Abu Chih-Tang Sah, Perintis Semikonduktor, Dibawa Pulang ke China

Kepulangan terakhir seorang tokoh yang membentuk cip moden

Abu Chih-Tang Sah, perintis zaman semikonduktor moden, dibawa dari Amerika Syarikat ke Fujian di tenggara China untuk dikebumikan. Legasi saintifik Sah merangkumi hampir setiap peranti yang menggunakan cip, daripada telefon dalam poket hingga komputer yang mengendalikan pesawat dan pemecut yang melatih kecerdasan buatan. Ketika bekerja di Fairchild Semiconductor bersama rakan sekerjanya Frank Wanlass pada 1963, Sah mencadangkan bersama konsep logik semikonduktor oksida logam pelengkap, yang lebih dikenali sebagai CMOS. Idea itu ringkas dari segi konsep tetapi besar kesannya, membuka jalan kepada litar bersepadu berkuasa rendah yang praktikal serta perkembangan industri cip hari ini pada skala luar biasa. Menjelang 2011, kira-kira 99 peratus litar bersepadu semikonduktor dihasilkan menggunakan teknologi CMOS, menurut buku High-Frequency Integrated Circuits oleh Sorin Voinigescu dari Universiti Toronto.

Sah dilahirkan di Beijing dan meninggal dunia pada 5 Julai pada usia 92 tahun. Beliau berkhidmat sebagai profesor kehormat di Universiti Xiamen, yang memperingati pemergiannya dan hubungan panjang beliau dengan komuniti akademik. Kepulangan abu jenazahnya ke wilayah leluhur menjadi saat untuk mengenang sains yang secara senyap menggerakkan kehidupan seharian dan ekonomi global, serta kerjaya yang menghubungkan makmal, dewan kuliah dan teras zaman maklumat moden.

Siapakah Chih Tang Sah

Chih-Tang Sah merupakan sebahagian daripada generasi yang membina asas era maklumat. Dilahirkan di China pada 1932 dan dibesarkan dalam keluarga Sah Fuzhou yang terkemuka, beliau melanjutkan pengajian dalam bidang kejuruteraan di Amerika Syarikat. Beliau memperoleh dua ijazah sarjana muda di Universiti Illinois, sebelum menamatkan pengajian sarjana dan doktor falsafah di Universiti Stanford. Latihan itu meletakkan beliau di tengah-tengah penyelidikan awal keadaan pepejal ketika peranti silikon mula beralih daripada makalah fizik ke kilang.

Pendidikan dan kerjaya awal

Pada 1956, Sah memulakan kerjaya dalam industri elektronik keadaan pepejal dan tidak lama kemudian menyertai Fairchild Semiconductor. Di sana, beliau dan Frank Wanlass mengetengahkan konsep CMOS pada 1963. Gabungan dua jenis transistor, satu mengalirkan arus apabila input tinggi dan satu lagi apabila input rendah, menghasilkan logik yang menggunakan sedikit kuasa ketika tidak aktif dan boleh diskalakan dengan berkesan apabila cip menjadi lebih kompleks. Sah kemudian menjadi profesor di Universiti Illinois dari 1962 hingga 1988, sebelum meneruskan tugasnya di Universiti Florida. Sepanjang kerjaya akademiknya, beliau menerbitkan kira-kira 280 makalah jurnal, membimbing pelajar doktor falsafah dan memajukan fizik peranti yang menjadi asas reka bentuk serta fabrikasi CMOS. Beliau diiktiraf dalam industri dan akademia atas sumbangannya yang menghubungkan teori, peranti dan sistem.

Makmal Mikroteknologi dan Nanoteknologi Holonyak Universiti Illinois meletakkan Sah sebaris dengan tokoh lain yang membentuk legasi kampus dalam penyelidikan semikonduktor. Sejarah makmal itu menggambarkan kesinambungan daripada era transistor hingga litar bersepadu moden, dengan Sah sebagai sebahagian daripada rangkaian tersebut. Tinjauan sejarah makmal itu boleh dibaca di laman Makmal Mikroteknologi dan Nanoteknologi Holonyak.

