林本坚:用心则乐的芯片大师 | 未来科学大奖

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2018年9月8日,林本坚因开拓浸润式微影系统方法,持续扩展纳米级集成电路制造,将摩尔定律延伸多代荣膺2018年未来科学大奖—数学与计算机科学奖。

林本坚是谁?他做了什么?

对于林本坚获奖,软银远景基金合伙人同时也是未来论坛理事会轮值主席的陈恂带着有点小激动的心情说:“大概从2006年开始至今,世界上所有的高端芯片-包括咱们人手一部的手机里的核心芯片,人工智能芯片,5G芯片,比特币挖矿芯片,无一不是浸润式光刻科技制造的。说没有浸润式光刻科技就没有IT的今天,毫不夸张。

世界上第一个提出这个科技的就是林本坚。咱们的科学家委员会能够找出林本坚这样在工业界作出世界级、决定性贡献的华人科学家真是令人佩服。这样的人在中国,绝无仅有。一个创新决定了人类信息科技几十年的轨迹。林本坚就是那种典型的科学家风范-大家见到就知道了。几十年如一日,朴素平实。”

林本坚是虔诚的基督教徒,待人和善,说话的时候语调总是慢慢的轻轻的,以前的同事和晚辈都称他“Burn爷爷”。但是,当面对自己的工作和研究时,这个和善的老先生就会无比坚定。

林本坚从小生长在越南西贡,父亲是当地英文高中的校长,高三那年,他独立一人来台就读新竹中学。出于对物理的喜爱以及工作机会的思量林本坚在隔年考台大时选择了电机系,进而与电磁波结缘(所有的光都是电磁波)。

从台大毕业后,林本坚又前往美国俄亥俄州立大学攻读博士学位。回想美国的求学经历,林本坚笑说不只高手云集,课业也重。“当时教我物理的是杨振宁的弟弟杨振平,要求很严格。过去在台大我从没熬过夜,没想到在那边要熬夜赶功课。”

快毕业时,林本坚询问导师求职的方向。由于林本坚以全相学(Holography)为博士论文,对方建议他循着一本光学月刊背后所登载的赞助公司,一家一家写求职信。爱好摄影的林本坚本来最中意的是柯达(Kodak),没想到求职信杳无回音,反而是另外两家—IBM T.J. Watson Research Center与贝尔实验室(Bell Labs)找上门来。

起初,林本坚还很纳闷,IBM一个电脑公司需要光学做什么?入职后才发现,原来芯片产业所有的零件和芯片都需要光学来做小型和微型化。林本坚自己也没想到一做就是二十二年,谈到IBM的扎实经历,最让林本坚印象深刻的是同事间不吝分享、讨论的氛围。“有什麽想法就可以找同事来谈。同事也会用很open的态度跟你分享他的看法与知道的资讯。”

尽管如此,林本坚在IBM的道路并非一帆风顺。林本坚早年在IBM半导体部门做深紫外光光刻研究时,公司的发展主流,却是另一项X光微影科技。不但人力资源远超过他的团队,而且,负责X光光刻的主管,同时也是林本坚的顶头上司。他在公司处境之尴尬可想而知。

这位以好好先生著称,人们几乎没见过他发过脾气的「Burn爷爷」,竟不甘忍气吞声,以幽默的方式,公开与上司唱反调。

某天,X光微影研究有了重大进展,他的上司发给每人一件T恤「X ray works」(X光有用)以资庆贺,林本坚竟是在下面加了三个字,成了「X ray works – for the dentists」(X光可用,是在牙医诊所),还用磁铁挂在他办公桌后面的档案柜上,昭告所有路过的同事。(值得一提的是,深紫外光,成了半导体过去三十年的主要光源,X ray则至今仍未商用化。)

然而形势比人强,林本坚还是在50岁时,申请提前退休创业。林本坚本想凭借自己的科研经验创业,因而成立领创公司(Linnovation,Inc.)。然而创业后,林本坚才发现专利在美国维持不易,小公司的发明更常常被大公司占便宜。当原有竞争对手被一个更大的公司并购后,林本坚开始担心。“我开始希望出现一个大公司把我的公司买下,不过一直没有大公司出现。”

后来,台积电的副总蒋尚义打电话给林本坚,希望他带领由光罩和光刻两个部门合并后新成立的光刻制像科技发展处。林本坚认同蒋尚义的安排,虽然没有公司来买下自己的公司,但台积电这家大公司邀请他去服务也是不错的选择。“我想这也许是个机会,而且台积电本来就是我的顾客,我了解台积电的潜力,跟妻子和心中的主沟通完后,我就决定去了。”林本坚从此与台积电结了缘。

改变了芯片历史

2002年,全球芯片产业进入发展瓶颈期,摩尔定律也因此止步不前。摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会新增一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑效能,将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

后来人们对它进行归纳,主要有以下三种“版本”:

