芯片往事：思維如何改變創新

《思維決定創新：20世紀改變美國的工程思想》，[美]小戴維·P. 比林頓著，中譯出版社，2022年6月版

技術是現代生活重要的組成部分，但我們當中很少有人具備足夠的技術知識。本書中，作者提供了20世紀關鍵工程創新的基礎知識和全面闡釋；正是這些創新引領我們進入了21世紀。作者考察了一系列的工程進展——從胡佛大壩、噴氣式飛機到晶體管、微芯片、計算機和互聯網，並解釋了這些工程創新的產生過程以及它們如何發揮影響。

每一項工程創新的背后都有一個獨特的故事。羅斯福新政時期建設的大壩控制住了洪水；美國國家公路系統將整個美國連接在一起；噴氣式飛機使得旅行更加快捷；晶體管和微芯片起源於私營部門，之后在政府的支持下建立了大眾市場；電腦和互聯網最初是在美國軍方的支持下開始研發的，后來在私營部門的努力下逐步大眾化。本書揭示出具有超常洞察力的工程師可以推動顛覆式的創新，而一個活躍且積極的社會將會是創新的沃土。

如何在有限空間內封裝越來越多的電路？

20世紀50年代，隨着生產力的提升，晶體管的成本逐漸下降。然而工程師們發現晶體管的發展很快將面臨新的問題。買家（尤其是軍方買家）需要電子設備中包含更多電路，以滿足不斷增加的性能需求，這就需要壓縮電路體積。但那時的電路是人工連接起來的，所以體積壓縮的程度有限。這種如何在有限空間內封裝越來越多電路的難題，被稱為「數字暴政」（Tyranny of Numbers）問題。可以預見的是，如果無法克服微型化道路上的障礙，那麼電子技術的發展將陷入瓶頸。

爲了打破這個瓶頸，20世紀50年代后期美國軍方與美國的領軍電子公司合作啟動了兩個研究項目，最后卻慘遭失敗。第一個項目的工程師試圖以迂迴方法實現微型化，但沒能解決問題。

第二個項目的工程師嘗試以一種創新方式使用材料，儘管具有科學研究價值，但缺乏工程可行性。最后，還是來自新加入電子行業的兩個公司的兩位工程師解決了「數字暴政」難題。

1958年夏天，德州儀器公司的傑克·基爾比突然想到晶體管和其他電路元件一樣，都可以只由硅這一類的單一材料製成，而不是當時業界公認的那樣必須加入其他元素。1959年初，加州仙童半導體公司的羅伯特·諾伊斯發現，利用其公司發明的一套製造晶體管的新工藝流程可以通過機器組裝整個電路，而無須人工連接。基爾比與諾伊斯的發現促進了集成電路（又稱微芯片）的誕生，通過機器可以將這種平面芯片的電路體積做得更小，從而打破人工組裝的體積極限。

單片電路構想

德州儀器公司成立於20世紀30年代，起初名為地球物理服務公司（Geophysical Service），專門製造石油勘探設備。1945年后，這個公司改變了業務重心。「二戰」期間，美國海軍航空電子領域的負責人帕特里克·哈格提（Patrick Haggerty）加入了這家公司，幫助它競爭軍用電子設備合同。1951年，該公司更名為德州儀器公司。一年后，哈格提從貝爾系統獲得了晶體管制造許可證。1953年，哈格提説服貝爾電話實驗室的戈登·蒂爾加入德州儀器公司。蒂爾那時已經發明瞭一種提純鍺的方法，能提升鍺在晶體管中的使用效率。1954年，他又在德州儀器公司開發出一種硅晶體管，硅的製造難度比鍺高，但具有更強的可靠性。

1958年5月，傑克·基爾比加入了德州儀器公司，此時RCA公司已經請德州儀器公司共同參與美軍的微型模塊項目，基爾比也參與這個項目。然而私下里，基爾比認為微型模塊不能解決電路微型化的問題，所以對其持反對態度，不過他很快就有機會來深入思考其他選擇了。1958年7月，德州儀器的大部分員工都外出度假了，而基爾比作為一名新員工還沒有獲得假期，所以形單影隻的他在公司待了兩個星期。他后來寫道：「只留思緒與想象力與我為伴。」爲了避免參與微模塊工作，同時也為解決更深層的問題，基爾比開始重新設計基本電路。