Para penyelidik makmal ini merupakan sebahagian daripada legasi semikonduktor bersejarah yang bermula dengan tokoh kejuruteraan John Bardeen, Nick Holonyak Jr. dan Chih-Tang Sah, yang hasil kerja perintisnya membantu mencetuskan dan memajukan revolusi teknologi maklumat hari ini.

Bagaimana CMOS mengubah segalanya

CMOS, singkatan bagi semikonduktor oksida logam pelengkap, ialah teknologi utama yang digunakan dalam kebanyakan cip. Terasnya terdiri daripada pasangan pelengkap transistor kesan medan semikonduktor oksida logam, atau MOSFET. Satu jenis transistor, dikenali sebagai jenis-p, cenderung mengalirkan arus apabila input rendah. Satu lagi, jenis-n, cenderung mengalirkan arus apabila input tinggi. Dengan menyusun kedua-duanya secara berpasangan bagi setiap get logik, jurutera menghasilkan litar yang menggunakan kuasa statik sangat rendah dan tahan terhadap hingar elektrik. Arus hanya mengalir dengan ketara ketika litar bertukar keadaan, sekali gus mengurangkan haba ketika rehat dan meningkatkan kecekapan tenaga.

Mengapa CMOS menggunakan kurang kuasa

Ambil contoh unsur logik paling ringkas, iaitu penyongsang. Dalam penyongsang CMOS, apabila input rendah, transistor jenis-p mengalirkan arus manakala transistor jenis-n tidak aktif. Apabila input tinggi, transistor jenis-n mengalirkan arus manakala transistor jenis-p tidak aktif. Pada setiap aras logik yang sah, satu peranti tidak aktif, lalu mengehadkan aliran arus berterusan. Kuasa digunakan terutamanya ketika mengecas dan menyahcas kemuatan kecil semasa pertukaran keadaan. Ciri itu membolehkan peranti mudah alih bertahan lama dengan bateri, meningkatkan kepadatan cip dan memberi ruang kepada pereka untuk terus menambah kerumitan tanpa peningkatan penggunaan kuasa yang sepadan.

CMOS diperkenalkan di Fairchild pada 1963 dan mula mendapat momentum komersial apabila RCA menghasilkan litar bersepadu CMOS pertama pada penghujung 1960-an. Menjelang 1980-an, teknologi itu mengatasi keluarga logik lain. Hari ini, CMOS digunakan dalam mikropemproses, mikropengawal, RAM statik, penderia imej dan logik kawalan bagi pelbagai sistem. Walaupun bentuk fizikal transistor terus berubah, dengan struktur FinFET dan get menyeluruh menggantikan reka bentuk satah terdahulu, gaya logiknya masih berasaskan CMOS. Banyak cip moden juga menyusun komponen dalam tiga dimensi dan menggunakan pembungkusan termaju, namun masih bergantung pada prinsip pensuisan pelengkap yang diperjuangkan Sah dan Wanlass.

Dari Fairchild ke bilik kuliah

Fairchild Semiconductor memainkan peranan besar dalam perkembangan Silicon Valley. Syarikat itu menghimpunkan saintis dan jurutera yang membangunkan proses serta peranti yang membantu memacu pertumbuhan awal litar bersepadu. Dalam persekitaran itu, Sah bergerak antara teori peranti yang mendalam dengan keperluan praktikal pembuatan dan reka bentuk, pengalaman yang kemudian dibawanya ke bilik kuliah.

