芯片往事:思维如何改变创新?

2022-07-21  顺为分享

技术是现代生活重要的组成部分,但社会中大部分人却并不具备足够的技术知识。今日顺为君与大家分享的,是最近出版的这本《思维决定创新》正好为大家填补这方面的空白。

本书的作者小戴维·P. 比林顿(David P. Billington, Jr.)是一位独立学者,长期研究工程技术领域的创新史,专注于现代工程历史方面的研究和写作。

本书中,作者提供了 20  世纪关键工程创新的基础知识和全面阐释;正是这些创新引领我们进入了 21 世纪。作者考察了一系列的工程进展——从胡佛大坝、喷气式飞机到晶体管、微芯片、计算机和互联网,并解释了这些工程创新的产生过程以及它们如何发挥影响。

每一项工程创新的背后都有一个独特的故事。罗斯福新政时期建设的大坝控制住了洪水;美国国家公路系统将整个美国连接在一起;喷气式飞机使得旅行更加快捷;晶体管和微芯片起源于私营部门,之后在政府的支持下建立了大众市场;电脑和互联网最初是在美国军方的支持下开始研发的,后来在私营部门的努力下逐步大众化。

|1939.8.27 世界上第一架喷气式飞机升空

本书揭示出具有超常洞察力的工程师可以推动颠覆式的创新,而一个活跃且积极的社会将会是创新的沃土。

在下文中,你将了解:

  • 20 世纪 50 年代,两位初来乍到的工程师是如何解决 “数字暴政” 问题的?
  • 德州仪器公司的杰克·基尔比和加州仙童半导体公司的罗伯特·诺伊斯的发现如何促成了集成电路(又称微芯片)的诞生?
  • 单片电路如何从构想成为现实?
  • 集成电路的产生是怎样不同工程思想碰撞结合而成的灵光乍现?
  • 微芯片迅速普及的过程……

在当前芯片火热的背景下,希望本文能够帮助你丰富一些背景知识,并且给予你一些灵感。

作者:[美] 小戴维·P. 比林顿

出版时间:2022 年 6 月

一、如何在有限空间内封装越来越多的电路?

20 世纪 50 年代,随着生产力的提升,晶体管的成本逐渐下降。然而工程师们发现晶体管的发展很快将面临新的问题。买家(尤其是军方买家)需要电子设备中包含更多电路,以满足不断增加的性能需求,这就需要压缩电路体积。但那时的电路是人工连接起来的,所以体积压缩的程度有限。这种如何在有限空间内封装越来越多电路的难题,被称为 “数字暴政”(Tyranny of Numbers)问题。可以预见的是,如果无法克服微型化道路上的障碍,那么电子技术的发展将陷入瓶颈。

为了打破这个瓶颈,20 世纪 50 年代后期美国军方与美国的领军电子公司合作启动了两个研究项目,最后却惨遭失败。第一个项目的工程师试图以迂回方法实现微型化,但没能解决问题。

第二个项目的工程师尝试以一种创新方式使用材料,尽管具有科学研究价值,但缺乏工程可行性。最后,还是来自新加入电子行业的两个公司的两位工程师解决了 “数字暴政” 难题。

1958 年夏天,德州仪器公司的杰克·基尔比突然想到晶体管和其他电路元件一样,都可以只由硅这一类的单一材料制成,而不是当时业界公认的那样必须加入其他元素。1959 年初,加州仙童半导体公司的罗伯特·诺伊斯发现,利用其公司发明的一套制造晶体管的新工艺流程可以通过机器组装整个电路,而无须人工连接。基尔比与诺伊斯的发现促进了集成电路(又称微芯片)的诞生,通过机器可以将这种平面芯片的电路体积做得更小,从而打破人工组装的体积极限。

二、单片电路构想

德州仪器公司成立于 20 世纪 30 年代,起初名为地球物理服务公司(Geophysical Service),专门制造石油勘探设备。1945 年后,这个公司改变了业务重心。“二战” 期间,美国海军航空电子领域的负责人帕特里克·哈格提(Patrick Haggerty)加入了这家公司,帮助它竞争军用电子设备合同。1951 年,该公司更名为德州仪器公司。