1958年加入德州儀器公司后的傑克·基爾比

20世紀50年代時，電子器件產業的大部分公司都承接着軍工合同，生產的關鍵在於質量而非成本。但基爾比在一家消費類電子設備公司工作了十年，那里將產品的製造成本也看得至關重要。因此，他加入德州儀器公司后，想找到一種既經濟又高效的解決方案。基爾比的新東家是半導體元件的領先製造商，因此也很清楚降低半導體的使用成本能讓公司獲益良多。

德州儀器公司那時已發明了硅晶體管，也具備鍺晶體管的製造能力。基爾比知道硅或鍺也可以用來製造電阻和電容器等電路部件，但對其他部件來説這兩種材料並不是最合適的，因此電子設備製造商一般會選擇其他材料。基爾比越深入地思考，就越意識到互聯問題的根源就在於需要連接不同材料製成的部件，如果所有部件都用同樣材料製成就可以消除這一問題。1958年7月24日，基爾比在實驗室筆記中寫道：「在一個硅片上製造電阻器、電容器、晶體管和二極管，就可以實現許多電路的極致微型化。」基爾比概述瞭如何將硅片不同區域摻雜為n型或p型材料，從而形成芯片上的不同電路元件。這種使用一塊普通基板製造電路部件的想法被他稱為「單片電路思想」。

等公司其他人復工后，基爾比找他的主管威利斯·阿德科克（Willis Adcock）陳述了自己的想法，后者批准他繼續進行實驗。基爾比在實驗中使用了硅晶體管，並親自制造了硅電阻和電容器，證明了這些部件連接組成的電路可以運轉。下一步就是在同一塊半導體材料上製作電路，材料表面不同的區域被加工為不同的電路部件。當時公司沒有基爾比需要的硅，因此他在一個鍺片上做了一個電路。

基爾比的實驗性單片電路

1958年9月12日，基爾比在德州儀器公司的高級經理面前啟動了這個裝置，用他的電路把直流電變成了交流電。一星期后，他又做出了一個可以作為開關的電路。經過秋冬兩季的試驗，他成功地用硅製造出了這些電路。這一成果成為20世紀中葉繼晶體管之后的第二次重大電子技術突破。 1958年12月，基爾比收到了德州儀器公司的一封信，告知他的每月工資將從920美元漲到1 010美元，以表彰他令人滿意的工作成果。基爾比是一個謙遜的人，對此他無疑已經很滿足了。

從平面工藝到集成電路

傑克·基爾比證明可以在半導體材料的單片上製造出電子電路的不同元件，但由於需要儘快為這個想法申請專利，基爾比來不及進一步完善。基爾比在1959年2月6日提出專利申請時列舉的例子中仍然使用着導線，儘管他在聲明中指出它們可以為金屬線或「連接線」所替代。這就給羅伯特·諾伊斯留出了大展身手的余地。諾伊斯研製出了在單個半導體芯片上製造無導線電路的方法，他與基爾比的研究掃清了電路微型化的障礙。

1957年底，諾伊斯和仙童半導體公司的其他7位創始人從IBM那里贏得了一份合同，撐過了創業的第一年。這份合同是為美國空軍的一種新型機載計算機制造硅晶體管，這種晶體管必須具備其他公司難以達到的特殊性能。諾伊斯胸有成竹，表示保證能完成任務。仙童公司組成了兩個團隊，看哪一個能先成功：第一個團隊由戈登·摩爾領導，試圖製造具有p型基極的結型晶體管；另一個團隊由瓊·赫爾尼領導，試圖製造具有n型基極的晶體管。摩爾的團隊最先製造出了晶體管。於是，仙童公司在1958年夏天前交付了合同要求的100個晶體管。

