么必然会有有资金的人愿意花很大的资本去突破它， 因为其成本与突破后的高额利润来说简直不值一提。 电子信息工业的发展对材料有着很明确的要求。在半导体方面， 要求制备纯度更高的硅和锗，或者能研发性能更好，性价比更高的新 型半导体材料，于是乎工程师们着手于高纯半导体与有机半导体的制 备；在信息传递方向，要求单位时间单位成本传输更多信息，于是有 了光纤材料…… 当然，大部分走在最前沿的材料工程经费与人力支持都直接来自 国家，其成果也大部分应用与国防，各种合金材料就是极好的例证， 但是在电子信息产业中的材料工程却是个特例，因为其广阔的民用前 景所带来的高额而稳定的利润使其相关材料研究根本不用依赖国家。 由于电子信息产业发展带来的高额利润，让当时以电子信息为核 心的创业成本极其低。谁能想到，只是在导师教授一时兴起提议下仅 仅用 538 美元创立的公司，就是当今的惠普呢？在企业内部，高额的 利润保证了相关半导体制备加工的研究经费，其研究成果又提高了利 润，这样的良性循环很容易让公司迅速壮大起来。 硅谷的崛起虽然半导体工业本身的发展起到了很大的作用，但是 由于电子信息产业发展而带来的风险投资也绝对功不可没，正因为这 些资金，才能给当时只有技术的工程师实现梦想的机会。从 1972 年 第一家风险资本在紧挨斯坦福的 Sand Hill 路落户，风险资本极大 促进了硅谷的成长。1980 年苹果公司的上市吸引了更多风险资本来
到硅谷。Sand Hill在硅谷成为风险资本的代名词。 没有哪一个产业能像电子信息产业一样发展如此迅速，也正是这 迅速的发转才能推动者相关材料工程的发展让其产品的性价比提高6 个数量级。 四. 制约当前电子信息工业发展的材料工程问题 制约当前电子信息工业发展的根本原因在我看来和电子管时代 十分类似，都是材料工程方面的问题。当时无法找到替代真空电子二 极管与真空电子三极管的基材，而如今建立在硅锗半导体上的电子信 息时代走到尽头时便需要找到能够替代硅锗半导体的材料。 电子信息工业发展的方向是不会变的，绝对是要求集成电路的运 算能力越来越强，匀速速度越来越快。就如今的状况而言，如果不改 变计算机的最基本原理，就必须增加在芯片上集成电路的数量。但是 有人预言，摩尔定律在未来十年内即将失效。就建立在硅的半导体集 成芯片来说这是必然的。如果摩尔定律一直持续，一定会让硅半导体 加工达到纳米级别，先不谈加工问题，纳米级别的硅的物理化学性质 会发生很大的变化，其半导体材料的基本功能能否在芯片上正常运行 都不得而知。加工问题到微米级别时就会遇到巨大挑战。从经济的角 度看，正如摩尔第二定律所述，20-30亿美元建一座芯片厂，线条尺 寸缩小到0.1微米时将猛增至100亿美元，比一座核电站投资还大。 由于花不起这笔钱，越来越多的公司退出了芯片行业。同时在没有达 到纳米级别前，由于芯片运行产生的高温也使芯片无法正常工作
到硅谷。Sand Hill 在硅谷成为风险资本的代名词。 没有哪一个产业能像电子信息产业一样发展如此迅速，也正是这 迅速的发转才能推动者相关材料工程的发展让其产品的性价比提高6 个数量级。 四． 制约当前电子信息工业发展的材料工程问题 制约当前电子信息工业发展的根本原因在我看来和电子管时代 十分类似，都是材料工程方面的问题。当时无法找到替代真空电子二 极管与真空电子三极管的基材，而如今建立在硅锗半导体上的电子信 息时代走到尽头时便需要找到能够替代硅锗半导体的材料。 电子信息工业发展的方向是不会变的，绝对是要求集成电路的运 算能力越来越强，匀速速度越来越快。就如今的状况而言，如果不改 变计算机的最基本原理，就必须增加在芯片上集成电路的数量。但是 有人预言，摩尔定律在未来十年内即将失效。就建立在硅的半导体集 成芯片来说这是必然的。如果摩尔定律一直持续，一定会让硅半导体 加工达到纳米级别，先不谈加工问题，纳米级别的硅的物理化学性质 会发生很大的变化，其半导体材料的基本功能能否在芯片上正常运行 都不得而知。加工问题到微米级别时就会遇到巨大挑战。从经济的角 度看，正如摩尔第二定律所述，20-30 亿美元建一座芯片厂，线条尺 寸缩小到 0.1 微米时将猛增至 100 亿美元，比一座核电站投资还大。 由于花不起这笔钱，越来越多的公司退出了芯片行业。同时在没有达 到纳米级别前，由于芯片运行产生的高温也使芯片无法正常工作
目前找到的一些比较有前景的替代材料包括碳纳米管。报道称 IBM公司的研究人员在一个硅芯片上放置了1万多个碳纳米晶体管， 碳纳米晶体管的电子比硅质设备运行得更快。它们也是晶体管最理想 的结构形式。这些优异的性能将成为替代硅晶体管的原因，同时结合 新芯片设计架构，未来将使微型等级芯片实现计算机创新。但是其创 新业要依赖于材料工程来实现碳纳米管的廉价化高效化制备与相关 加工技术的成熟。 当然，也有人希望从原理上去改变计算机，如量子计算机，生物 计算机等。但是无论是那种原理上的改变都有着材料工程上的瓶颈问 题，例如量子计算机中超高纯硅晶体制备，生物计算机中蛋白质材料 的制备与加工等等。 再辉煌的产业也会有迟暮之时。在若干年前，材料工程就如同年 轻药一般让迟暮的电子管电子信息产业从迟暮重返青春，相信在不久 的将来，材料工程又会帮助电子信息产业进入下一个黎明。 五. 总结 材料工程奠定了当今电子信息产业的基础，超迅速的电子信息产 业的发展也领导着相关材料工程的快速前行。在电子信息产业，产业 发展与材料工程和谐的依赖共存，互相促进的关系体现得淋漓尽致。 相信在其他产业中，材料工程也会继续扮演着它不可或缺的角色
目前找到的一些比较有前景的替代材料包括碳纳米管。报道称 IBM 公司的研究人员在一个硅芯片上放置了 1 万多个碳纳米晶体管， 碳纳米晶体管的电子比硅质设备运行得更快。它们也是晶体管最理想 的结构形式。这些优异的性能将成为替代硅晶体管的原因，同时结合 新芯片设计架构，未来将使微型等级芯片实现计算机创新。但是其创 新业要依赖于材料工程来实现碳纳米管的廉价化高效化制备与相关 加工技术的成熟。 当然，也有人希望从原理上去改变计算机，如量子计算机，生物 计算机等。但是无论是那种原理上的改变都有着材料工程上的瓶颈问 题，例如量子计算机中超高纯硅晶体制备，生物计算机中蛋白质材料 的制备与加工等等。 再辉煌的产业也会有迟暮之时。在若干年前，材料工程就如同年 轻药一般让迟暮的电子管电子信息产业从迟暮重返青春，相信在不久 的将来，材料工程又会帮助电子信息产业进入下一个黎明。 五． 总结 材料工程奠定了当今电子信息产业的基础，超迅速的电子信息产 业的发展也领导着相关材料工程的快速前行。在电子信息产业，产业 发展与材料工程和谐的依赖共存，互相促进的关系体现得淋漓尽致。 相信在其他产业中，材料工程也会继续扮演着它不可或缺的角色