Ibinalik sa China ang mga Abo ng Pionero ng Semiconductor na si Chih-Tang Sah

Huling pagbabalik sa sariling bayan ng isang isipang humubog sa mga modernong chip

Dinala mula Estados Unidos patungong Fujian sa timog-silangang China ang mga abo ni Chih-Tang Sah, isang pionero sa modernong panahon ng semiconductor, upang ilibing doon. Umaabot sa halos lahat ng kagamitang may chip ang pamana niya sa agham, mula sa teleponong nasa bulsa hanggang sa mga computer na gumagabay sa mga eroplano at accelerator na ginagamit sa pagsasanay ng artificial intelligence. Noong 1963, habang nagtatrabaho sa Fairchild Semiconductor kasama ang kasamahan niyang si Frank Wanlass, kapwa iminungkahi ni Sah ang complementary metal oxide semiconductor logic, na mas kilala bilang CMOS. Ang ideyang ito, na simple sa konsepto ngunit malaki ang naging epekto, ang nagbukas ng daan sa praktikal at matipid sa kuryenteng mga integrated circuit at sa napakalaking lawak ng industriya ng chip ngayon. Pagsapit ng 2011, tinatayang 99 porsiyento ng mga integrated circuit ng semiconductor ay ginawa gamit ang teknolohiyang CMOS, ayon sa aklat na High-Frequency Integrated Circuits ni Sorin Voinigescu ng University of Toronto.

Ipinanganak si Sah sa Beijing at pumanaw noong Hulyo 5 sa edad na 92. Nagsilbi siya bilang honorary professor sa Xiamen University, na nagbigay-pugay sa kanyang pagpanaw at matagal na ugnayan sa akademikong komunidad. Nagbibigay ng pagkakataon ang pagbabalik ng kanyang mga abo sa lalawigan ng kanyang mga ninuno upang pagnilayan ang agham na tahimik na nagpapagana sa pang-araw-araw na buhay at pandaigdigang ekonomiya, gayundin ang karerang nag-ugnay sa mga laboratoryo, silid-aralan, at puso ng makabagong panahon ng impormasyon.

Sino si Chih Tang Sah

Kabilang si Chih-Tang Sah sa henerasyong naglatag ng mga pundasyon ng panahon ng impormasyon. Ipinanganak siya sa China noong 1932 at lumaki sa kilalang pamilyang Sah ng Fuzhou. Nag-aral siya ng inhinyeriya sa Estados Unidos. Nagtapos siya ng dalawang bachelor's degree sa University of Illinois, bago kumuha ng master's at doctorate sa Stanford University. Dahil sa kanyang pagsasanay, napabilang siya sa sentro ng maagang pananaliksik sa solid state, sa panahong nagsisimula nang lumipat ang mga aparatong silikon mula sa mga papel tungkol sa pisika tungo sa mga pabrika.

Edukasyon at mga unang taon sa karera

Noong 1956, nagsimulang magtrabaho si Sah sa industriya ng solid state electronics at di-nagtagal ay sumali sa Fairchild Semiconductor, kung saan inilahad nila ni Frank Wanlass ang konsepto ng CMOS noong 1963. Sa pagsasama ng dalawang uri ng transistor, kung saan ang isa ay nagko-conduct kapag mataas ang input at ang isa naman kapag mababa ito, nakalikha sila ng logic na kakaunti ang konsumo ng kuryente habang hindi aktibo at mahusay na napalalaki ang kakayahan habang nagiging mas masalimuot ang mga chip. Naging propesor si Sah sa University of Illinois, kung saan nagturo siya mula 1962 hanggang 1988, at ipinagpatuloy ang kanyang gawain sa University of Florida. Sa buong karera niya sa akademya, naglathala siya ng humigit-kumulang 280 artikulo sa mga journal, gumabay sa mga doktoral na estudyante, at nagsulong ng pisika ng mga aparatong pinagbabatayan ng disenyo at paggawa ng CMOS. Kinilala siya sa industriya at akademya dahil sa mga ambag na nag-ugnay sa teorya, mga aparato, at mga sistema.

Inilalarawan ng Holonyak Micro and Nanotechnology Lab ng University of Illinois si Sah bilang kabilang sa mga higanteng humubog sa pamana ng pananaliksik sa semiconductor ng kampus. Inilalahad sa kasaysayan ng lab ang tuluy-tuloy na pag-unlad mula sa panahon ng transistor hanggang sa mga modernong integrated circuit, at bahagi ng pagpapatuloy na iyon si Sah. Mababasa ang pangkalahatang kasaysayan ng lab sa site ng Holonyak Micro and Nanotechnology Lab.