然而在執行合同時，仙童公司的創始人遇到了一個困擾着當時所有晶體管制造商的問題：在生產過程中，絕大部分晶體管都遭到了灰塵等細顆粒污染物的破壞，最后只有少部分能正常運轉。瓊·赫爾尼及其團隊在輸掉製造新晶體管的競爭后，開始思考如何解決這個問題。1955年，貝爾電話實驗室發現了一種製造晶體管的新方法，即在半導體表面鋪上一層二氧化硅薄膜。通過薄膜上的開口擴散待摻雜的元素，從而在下方形成n型和p型半導體區域，同時薄膜還能保護材料免受温度升高的影響。不過，當時的晶體管制造商們認為二氧化硅也是一種潛在的污染物，一旦不再需要就會被腐蝕掉。但赫爾尼突然想到，也許留着這種二氧化硅薄膜更能保護晶體管並改善其性能。很快，實驗證明保留二氧化硅層能提升晶體管的可靠性。除了保留薄膜，赫爾尼還重新設計了晶體管，將發射極、基極和集電極集成在同一個鍍了二氧化硅層的平面上，從而創造出一種更實用的裝置，可以用機器通過類似印刷的方式連接電路。赫爾尼將其命名為平面工藝。仙童公司很快就採用這種方法開始製造晶體管。

仙童公司的律師曾詢問諾伊斯平面工藝是否能夠拓展到晶體管制造以外的業務，由此諾伊斯意識到，如果能用平面工藝在鍍了氧化層的半導體材料表面上製造出一個完整電路，那麼平面工藝可能將引導他們取得更重大的突破。1959年1月23日，諾伊斯在他的實驗室筆記上寫道：「這種工藝有諸多應用，其中非常有價值的一種就是在一片硅上製造多個器件，從而在製造過程中實現器件之間的互連，進而減小每個有源元件的尺寸、重量和成本等。」諾伊斯還簡要記述了以下情況，即鋁導線鋪在二氧化硅層上不但不會影響下面的硅，同時還可以通過連接線和層中的小開口實現芯片上電路部件的互聯。利用平面工藝，機器能在硅芯片上製造出人工組裝技術無法實現的微型電路。仙童公司由傑伊·拉斯特（Jay Last）帶領的一個團隊克服了工程層面的挑戰，並在1961年組裝出了一個能運行的版本。

仙童半導體公司生產的第一個集成電路

基爾比設想了一種用單個半導體制造的完整電路，並進行了實物演示。諾伊斯則是提出了一種新的互聯方法，即平面工藝，用這種方法可以在芯片上製造完整的電路並進行互連。將基爾比和諾伊斯的想法結合，就誕生了一種新的裝置——集成電路（或微芯片）。回顧晶體管與集成電路的誕生之路，可以看到晶體管最初源自某個量子物理學的新發現，給了貝爾電話實驗室研究人員以研製固態三極管的靈感，因此晶體管是結合了工程目標、半導體提純技術進展與新科學研究的產物。而集成電路則純粹是不同工程思想的碰撞結合，即單一材料的使用與平面工藝。雖然爲了實現這一創新發明，基爾比和諾伊斯必須瞭解與半導體相關的物理知識，但他們不需要藉助新的科學發現就能造出微芯片。微芯片的問世，解決了分立式晶體管誕生十年后就遇到的微型化問題，並最終成為一種基礎電子元件。

和晶體管的革新者一樣，基爾比和諾伊斯各自具有不同性格，這也影響了他們的創新方式。基爾比會留出時間安靜讀書，如果覺得自己的想法可行，就會全身心投入問題的解決中。諾伊斯則一直在行動，往往同時嘗試多種方法，經常在半夜放任靈感奔湧而出。不過，基爾比總結了他們兩人在觀察中的共同點：「很多解決方案失敗，是因為它們想解決的問題本身就是錯誤的。」基爾比與諾伊斯儘管有着不同的出發點，但最后都確定了一個正確的目標，然后促成了解決方案的誕生。