一年后,哈格提从贝尔系统获得了晶体管制造许可证。1953 年,哈格提说服贝尔电话实验室的戈登·蒂尔加入德州仪器公司。蒂尔那时已经发明了一种提纯锗的方法,能提升锗在晶体管中的使用效率。1954 年,他又在德州仪器公司开发出一种硅晶体管,硅的制造难度比锗高,但具有更强的可靠性。

|贝尔实验室诞生的第一个锗半导体点接触式晶体管

1958 年 5 月,杰克·基尔比加入了德州仪器公司,此时 RCA 公司已经请德州仪器公司共同参与美军的微型模块项目,基尔比也参与这个项目。然而私下里,基尔比认为微型模块不能解决电路微型化的问题,所以对其持反对态度,不过他很快就有机会来深入思考其他选择了。1958 年 7 月,德州仪器的大部分员工都外出度假了,而基尔比作为一名新员工还没有获得假期,所以形单影只的他在公司待了两个星期。他后来写道:“只留思绪与想象力与我为伴。” 为了避免参与微模块工作,同时也为解决更深层的问题,基尔比开始重新设计基本电路。

|1958 年加入德州仪器公司后的杰克·基尔比

20 世纪 50 年代时,电子器件产业的大部分公司都承接着军工合同,生产的关键在于质量而非成本。但基尔比在一家消费类电子设备公司工作了十年,那里将产品的制造成本也看得至关重要。因此,他加入德州仪器公司后,想找到一种既经济又高效的解决方案。基尔比的新东家是半导体元件的领先制造商,因此也很清楚降低半导体的使用成本能让公司获益良多。

德州仪器公司那时已发明了硅晶体管,也具备锗晶体管的制造能力。基尔比知道硅或锗也可以用来制造电阻和电容器等电路部件,但对其他部件来说这两种材料并不是最合适的,因此电子设备制造商一般会选择其他材料。基尔比越深入地思考,就越意识到互联问题的根源就在于需要连接不同材料制成的部件,如果所有部件都用同样材料制成就可以消除这一问题。1958 年 7 月 24  日,基尔比在实验室笔记中写道:“在一个硅片上制造电阻器、电容器、晶体管和二极管,就可以实现许多电路的极致微型化。” 基尔比概述了如何将硅片不同区域掺杂为 n 型或 p 型材料,从而形成芯片上的不同电路元件。这种使用一块普通基板制造电路部件的想法被他称为 “单片电路思想”。

等公司其他人复工后,基尔比找他的主管威利斯·阿德科克(Willis Adcock)陈述了自己的想法,后者批准他继续进行实验。基尔比在实验中使用了硅晶体管,并亲自制造了硅电阻和电容器,证明了这些部件连接组成的电路可以运转。下一步就是在同一块半导体材料上制作电路,材料表面不同的区域被加工为不同的电路部件。当时公司没有基尔比需要的硅,因此他在一个锗片上做了一个电路。

|基尔比的实验性单片电路

1958 年 9 月 12 日,基尔比在德州仪器公司的高级经理面前启动了这个装置,用他的电路把直流电变成了交流电。一星期后,他又做出了一个可以作为开关的电路。经过秋冬两季的试验,他成功地用硅制造出了这些电路。这一成果成为 20 世纪中叶继晶体管之后的第二次重大电子技术突破。1958 年 12 月,基尔比收到了德州仪器公司的一封信,告知他的每月工资将从 920 美元涨到 1010 美元,以表彰他令人满意的工作成果。基尔比是一个谦逊的人,对此他无疑已经很满足了。

三、从平面工艺到集成电路

杰克·基尔比证明可以在半导体材料的单片上制造出电子电路的不同元件,但由于需要尽快为这个想法申请专利,基尔比来不及进一步完善。基尔比在 1959 年 2 月 6 日提出专利申请时列举的例子中仍然使用着导线,尽管他在声明中指出它们可以为金属线或 “连接线” 所替代。这就给罗伯特·诺伊斯留出了大展身手的余地。诺伊斯研制出了在单个半导体芯片上制造无导线电路的方法,他与基尔比的研究扫清了电路微型化的障碍。