Bahagi ang mga mananaliksik ng lab ng makasaysayang pamana sa semiconductor na nagsimula sa mga higante ng inhinyeriya na sina John Bardeen, Nick Holonyak Jr., at Chih-Tang Sah, na ang mga pambihirang gawain ay tumulong magpasimula at magsulong sa rebolusyon ng teknolohiya ng impormasyon sa panahon natin.

Paano binago ng CMOS ang lahat

Ang CMOS, daglat ng complementary metal oxide semiconductor, ang teknolohiyang pangunahing ginagamit sa karamihan ng mga chip. Binubuo ito ng magkaparis na metal oxide semiconductor field effect transistor, o MOSFET, na nagtutulungan. Mas madaling magpadaan ng kuryente ang isang uri ng transistor, na tinatawag na p type, kapag mababa ang input. Mas madaling magpadaan ng kuryente ang isa pa, na tinatawag na n type, kapag mataas ang input. Nang ayusin ng mga inhinyero ang mga ito bilang pares sa bawat logic gate, nakagawa sila ng mga circuit na napakababa ng konsumo ng kuryente habang hindi aktibo at matibay laban sa ingay na elektrikal. Malaki lamang ang daloy ng kuryente kapag nagpapalit ng estado ang circuit, kaya mas kaunti ang init habang hindi ito aktibo at mas mahusay ang paggamit nito ng enerhiya.

Bakit mas kaunti ang konsumo ng CMOS sa kuryente

Isaalang-alang ang pinakasimpleng elemento ng logic: ang inverter. Sa CMOS inverter, kapag mababa ang input, nagko-conduct ang p type transistor at nakapatay naman ang n type. Kapag mataas ang input, nagko-conduct ang n type at nakapatay naman ang p type. Sa anumang wastong antas ng logic, nakapatay ang isa sa mga aparato, kaya nalilimitahan ang tuluy-tuloy na daloy ng kuryente. Pangunahing nagagamit ang kuryente sa pagkarga at pagdiskarga ng napakaliit na capacitance habang nagpapalit ng estado ang circuit. Dahil sa katangiang ito, nagkaroon ng mahahabang buhay ng baterya ang mga portable device, mas maraming component ang naisasya sa mga chip, at nagkaroon ang mga taga-disenyo ng paraan upang patuloy na dagdagan ang pagiging masalimuot ng mga ito nang hindi katumbas na tumataas ang konsumo ng kuryente.

Ipinakilala ang CMOS sa Fairchild noong 1963 at nagsimulang lumakas ang komersiyal na paggamit nito nang gumawa ang RCA ng mga unang integrated circuit na CMOS noong huling bahagi ng dekada 1960. Pagsapit ng dekada 1980, nahigitan na nito ang iba pang pamilya ng logic. Ngayon, makikita ang CMOS sa mga microprocessor, microcontroller, static RAM, sensor ng imahe, at control logic ng di-mabilang na sistema. Nagbabago man ang pisikal na anyo ng mga transistor, kung saan pumapalit ang mga FinFET at gate-all-around na estruktura sa mga naunang planar na disenyo, CMOS pa rin ang uri ng logic. Nag-iistak din ng mga component sa tatlong dimensiyon ang maraming modernong chip at gumagamit ng makabagong packaging, ngunit umaasa pa rin ang mga ito sa parehong mga prinsipyo ng komplementaryong pagpapalit ng estado na itinaguyod nina Sah at Wanlass.

Mula Fairchild hanggang silid-aralan

Malaki ang naging papel ng Fairchild Semiconductor sa paglago ng Silicon Valley. Pinagsama nito ang mga siyentista at inhinyerong bumuo sa mga proseso at aparatong nagpasigla sa mga unang integrated circuit. Sa ganitong kapaligiran, nagtrabaho si Sah kapwa sa malalim na teorya tungkol sa mga aparato at sa praktikal na usapin ng paggawa at disenyo, mga karanasang dinala niya sa silid-aralan.

Pagtuturo at paggabay

Sa Illinois, tumulong si Sah na palalimin ang masusing pag-unawa sa mga aparatong silikon at sa asal ng mga ito. Nakatulong ito na palakasin ang hanay ng mga estudyanteng nagdisenyo at gumawa ng mga susunod na henerasyon ng chip. Nagsisilbing buhay na ugnayan sa pagitan ng pundasyong gawaing iyon at ng mga kasalukuyang pagsulong ang Holonyak Micro and Nanotechnology Lab, na nag-uugat sa mga personalidad tulad nina John Bardeen at Nick Holonyak Jr. Inilalahad ng lab ang kasaysayang ito sa hmntl.illinois.edu. Pinabilis ng pananaliksik sa akademya at pakikipagtulungan sa industriya ang pag-unlad ng CMOS mula sa isang ideya tungo sa halos unibersal na plataporma. Ayon sa isang kamakailang pananaw na inilathala sa journal na Materials, nananatiling pangunahing batayan ng mga digital system ang CMOS habang pinag-aaralan ang mga bagong materyal at uri ng aparato para sa analog, memory, at neuromorphic computing, basta't maisasama ang mga ito sa paggawa na tugma sa CMOS. Ipinakikita ng pananaw na ito ang pag-unlad at katatagan ng platapormang tinulungang pasimulan ni Sah.