德州儀器公司后來意識到平面工藝是製造集成電路的最佳方法，並且從仙童半導體公司獲取了這門工藝的使用權，但最初這兩家公司曾爲了爭奪微芯片基礎理念的專利權而大打出手。1959年2月，基爾比倉促起草了專利申請書，沒有詳細描述如何製造電路。1959年7月30日，仙童對此提出了競爭性主張，詳細描述了平面工藝。1961年4月，美國專利局將這個專利授予了仙童半導體公司，德州儀器公司對此提出上訴，理由是基爾比在更早的時候就有了單片電路的構想。1967年2月，美國專利干涉委員會裁定基爾比和德州儀器公司勝訴，但隨后美國關税和專利上訴法院支持了仙童半導體公司的主張。1970年，美國最高法院拒絕審理此案。但這兩家公司其實已經在1966年同意互相給予專利許可，因為那時微芯片的價值太高了，無論哪家公司都不想依賴於懸而未決的訴訟結果。

微芯片迅速普及

起初，芯片上的集成電路沒有引起消費者的興趣，私營企業提出了許多反對理由。首先，最早一批集成電路的生產成本高於獨立元件製成的電子電路，而且半導體並不是製造某些元器件的最佳材料。例如，電阻器更適合用鎳鉻合金製造，電容器通常使用陶瓷，批評者認為每個元器件都應該用最好的材料製成。其次，即使有氧化層保護，批量生產的集成電路仍然存在許多缺陷。最后，集成電路會給電路設計師造成失業風險。「這些論點都很難去辯駁，」基爾比説，「因為他們説的基本都對。」但進一步研究后，人們找到了降低微芯片的缺陷發生率的方法，使得發生率能夠令人接受。因此，失業的工程師們最后找到了其他芯片設計或設備設計的工作。另外，雖然硅片製成的電阻器和電容器性能相對較低，但還算過得去，而且微型芯片帶來的電路微型化進展和電路密度提升很快抵消了這些缺點。29但是，集成電路的成本居高不下，只能通過擴大集成電路市場解決。后來，美國聯邦政府提供了最初的市場。

最初美國海軍對集成電路不感興趣，但陸軍認為這些新芯片對微模塊項目來説或許是個不錯的補充，而空軍則表達了更強烈的興趣。當時空軍急需一臺能裝進導彈前錐的制導計算機，但之前為此進行的「分子電子學」研究迟迟沒有進展，因此空軍給德州儀器公司提供了一些啟動資金用來生產微芯片。1962年，該公司又獲得了一份合同，為民兵II型導彈的制導系統生產集成電路，民兵II型導彈是核武器運載系統的三合一戰略之一（另外兩個是核導彈潛艇和遠程轟炸機）。

NASA則更有力地助推集成電路研發。當時「阿波羅」計劃要宇航員登上月球，但需要大幅減少制導與導航計算機的體積以便其能夠裝進小型宇宙飛船，而微芯片滿足了這一需求。1962年，麻省理工學院儀器實驗室主任查爾斯·斯塔克·德雷珀從仙童公司訂購了大量集成電路用以完成該實驗室的「阿波羅」機載計算機設計合同。NASA的訂單使仙童有了足夠的資金來增加微芯片的產量，從而降低價格，並解決早期的技術問題。

阿波羅制導導航計算機

20世紀60年代中期，美國陸軍和海軍也開始採用集成電路。1967年，傑克·基爾比和德州儀器公司的一個小組合作發明了一種使用了微芯片的手持設備，即袖珍計算器（圖7.9），促使了芯片消費市場迅速增長。仙童半導體公司的戈登·摩爾起初對集成電路的前景持懷疑態度，但很快認識到了其發展潛力。他在1965年發現，若集成電路保持自1961年以來的微型化速度，那麼在可預見的未來，芯片單位面積的晶體管數量估計每兩年就能翻一番。這就是后來著名的摩爾定律，其后四十年里也都一直有效。但仙童並沒有因為他們兩人的貢獻而提拔他們，因此1968年，羅伯特·諾伊斯和戈登·摩爾一同離職創辦了新公司——英特爾，迅速主導了微芯片市場，並推出了一種新型芯片——微處理器，為個人計算機帶來了曙光。