1.集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔18-24个月就翻一番。

2.微处理器的效能每隔18-24个月提高一倍,而价格下降一倍。

3.用一个美元所能买到的电脑效能,每隔18-24个月翻两番。

以上几种说法中,以第一种说法最为普遍,第二、三两种说法涉及到价格因素,其实质是一样的。三种说法虽然各有千秋,但在一点上是共同的,即“翻番”的週期都是18-24个月,至于“翻一番”(或两番)的是“集成电路芯片上所集成的电路的数目”,是整个“电脑的效能”,还是“一个美元所能买到的效能”就见仁见智了。

芯片产业所遇到的问题主要出自光刻技术。光刻技术决定晶片上的最小图形尺寸,可以说是芯片生产中最重要的一道步骤。当时,业界已经把光刻机的工艺做到了用193纳米波长的光来成像。若根据摩尔定律把最小图形继续缩小,下一代光刻机所用的波长就应该缩短到157纳米,因为光学的波长越短,越高解析度的影像就可以转接到晶圆的光阻上,让刻出的电路更精细,芯片上就可以承载更多的电路。芯片里容纳的电路可以越多,效能也就越强。

当时的光刻机以干式光刻技术为主,干式光刻是以空气作为镜头与晶圆间的介质,让光罩上的图形在晶圆上成像。然而,从193纳米到157纳米,微缩比例不到20%,达不到摩尔定律的要求。而且业界虽然研发多年,却卡在镜片材料的制造周期上,始终无法达到所需的规格,而且光阻的透明度也很难提高。

由此造成157纳米工艺无法按著摩尔定律要求的期限内完成。依照当时的进度发展,全球芯片产业甚至摩尔定律都将陷入停滞状态。

正所谓时势造英雄,当时已在台积电担任光刻技术研发负责人的林本坚,早已注意到这个瓶颈。他换个角度思考,发现可以在原有193纳米干式光刻镜头上发展浸润式光刻,改用水代替空气作为介质,注入为浸润式设计的镜头与晶圆上的光阻之间,把进入光阻的光波长缩到134纳米。因而提高44%解析度的影像就可以转接到晶圆的光阻上,让刻出的电路更精细。就是这个思考让林本坚相信,改变原本的193纳米干式曝光为浸润式,就可以让工艺前进两代半甚至三代

同年,林本坚受邀到美国参加一场以157纳米波长为主题的研讨会,本来大会邀请林本坚是去讨论157纳米工艺的。结果林本坚直接抛出了“运用水作为193纳米浸润式的介质,可以超过干式的157纳米”的论点,整个会场就像被扔下了一颗炸弹,所有人的思路都被打开了。大家直接抛弃157纳米议题开始讨论193纳米浸润式。

不过,台下的芯片业者也都提出了自己的疑问,有人提到水会不会产生气泡?水会不会污染设备?是不是要做防水?怎麽做?水遇热会膨胀,折射率会改变,怎麽解决?科技既然是林本坚提出来的,那解决问题的重任自然也就落到他身上。

但解决了问题还不够,“最重要的是做量产机器的厂商愿意投入才行啊。配套的厂商总共在157纳米光刻机研发上投入了不下十亿美元,更有厂商建好了157纳米镜头材料的工厂。”林本坚的理论若被採用,等于宣告其他的人前功尽弃。台积电高层蒋尚义曾回忆,“(当年)确实有大公司的高层首长表达严重关切,希望我能管管他(林本坚),不要搅局。”

林本坚提出的浸润式光刻技术在台积电高层张忠谋、蒋尚义的大力支持下,开始放手一博。一批曾和林本坚一起奋斗的台积电首长记得,起初反对方常在国际研讨会上与台积电针锋相对,质疑以水做为介质易产生污染,且水中的气泡会影响曝光等等。

对外界疑虑有备而来的林本坚,决定更彻底解决,便带著团队做该做的实验,写该写的论文。他自己也完成三篇论文,投稿到国际期刊,连还未被提出的质疑也一并设想、响应。

除了技术的理论,林本坚的沟通也做得彻底,当时他跑遍美国、日本、荷兰与德国等地,一一拜会业界,劝说他们继续投入157纳米是浪费钱浪费时间,促使艾斯摩尔与尼康等国际大厂转向。 “原本一个美国大厂的代表说他们绝不用这科技,结果一年后,他们也用了。”

林本坚在台积电研发的期间带领团队从130纳米、做到90纳米、65纳米、40纳米、28纳米、20纳米、和16纳米,并开始研发10纳米、7纳米、和5纳米。他的创新和推动不但让全球芯片工艺得以往下推进了6、7代,台积电也因此跻身一线大厂、主导业界规格。台积电董事长张忠谋曾称,假如没有林本坚及其团队,“台积电的光刻技术不会有今天这规模。”

2015年底,林本坚从台积电退休,随后应邀加入清华大学,担任讲座教授。他原规划退休之后,只做两件事,就是传福音及帮助人得到更丰富的生命、后来一想,教书也是帮助人得到丰富生命的好方法,“我在产业界服务了46年,学到很多,也希望能教给下一代。除了教导专业知识外,他点出,学生在校常只为自己的成绩竞争。因此希望能激发学生创意,教导他们解决问题以及团队合作的能力。这是他想教给清华学生的一项重要能力。