Pamanang makikita sa mga telepono, eroplano, at AI accelerator

Makikita sa bawat bulsa at mesa ang mga bakas ng impluwensiya ni Sah. Umaasa sa mga pamamaraan ng CMOS ang digital logic na nagpapatupad ng mga tagubilin ng software, ang mga hanay ng memory na nag-iimbak ng datos, ang mga sensor na kumukuha ng mga larawan, at ang mga radyo na nag-uugnay sa mga aparato. Mula sa mga flight computer sa eroplano hanggang sa mga control system sa kotse at sasakyang pangkalawakan, pinipili ng mga taga-disenyo ang CMOS dahil matipid ito sa enerhiya, maaasahan, at napalalaki ang kakayahan.

Araw-araw na teknolohiyang nakabatay sa CMOS

Nagmula rin sa CMOS ang mga chip na nagpapagana sa mga cloud service at artificial intelligence. Ginawa gamit ang makabagong teknolohiya sa proseso ng CMOS ang H200 accelerator ng Nvidia, isa sa mga pinakakilalang produkto sa kategoryang ito. Naging sanhi ng tensiyon sa pagitan ng Estados Unidos at China ang mga kontrol sa pag-export ng gayong mga chip na may mataas na performance. Masalimuot ang usaping geopolitikal, ngunit simple ang pundasyong siyentipiko. Ang komplementaryong pagpapalit ng estado na nagpapababa ng konsumo sa kuryente at nagbibigay-daan sa mas siksik na integrasyon, na siyang diwa ng CMOS, ang karaniwang pundasyon ng mga pambihirang pagsulong na ito.

Bakit mahalaga ang pagbabalik na ito sa China ngayon

Nagdadala ng simbolismong pangkultura at pang-agham ang pagbabalik ng mga abo ni Sah sa Fujian. Naging honorary professor siya sa Xiamen University, at sinasalamin ng paglalakbay niya mula Beijing patungo sa mga pandaigdigang laboratoryo at silid-aralan ang pagkalat ng mga siyentistang Chinese sa ibang bansa noong nakaraang siglo. Malaki ang puhunan ng China sa edukasyon, pananaliksik, at pagmamanupaktura ng semiconductor. Mahalaga sa mga layuning ito ang mga pundasyong konseptong isinulong ni Sah, tulad ng komplementaryong logic at maingat na pagkontrol sa pisika ng mga aparato.

Naglagay sa sentro ng mga pambansang estratehiya ang mga semiconductor dahil sa mga kontrol sa pag-export, pagbabago sa mga supply chain, at karera sa paggawa ng mas maliit, mas mabilis, at mas matipid sa enerhiyang mga chip. Gayunman, iisang wikang ginagamit ng mga inhinyero ang CMOS. Sa Beijing, Taipei, Hsinchu, Seoul, Austin, o Dresden man, itinuturo at ginagamit sa halos magkatulad na paraan ang mga pamamaraan at modelong pinagbabatayan ng asal ng mga transistor. Bahagi ng pamana ni Sah ang iisang pundasyong ito, at patuloy itong gagabay sa mga inhinyero sa pagsisikap nilang makamit ang mas mataas na performance at mas mababang konsumo ng kuryente.

Ang agham sa payak na paliwanag

Ang MOSFET, ang pangunahing aparato sa loob ng CMOS, ay isang napakaliit na switch na kumokontrol sa daloy ng kuryente gamit ang electric field. Isipin ang isang channel sa semiconductor na may mga terminal na source at drain sa magkabilang dulo. Pinaghihiwalay ng manipis na insulating oxide ang channel at ang gate electrode. Sa paglalapat ng boltahe sa gate, hinihila o itinataboy ng aparato ang mga carrier ng karga sa channel. Kapag lumampas sa threshold voltage, nabubuo ang daanang dinadaluyan ng kuryente. Kapag mas mababa rito, nagsasara ang daanan at humihinto ang daloy ng kuryente, maliban sa napakaliit na tagas.

