自然辩证法中的自然

自然辩证法中的自然

微电子中的自然辩证法

提要：作为信息技术的基础的微电子技术的发展，特别是微电子半导体行业的发展，已经成为衡量一个国家综合国力的重要标志。并且半导体行业已经进入到日常生活的各个领域，在我们的生活中扮演中极其重要的角色。自然辩证法的发展同自然科学的发展是紧密联系着的，自然辩证法对于自然科学技术的研究包括对自然科学技术的性质、结构和功能的研究，对于科学经济—社会的关系等的认识，已经形成共识。这一研究和自然科学论的研究也将为微电子政策的制定，微电子发展的规划，微电子工作的领导和管理提供了理论基础，其重要性日益显得突出起来。而其在创新型人才的教育实践中，发挥着越来越大的作用。

关键词: 自然辩证法微电子方向系统性层次性创新性

一、微电子方向介绍

微电子专业是以集成电路设计、制造与应用为代表的学科，是现代发展最迅速的高科技应用性学科之一。培养具有坚实的数理基础，掌握微电子专业基本理论和实验技术，掌握集成电路和集成系统以及其他新型半导体器件的设计方法和制造工艺，熟悉电子技术和计算机技术，具有一定的科学研究和实际工作能力的科学技术和工程技术人才。微电子学是一门综合性很强的边缘学科，其中包括了半导体器件物理、集成电路工艺和集成电路及系

统的设计、测试等多方面的内容；涉及了电磁学，量子力学、热力学与统计物理学、固体物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试和加工、图论、化学等多个领域。微电子专业是研究在固体材料上构成的微小型化电路、电路及系统的电子学分支。作为电子学的分支学科，它主要研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的科学，以实现电路的系统和集成为目的，实用性强。微电子学又是信息领域的重要基础学科，在这一领域上，微电子学是研究并实现信息获取、传输、存储、处理和输出的科学，是研究信息载体的科学，构成了信息科学的基石，其发展水平直接影响着整个信息技术的发展。微电子科学技术的发展水平和产业规模是一个国家经济实力的重要标志。

二、微电子方向中的哲学问题及其依据

本文中所涉及的微电子方向中的哲学问题由系统性、层次性和创新性三方面组成。自然辩证法是关于自然界和科学技术发展的一般规律以及人类认识自然和改造自然的一般方法的科学，其研究目的就是为了合理地处理人与自然以及人与

社会的矛盾。微电子电路设计作为一项协调人与社会关系的实践活动，必然要遵循自然辩证法。系统性、层次性和创新性是自然辩证法的重要组成部分，在具体电路设计中也体现了这三方面的内容，所以其必然对电路设计有所启示。

三、三个哲学问题的由来、成因和对专业的影响

现如今超大规模集成电路可以在芯片上容纳几万个元件，甚大规模集成电路将数量扩充到百万级。而如今随着需求的不断提高，芯片级系统技术诞生，性能越来越强,规模越来越大。由于深亚微米工艺带来的设计困难等,使得设计的复杂度大大提高，所以如何从系统的角度将构成系统级芯片的各个模块最优化地整合到一块芯片上，成为现如今电路设计者面对的问题。如此大规模的设计，必将导致设计难度大大增加，这就要求我们用系统性，层次性的观点分析和解决问题。

目前国内IC产业与国际巨头相比设计规模弱小，低水平重复开发的情况突出，目前国内IC自给率仍然较低，特别是高端产品制造严重滞后。由于我国半导体产业起步较晚，技术瓶颈严重、缺乏自主知识产权，技术含量较高的半导体产品几乎全部产自国外公司，同时关键技术、专利大多数掌握在外商手中，所以提高电路设计者的创新能力非常重要。近期美国禁止向中国4家超级计算机机构出售超级计算机芯片，可以看到芯片的自主可控是已经上升到国家战略层面，所以自主创新相当重要。

四、三个哲学问题的讨论

在自然辩证法中，讲到了系统观，现代系统观认为，事物的普遍联系和永恒运动是一个总体过程，要全面地把握和控制对象，综合地探索系统中要素与要素、要素与系统、系统与环境、系统与系统的相互作用和变化规律，把握住对象的内、外环境的关系，以便有效地认识和改造对象。在电子系统的设计中，要处

理好电子系统内部各个元素之间的关系，具体来讲就是处理好各个芯片、各个元器件之间的关系，它们之间怎样进行信号传输、怎样进行耦合、元器件之间是否有干扰、是不是可以忽略这些干扰或者消除减小等等，同时，电子系统在其数量、结构、功能等方面不等同于各个自然要素的简单叠加，因而，电子系统相对于元器件来说，是具有不可还原性的；对于一个电子系统，它与内部的各个元器件是相统一的，各个元器件通过相互联系成为一个系统，而电路系统在整个应用中可能也只是其中的一个部件，同样，在一个电路系统中，它会有一些芯片，而这些芯片本身就是一个非常复杂的集成系统。因此，系统与

要素两者同生共存、密不可分。如今的电路设计已经不单单是满足人的需要和使用功能，还需要体现出美观、实用、经济等功能。在今天的“以人为本”的设计理念指导下，在一个强调人与社会协调发展的年代，人们已经不满足于仅仅因为其好用而使用它，而是在其即美观又经济的基础上的。这就要求电子设计师在进行电路设计中必须要有综合的思维能力，在错综复杂的诸多因素中，抓住主要矛盾和次要矛盾以及矛盾的主要方面和次要方面。电路的设计过程其实就是一个不断解决问题的过程，设计师只有解决好各要素、各步骤和各阶段的问题，才能设计出一个健康、安全、可靠、高效、节能、方便的电路。我觉得电路设计系统观主要体现在最优化电路的设计上，也就是要在电路充分满足设计要求的基础上充分考虑节能和价格的需要，使设计的电路不

仅有效地满足各种使用功能的同时，还要使得其在节能和价格上的最优化。

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