与未来科学大奖结缘

林本坚一生获奖无数,曾10度获美国IBM杰出发明奖、美国IBM杰出贡献奖、2008年当选美国国家工程学院院士……,更在2014年获选为台湾中研院院士,成为台湾最高学术殿堂首位企业界院士。如今,林本坚又获得2018年未来科学大奖数学与计算机科学奖,奖金100万美元。

2018年9月8日的新闻发布会上关于林本坚获奖的消息一公布,中国科学院计算科技研究所研究员,先进电脑系统研究中心主任也是未来论坛青年科学家理事包云岗代表未来论坛和未来科学大奖与林本坚进行了电话采访,采访内容如下:

01

获奖感受:意外

包云岗:首先要恭喜您获得未来科学大奖,因为我本身是做芯片设计的,听到您获奖的消息我和我的同事们都非常高兴,因为这不仅是对您个人的奖励,整个芯片行业都非常激动。不知您此刻有何感想呢?

林本坚:谢谢,谢谢,我自己也很激动。其实有点意外,没想到会把奖给到我。我是蛮高兴,虽然我也接受过很多奖励,但未来科学大奖还是比较特别的。首先,这是来自大陆的奖项。其次,是对我从事的事业的肯定。我只是做了我该做的事情,得奖让我觉得我的事情做对了。

02

后摩尔定律时代如何创新

包云岗:光学对芯片产业真的非常重要,整个产业能够按照摩尔定律继续发展和制造技术有很大关系。但是现在有种观点,认为摩尔定律正在终结。大家感到担忧。不知道在这种后摩尔定律时代,您觉得我们应该怎样创新?

林本坚:我们过去是被光刻娇纵惯了,因为光刻技术每一代负责微缩70%,其他创新的脑筋因此而变懒了。摩尔定律是从尺寸上不断微缩,但是微缩是有极限的,有一天达到1纳米甚至原子级别,那之后怎麽办呢?摩尔定律讲的是新一代芯片的效能比上一代更强、价格变便宜、电路也比原来更多,就一定会有人购买。

虽然尺寸不能再缩小,但还是可以想办法让芯片卖得更便宜或者可做的事情比原来更多,这样一样可以有卖点。你们是做芯片设计的,那这个重担就落在你们身上了。从经济角度来看摩尔定律还是可以继续延续的。

03

对大陆芯片科技的建议

包云岗:您说的很对,在我们设计领域就有这样一个研究,发现同样一个软件,让不同的程序员在同一个芯片上编程性能差六万八千倍。如果用摩尔定律来换算的话,有20年的代差。现在就有人研究,用同一个或者不同的晶体管由不同的程式师来程式设计,以此实现效能上的代差。确实有些空间可以发掘。芯片产业在大陆还是一个软肋,对于大陆发展芯片科技,有什麽可以改进的地方或者做得更好地地方吗?

林本坚:大陆其实有很大的潜力,大陆有市场、有好的学校、有好的人才。我最近出了一本书,名为《把心放上去:林本坚的「用心则乐」人生学》,书的主题就是把心放上去。大陆现在有钱有人有市场,只要把心放上去,只要齐心协力去做就一定会成功。

04

学术研究与企业科研的区别

包云岗:您在企业里做出了这么了不起的科技,您在企业里做过科研,也在学术做过学术研究。你觉得这两者有什麽不同?

林本坚:这个我的书也有讲过,我现在在学校里当老师,学校强调分数和成绩。这样的话,学生之间就存在竞争关系。遇到心胸不够宽广的同学,他/她会防范其他同学,不与其他同学分享和交流。

我在学校里给同学们做作业或考试,没有一个人得到一百分。但是,如果把他们正确的地方加在一起,就能达到一百分。这说明什么?他们其实各有长处,如果大家做到了充分交流,那大家都能得一百分。我们做研究的时候,需要团队合作,所以一定要创造交流分享的氛围。在企业里,好的老板应该知道怎么安排团队,不要重复别人的工作,让好的人做擅长的位置,并且带领大家互尊、互信、互助。

访者介绍:包云岗,中科院计算所研究员,先进计算机系统研究中心常务副主任,中国计算机学会理事、普及工作委员会主任,中科院青年创新促进会理事。研究方向是计算机系统结构,曾获首届“CCF-Intel青年学者”奖,中国计算机大会特邀主旨报告人。

部分内容来自于:

1.台湾电磁产学联盟,原标题《專訪林本堅留心做正經事業》

2.今周刊,原标题《半導體大躍進功臣林本堅:先退再進才容易成功》

3.电子工程世界,原标题《林本坚:跟张忠谋学沟通 扭转半导体规则!》

4.汤财文库,原标题《專訪第一位出身產業的中研院院士半導體大躍進功臣林本堅:先退再進 才容易成功》

5.台湾清华大学光电工程研究所官网,原标题《改寫半導體發展史 台積電前研發副總林本堅院士將任教清華電機系暨光電所》

6.摩尔芯闻,原标题《林本坚17年前的勇敢决定,造就台湾最大半导体聚落》

END
编辑张耀峰
排版韩雨婷