Ano ang ginagawa ng MOSFET

Sa CMOS logic, hinihila ng n type MOSFET ang output papunta sa ground kapag mataas ang input, samantalang hinihila naman ng p type MOSFET ang output papunta sa supply kapag mababa ang input. Magkasalungat ang kanilang paggana, kaya isa lamang ang nagko-conduct habang nananatili sa isang antas ang logic. Dahil dito, halos walang nagagamit na kuryente ang mga logic gate habang hindi nagpapalit ng estado, na isa sa mga pangunahing dahilan kung bakit naging pangunahing teknolohiya ang CMOS para sa mga digital circuit.

Kuryente at pagpapaliit

May dalawang pangunahing pinagmumulan ng konsumo ng kuryente sa CMOS. Nagmumula ang dynamic power sa pagkarga at pagdiskarga ng capacitance habang nagpapalit ng estado ang circuit. Nagmumula naman ang leakage power sa maliliit na daloy ng kuryenteng nagpapatuloy kahit nakapatay ang mga transistor, at mas lumalala ito habang lumiliit ang mga aparato. Binabawasan ng mga inhinyero ang konsumo sa pamamagitan ng mga teknik sa circuit gaya ng clock gating, dynamic voltage scaling, at maingat na layout, gayundin sa paggamit ng mas mahusay na estruktura ng aparato. Pinahuhusay ng mga FinFET at gate-all-around transistor ang kontrol sa channel, binabawasan ang tagas, at nagbibigay-daan sa higit pang pagpapaliit. Mahalaga rin ang pagiging maaasahan. Naglalagay ang mga taga-disenyo ng mga estrukturang pangproteksiyon laban sa electrostatic discharge at isinasaalang-alang ang stress na maaaring magpahina sa mga linyang metal paglipas ng panahon. Higit pa sa digital logic, sinusuportahan ng CMOS ang mga precision analog function, pagkuha ng imahe, at mga circuit ng radyo para sa 5G at pananaliksik tungo sa 6G, kaya umaabot ang impluwensiya ni Sah sa halos lahat ng larangan ng elektronika.

Mga huling pagpupugay at plano sa paglilibing

Nagkokompleto sa kuwento ng buhay ni Sah ang pagdadala sa kanyang mga abo sa Fujian. Isa siyang siyentistang umabot sa buong mundo: nagsimula sa China ang kanyang gawain, nahubog sa Estados Unidos, at lumaganap sa iba't ibang kontinente sa pamamagitan ng mga estudyante, papel-pananaliksik, at produkto. Pagkilala sa kanyang mga personal na pinagmulan at pagpapahayag ng sama-samang pasasalamat ang paglilibing sa lalawigan ng kanyang mga ninuno. Kabilang ang Xiamen University, kung saan ginampanan niya ang isang honorary na tungkulin, sa mga institusyong gumugunita sa kanyang ambag.

Mula sa mga workbench ng Fairchild hanggang sa mga silid-aralan at malilinis na laboratoryo sa buong mundo, ipinakikita ng landas ng CMOS ang lawak ng impluwensiya ng mga ideya ni Sah. Sa tuwing mabilis gumigising ang isang aparato at kaunti lamang ang konsumo nito sa kuryente, may bakas doon ng kanyang talino. Pamana iyon na tatagal gaya ng silikon na hinubog nito.

Mahahalagang punto

• Dinala mula Estados Unidos patungong Fujian ang mga abo ni Chih-Tang Sah upang ilibing doon
• Sa Fairchild noong 1963, kapwa iminungkahi nina Sah at Frank Wanlass ang konsepto ng CMOS na pinagbabatayan ng mga modernong chip
• Pagsapit ng 2011, gumamit ng CMOS ang humigit-kumulang 99 porsiyento ng mga integrated circuit, ayon sa aklat-aralin ni Sorin Voinigescu
• Nagturo si Sah sa University of Illinois at University of Florida, naglathala ng humigit-kumulang 280 papel, at gumabay sa mga doktoral na estudyante
• Nagbigay-daan ang CMOS sa mga logic na matipid sa enerhiya para sa mga telepono, computer, sistemang panghimpapawid, at AI accelerator gaya ng H200 ng Nvidia
• Naganap ang kanyang pagbabalik habang nagsisikap ang China na palaguin ang sektor ng chip nito at nananatili ang mga kontrol sa pag-export ng mga makabagong processor
• Naging honorary professor si Sah sa Xiamen University at ginugunita siya sa akademya at industriya
• Nananatiling sentro ng mga bagong henerasyon ng chip ang prinsipyo ng CMOS sa mga pagsulong gaya ng FinFET at gate-all-around