Pengajaran dan bimbingan

Di Illinois, Sah membantu memupuk pemahaman mendalam tentang peranti silikon dan kelakuannya, sekali gus memperkukuh kumpulan pelajar yang kemudiannya mereka bentuk dan membina generasi cip seterusnya. Makmal Mikroteknologi dan Nanoteknologi Holonyak, yang menjejaki asal-usulnya kepada tokoh seperti John Bardeen dan Nick Holonyak Jr., menjadi penghubung hidup antara kerja asas itu dengan kemajuan semasa. Makmal tersebut merakamkan susur galur ini dalam sejarahnya di hmntl.illinois.edu. Penyelidikan akademik dan kerjasama industri mempercepat perkembangan CMOS daripada sebuah idea menjadi platform yang hampir universal. Satu ulasan terkini dalam jurnal Materials menyatakan bahawa CMOS kekal sebagai asas dominan bagi sistem digital, sementara bahan dan jenis peranti baharu sedang dikaji untuk pengkomputeran analog, memori dan neuromorfik, dengan syarat semuanya boleh disesuaikan dengan pembuatan yang serasi dengan CMOS. Pandangan itu mencerminkan kematangan dan daya tahan platform yang membantu Sah gerakkan.

Legasi yang terlihat pada telefon, pesawat dan pemecut AI

Pengaruh Sah dapat dilihat dalam setiap poket dan di setiap meja. Logik digital yang melaksanakan arahan perisian, tatasusunan memori yang menyimpan data, penderia yang merakam imej dan radio yang menghubungkan peranti semuanya bergantung pada teknik CMOS. Daripada komputer penerbangan dalam pesawat hingga sistem kawalan kereta dan kapal angkasa, pereka memilih CMOS kerana kecekapan tenaga, kebolehpercayaan dan kebolehskalaannya.

Teknologi harian yang dibina berasaskan CMOS

Cip yang menggerakkan perkhidmatan awan dan kecerdasan buatan juga berasaskan CMOS. Pemecut H200 Nvidia, antara produk paling ketara dalam kategori ini, dibina menggunakan teknologi proses CMOS termaju. Kawalan eksport terhadap cip berprestasi tinggi sedemikian menjadi punca ketegangan antara Amerika Syarikat dan China. Geopolitiknya rumit, tetapi asas saintifiknya mudah. Pensuisan pelengkap yang mengurangkan penggunaan kuasa dan membolehkan penyepaduan berkepadatan tinggi, iaitu teras CMOS, menjadi benang penghubung bagi semua kemajuan ini.

Mengapa kepulangan ini penting di China hari ini

Kepulangan abu Sah ke Fujian membawa makna budaya dan sains. Beliau merupakan profesor kehormat di Universiti Xiamen, dan perjalanan hidupnya dari Beijing ke makmal penyelidikan serta bilik kuliah di seluruh dunia mencerminkan diaspora saintis China pada abad lalu. China melabur besar-besaran dalam pendidikan, penyelidikan dan pembuatan semikonduktor. Konsep asas yang dimajukan Sah, seperti logik pelengkap dan kawalan teliti terhadap fizik peranti, menjadi teras kepada cita-cita tersebut.

Kawalan eksport, perubahan rantaian bekalan dan persaingan menghasilkan cip yang lebih kecil, lebih pantas serta lebih cekap tenaga telah meletakkan semikonduktor di tengah-tengah strategi negara. Namun, CMOS ialah bahasa bersama para jurutera. Sama ada di Beijing, Taipei, Hsinchu, Seoul, Austin atau Dresden, kaedah dan model yang mendasari kelakuan transistor diajar dan digunakan dengan cara yang hampir sama. Asas bersama itu sebahagian daripada legasi Sah dan akan terus membimbing jurutera dalam usaha mencapai prestasi lebih tinggi serta penggunaan kuasa lebih rendah.

Sains dalam bahasa mudah

MOSFET, iaitu peranti asas dalam CMOS, ialah suis kecil yang mengawal arus menggunakan medan elektrik. Bayangkan satu saluran dalam semikonduktor dengan terminal sumber dan salir di kedua-dua hujungnya. Lapisan oksida penebat nipis memisahkan saluran itu daripada elektrod get. Dengan mengenakan voltan pada get, peranti itu menarik atau menolak pembawa cas dalam saluran. Apabila voltan melebihi ambang, laluan pengalir terbentuk dan arus mengalir. Di bawah ambang itu, laluan tertutup dan arus terhenti, kecuali sedikit kebocoran.