1957 年底,诺伊斯和仙童半导体公司的其他 7 位创始人从 IBM 那里赢得了一份合同,撑过了创业的第一年。这份合同是为美国空军的一种新型机载计算机制造硅晶体管,这种晶体管必须具备其他公司难以达到的特殊性能。诺伊斯胸有成竹,表示保证能完成任务。仙童公司组成了两个团队,看哪一个能先成功:第一个团队由戈登·摩尔领导,试图制造具有 p 型基极的结型晶体管;另一个团队由琼·赫尔尼领导,试图制造具有 n 型基极的晶体管。摩尔的团队最先制造出了晶体管。于是,仙童公司在 1958 年夏天前交付了合同要求的 100 个晶体管。

|仙童公司更被誉为半导体工业的” 黄埔军校”

然而在执行合同时,仙童公司的创始人遇到了一个困扰着当时所有晶体管制造商的问题:在生产过程中,绝大部分晶体管都遭到了灰尘等细颗粒污染物的破坏,最后只有少部分能正常运转。琼·赫尔尼及其团队在输掉制造新晶体管的竞争后,开始思考如何解决这个问题。1955 年,贝尔电话实验室发现了一种制造晶体管的新方法,即在半导体表面铺上一层二氧化硅薄膜。通过薄膜上的开口扩散待掺杂的元素,从而在下方形成 n 型和 p 型半导体区域,同时薄膜还能保护材料免受温度升高的影响。不过,当时的晶体管制造商们认为二氧化硅也是一种潜在的污染物,一旦不再需要就会被腐蚀掉。但赫尔尼突然想到,也许留着这种二氧化硅薄膜更能保护晶体管并改善其性能。很快,实验证明保留二氧化硅层能提升晶体管的可靠性。除了保留薄膜,赫尔尼还重新设计了晶体管,将发射极、基极和集电极集成在同一个镀了二氧化硅层的平面上,从而创造出一种更实用的装置,可以用机器通过类似印刷的方式连接电路。赫尔尼将其命名为平面工艺。仙童公司很快就采用这种方法开始制造晶体管。

仙童公司的律师曾询问诺伊斯平面工艺是否能够拓展到晶体管制造以外的业务,由此诺伊斯意识到,如果能用平面工艺在镀了氧化层的半导体材料表面上制造出一个完整电路,那么平面工艺可能将引导他们取得更重大的突破。1959 年 1 月 23 日,诺伊斯在他的实验室笔记上写道:“这种工艺有诸多应用,其中非常有价值的一种就是在一片硅上制造多个器件,从而在制造过程中实现器件之间的互连,进而减小每个有源元件的尺寸、重量和成本等。” 诺伊斯还简要记述了以下情况,即铝导线铺在二氧化硅层上不但不会影响下面的硅,同时还可以通过连接线和层中的小开口实现芯片上电路部件的互联。利用平面工艺,机器能在硅芯片上制造出人工组装技术无法实现的微型电路。仙童公司由杰伊·拉斯特(Jay Last)带领的一个团队克服了工程层面的挑战,并在 1961 年组装出了一个能运行的版本。

|仙童半导体公司生产的第一个集成电路

基尔比设想了一种用单个半导体制造的完整电路,并进行了实物演示。诺伊斯则是提出了一种新的互联方法,即平面工艺,用这种方法可以在芯片上制造完整的电路并进行互连。将基尔比和诺伊斯的想法结合,就诞生了一种新的装置——集成电路(或微芯片)。

回顾晶体管与集成电路的诞生之路,可以看到晶体管最初源自某个量子物理学的新发现,给了贝尔电话实验室研究人员以研制固态三极管的灵感,因此晶体管是结合了工程目标、半导体提纯技术进展与新科学研究的产物。而集成电路则纯粹是不同工程思想的碰撞结合,即单一材料的使用与平面工艺。虽然为了实现这一创新发明,基尔比和诺伊斯必须了解与半导体相关的物理知识,但他们不需要借助新的科学发现就能造出微芯片。微芯片的问世,解决了分立式晶体管诞生十年后就遇到的微型化问题,并最终成为一种基础电子元件。

和晶体管的革新者一样,基尔比和诺伊斯各自具有不同性格,这也影响了他们的创新方式。基尔比会留出时间安静读书,如果觉得自己的想法可行,就会全身心投入问题的解决中。诺伊斯则一直在行动,往往同时尝试多种方法,经常在半夜放任灵感奔涌而出。不过,基尔比总结了他们两人在观察中的共同点:“很多解决方案失败,是因为它们想解决的问题本身就是错误的。” 基尔比与诺伊斯尽管有着不同的出发点,但最后都确定了一个正确的目标,然后促成了解决方案的诞生。

