自然辩证法中的自然-微电子中的自然辩证法.docx

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1、自然辩证法中的自然微电子中的自然辩证法一、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 代开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

2、工、图论、 化学等多个领域。微电子专业是研究在固体（主要是半导体）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，其开展水平直接影响着 整个信息技术的开展。微电子科学技术的开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

3、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开展的一般规 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 法的重要组成局部，在具体电路设计中也表达了这三方面的内容，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十万个元件，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

4、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（控制逻辑模块、微处理器微控制 器CPU内核模块、数字信号处理器DSP模块、嵌入的存储器模块、 和外部进行通讯的接口模块）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 产权，含量较高的半导体产品几乎全部

5、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

6、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（元器件、 芯片等）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，还需要表达出

7、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、平安、可靠、高效、节能、方便的电 路。我觉得电路设计系统观主要表达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

8、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说明, 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，可从横向上分为假设 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

9、，设计规范检查，仿真 验证，设计综合，布局布线，幅员物理验证。而每一纵向层上又分横 向层次。比方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表达。 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

10、性的统一，设计时需要不断的验证设计结果，这就 使得设计发生了间断，但这种间断是为了得到所求的设计结果，因此 又是连续的。创新是人类社会开展的永恒话题。由微电子行业在几十年的开展 中可以看出，在微电子领域，其科研理论成果已较为成熟。其开展就 需要依靠有效的工程转化。工程架起了科学发现技术创造与产业开展 之间的桥梁，是产业革命、经济开展和社会进步的强大杠杆。在建设 创新型国家战略的实施过程中，工程创新应是一个关键性环节。科学 技术转化为现实生产力的功能一般都要通过工程这一环节。成果的转化，技术创新的表达，归根结底都需要在工程活动 中实现并检验其有效性、可靠性。在工程创新中，重点在于“集成创 新”，

11、即对所采用各类技术的选择和集成过程中，对各类资源的组织 协调过程中，追求集成性优化，构成优化的工程系统。这就意味着工 程不能只依靠单个技术，需要与之相关的技术协同支持。另外，在工 程创新中，要把技术要素和经济、社会、管理等要素进行在一定边界 条件下的优化集成。比方在微电子设计中，考虑人的需求，预算，设 备以及技术水平，从工程的总体尺度上对技术、市场、产业、经济、 环境、社会以及相应的管理进行更为综合的优化集成。这也就决定了 开展的战略、工程的决策和设计、以及所要采用的技术、生产运行优 化。创新分“突破性”创新和“渐进性”创新两大类。在工程创新中, 两者都需要考虑。“突破性”创新能成为亮点，使行

12、业在短时间内有 较大开展。但更多的创新都是通过积累、改进过程实现的。尤其是在 模拟集成设计中，电路占了很重要的地位。这就需要不断去摸索和积 累电路经验，才能实现创新。量变产生质变，不断的钻研和积累，进 行“渐进性”创新，必定能带来“突破性”创新。五、评述自然辩证法的开展同自然科学的开展是紧密联系着的，自然科学 的突飞猛进，极大地扩大和加深了人类对自然界的认识。作为一名微 电子专业的学生，除了学习必要的专业知识，也要适当地提高自己的 哲学修养和自身的人文素养，培养唯物辩证主义世界观，在设计中把 握系统观，表达科技观，富有创新观。这样不仅能够使自己更加深刻 地理解自己的所学，而且在面对新鲜事物或者陌生的领域时，亦能从 其哲学的本质入手来接受它。在微电子电路的设计中合理地运用系统 性、层次性和创新性来指导电路的设计，这是自然辩证法在微电子电 路设计的中很好的应用，电子设计工必须学习自然辩证法，提高自己 的哲学素养和人文素质，进一步树立辩证唯物主义的世界观，掌握和 运用科学的思维工具去电路和自然及的内在自然规律，这样才能为我 微电子的开展做出自己的贡献。冯文*