Fungsi MOSFET

Dalam logik CMOS, MOSFET jenis-n menarik output ke bumi apabila input tinggi, manakala MOSFET jenis-p menarik output ke bekalan kuasa apabila input rendah. Kedua-duanya berfungsi secara bertentangan, jadi hanya satu mengalirkan arus ketika keadaan logik stabil. Ini menghasilkan penggunaan kuasa statik hampir sifar bagi get logik, iaitu sebab utama CMOS menjadi teknologi pilihan untuk litar digital.

Kuasa dan penskalaan

Penggunaan kuasa CMOS mempunyai dua punca utama. Kuasa dinamik berpunca daripada pengecasan dan penyahcasan kemuatan semasa pertukaran keadaan. Kuasa kebocoran pula berpunca daripada arus kecil yang mengalir walaupun transistor tidak aktif, dan semakin ketara apabila peranti dikecilkan. Jurutera mengurangkan penggunaan kuasa melalui teknik litar seperti pengawalan jam, penskalaan voltan dinamik dan susun atur yang teliti, serta dengan menggunakan struktur peranti yang lebih baik. Transistor FinFET dan get menyeluruh meningkatkan kawalan terhadap saluran, mengurangkan kebocoran dan menyokong penskalaan selanjutnya. Kebolehpercayaan juga penting. Pereka memasukkan struktur perlindungan daripada nyahcas elektrostatik dan mengambil kira tekanan yang boleh menyebabkan talian logam merosot dari semasa ke semasa. Selain logik digital, CMOS menyokong fungsi analog berketepatan tinggi, pengesanan imej dan litar radio untuk 5G serta penyelidikan ke arah 6G, sekali gus meluaskan pengaruh Sah ke hampir semua bidang elektronik.

Penghormatan terakhir dan rancangan pengebumian

Penghantaran abu Sah ke Fujian melengkapkan perjalanan hidupnya. Beliau ialah saintis bertaraf global yang memulakan kerjaya di China, mengembangkan kepakaran di Amerika Syarikat, kemudian menyebarkan ilmunya ke seluruh benua melalui pelajar, makalah dan produk. Pengebumiannya di wilayah leluhur mengiktiraf akar peribadi serta penghargaan bersama. Universiti Xiamen, tempat beliau memegang jawatan kehormat, merupakan antara institusi yang mengenang sumbangannya.

Daripada meja kerja Fairchild hingga dewan kuliah dan bilik bersih di seluruh dunia, perjalanan CMOS memperlihatkan sejauh mana idea Sah tersebar. Setiap kali peranti beroperasi pantas dengan penggunaan kuasa yang rendah, terserlah jejak pemikirannya. Itulah legasi yang kekal selama silikon yang dibentuknya.

Perkara Utama

• Abu Chih-Tang Sah dibawa dari Amerika Syarikat ke Fujian untuk dikebumikan
• Di Fairchild pada 1963, Sah dan Frank Wanlass mencadangkan bersama konsep CMOS yang menjadi asas cip moden
• Menjelang 2011, kira-kira 99 peratus litar bersepadu menggunakan CMOS, menurut buku teks oleh Sorin Voinigescu
• Sah mengajar di Universiti Illinois dan Universiti Florida, menerbitkan kira-kira 280 makalah serta membimbing pelajar doktor falsafah
• CMOS membolehkan logik cekap tenaga untuk telefon, komputer, sistem aeroangkasa dan pemecut AI seperti H200 Nvidia
• Kepulangannya berlaku ketika China berusaha mengembangkan sektor cipnya dan kawalan eksport terhadap pemproses termaju berterusan
• Sah ialah profesor kehormat di Universiti Xiamen dan dikenang dalam kalangan akademia serta industri
• Kemajuan seperti FinFET dan get menyeluruh mengekalkan prinsip CMOS sebagai teras cip generasi baharu