德州仪器公司后来意识到平面工艺是制造集成电路的最佳方法,并且从仙童半导体公司获取了这门工艺的使用权,但最初这两家公司曾为了争夺微芯片基础理念的专利权而大打出手。1959 年 2 月,基尔比仓促起草了专利申请书,没有详细描述如何制造电路。1959 年 7 月 30 日,仙童对此提出了竞争性主张,详细描述了平面工艺。1961 年 4 月,美国专利局将这个专利授予了仙童半导体公司,德州仪器公司对此提出上诉,理由是基尔比在更早的时候就有了单片电路的构想。1967 年 2 月,美国专利干涉委员会裁定基尔比和德州仪器公司胜诉,但随后美国关税和专利上诉法院支持了仙童半导体公司的主张。1970 年,美国最高法院拒绝审理此案。但这两家公司其实已经在 1966 年同意互相给予专利许可,因为那时微芯片的价值太高了,无论哪家公司都不想依赖于悬而未决的诉讼结果。

四、微芯片迅速普及

起初,芯片上的集成电路没有引起消费者的兴趣,私营企业提出了许多反对理由。首先,最早一批集成电路的生产成本高于独立元件制成的电子电路,而且半导体并不是制造某些元器件的最佳材料。例如,电阻器更适合用镍铬合金制造,电容器通常使用陶瓷,批评者认为每个元器件都应该用最好的材料制成。其次,即使有氧化层保护,批量生产的集成电路仍然存在许多缺陷。最后,集成电路会给电路设计师造成失业风险。“这些论点都很难去辩驳,” 基尔比说,“因为他们说的基本都对。” 但进一步研究后,人们找到了降低微芯片的缺陷发生率的方法,使得发生率能够令人接受。因此,失业的工程师们最后找到了其他芯片设计或设备设计的工作。另外,虽然硅片制成的电阻器和电容器性能相对较低,但还算过得去,而且微型芯片带来的电路微型化进展和电路密度提升很快抵消了这些缺点。但是,集成电路的成本居高不下,只能通过扩大集成电路市场解决。后来,美国联邦政府提供了最初的市场。

最初美国海军对集成电路不感兴趣,但陆军认为这些新芯片对微模块项目来说或许是个不错的补充,而空军则表达了更强烈的兴趣。当时空军急需一台能装进导弹前锥的制导计算机,但之前为此进行的 “分子电子学” 研究迟迟没有进展,因此空军给德州仪器公司提供了一些启动资金用来生产微芯片。1962 年,该公司又获得了一份合同,为民兵 II 型导弹的制导系统生产集成电路,民兵 II 型导弹是核武器运载系统的三合一战略之一(另外两个是核导弹潜艇和远程轰炸机)。

NASA 则更有力地助推集成电路研发。当时 “阿波罗” 计划要宇航员登上月球,但需要大幅减少制导与导航计算机的体积以便其能够装进小型宇宙飞船,而微芯片满足了这一需求。1962 年,麻省理工学院仪器实验室主任查尔斯·斯塔克·德雷珀从仙童公司订购了大量集成电路用以完成该实验室的 “阿波罗” 机载计算机设计合同。NASA 的订单使仙童有了足够的资金来增加微芯片的产量,从而降低价格,并解决早期的技术问题。

|阿波罗制导导航计算机

20 世纪 60 年代中期,美国陆军和海军也开始采用集成电路。1967 年,杰克·基尔比和德州仪器公司的一个小组合作发明了一种使用了微芯片的手持设备,即袖珍计算器(图 7.9),促使了芯片消费市场迅速增长。

仙童半导体公司的戈登·摩尔起初对集成电路的前景持怀疑态度,但很快认识到了其发展潜力。他在 1965 年发现,若集成电路保持自 1961 年以来的微型化速度,那么在可预见的未来,芯片单位面积的晶体管数量估计每两年就能翻一番。这就是后来著名的摩尔定律,其后四十年里也都一直有效。

但仙童并没有因为他们两人的贡献而提拔他们,因此 1968 年,罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔一同离职创办了新公司——英特尔,迅速主导了微芯片市场,并推出了一种新型芯片——微处理器,为个人计算机带来了曙光。

|袖珍计算器

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