計算機晶片的前世今生

計算機晶片的前世今生

合肥微尺度物質科學國家研究中心 張國慶

1、量子力學橫空出世，半導體理論得到發展

在20世紀20年代，法國的路易×德布羅意正在研究量子力學的新科學理論。他知道物理學家當時認為光波（通常被認為是一個持續波動的電磁波）既具有波動性也具有粒子性。他意識到也許反過來也成立：也許像電子這樣的粒子類似於光波，同時具有波動性和粒子性。另一位科學家瑞士理論家埃爾溫×薛定諤將這一數學運算方式納入了一系列方程式。這些 “薛定諤方程式”可以最大精度來描述電子和其它原子粒子。

在20世紀30年代，隨著科學界試圖將它們應用於晶體和金屬等複雜的原子體系，這些（薛定諤）方程式被完全接受。物理學家（通常是大學的教授和研究生）投入分析這些基本結構的任務。德國、英國、美國和前蘇聯等地都取得了研究的突破。

當科學家們開始將晶體中的電子視為波時，他們發現了令人著迷、並且常常令人驚訝的新運動模式

，這是與經典粒子不同的行為。例如，

假設晶體中通常是完美有序的原子，如果有一個單一的原子離開原來的位置，那麼電子在移動時的運動將會發生翻天覆地的變化

。

這些關於電子的新規則的應用之一是在半導體中。 20世紀30年代，尤金×威格納和他的學生弗雷德里×克塞茨在普林斯頓大學就這個問題長期努力工作。

他們是第一個弄清楚這些電子波如何使不同種類的材料導電或不導電的

。簡單來說，他們製備了一些不同組成的（具有不同的勢壘）原子尺度的材料，從經典物理的理論來看，無論哪種組成的材料，電子均無法在其中穿越，這樣就無法形成電流，但是考慮到量子效應，電子可以在勢壘較低的材料中穿越，在這些材料中便可以形成電流。事實上，沒有人會知道

尤金×威格納的工作奠定了貝爾實驗室十年後研究的基礎，因為他的學生約翰×巴丁即將把半導體晶體轉變為電晶體，也就是晶片中最基礎的元器件。

2、貝爾實驗室三結義，嫉妒手下分道揚鑣

20世紀初，美國電信巨頭AT＆T啟用其已經退休的前任總裁希羅多×韋爾，以幫助公司抵禦亞歷山大·格雷厄姆·貝爾的電話專利到期時引發的競爭。

韋爾的解決方案：跨州電話服務

，也就是要讓客戶能夠從紐約到舊金山之間實現通話，

然而長距離間電話訊號的衰減在當時是一個無法解決的問題

。

1906年，古怪的美國發明家李×德森在

真空管

中開發出三極體，是一種可以放大訊號的裝置，AT&T希望這個發明能夠使得電話在從全國各地從一個交換機轉移到另一個交換機時放大訊號，達到長距傳輸的目的。 AT＆T收購了德森的專利並大大改進了管道，允許訊號沿著線路有規律地放大，

這意味著只要沿途有放大器，電話交談就可以在任何距離進行

。

最簡單的真空管（即二極體）僅包含加熱器、加熱的電子發射陰極（燈絲本身在一些二極體中用作陰極）和金屬板（陽極）。由於陰極發射的電子穿過管並被陽極收集，電流只能在一個方向上流過兩個電極之間。在管內新增一個或多個控制柵格允許陰極和陽極之間的電流由電網或電網上的電壓控制。

但是，使放大成為可能的真空管效能極其不可靠，使用了大量的電能併產生了太多的熱量。在20世紀30年代，貝爾實驗室的研究主任馬文×凱利認識到，電話業務需要更好的裝置才能繼續發展。

他覺得答案可能在於一類奇怪的、被稱為“半導體”的材料

。

第二次世界大戰結束後，凱利召集了一個科學家小組開發固態半導體開關來替代有問題的真空管。

其中該團隊將在戰爭期間利用半導體研究方面的一些進步，使雷達成為可能

。一位年輕而出色的物理學家比爾×肖克利被選為團隊負責人。

肖克利招募了貝爾實驗室的沃爾特×布拉坦，一位實驗物理學家，天才的他可以建立或維修幾乎任何物件。肖克利還聘請來自明尼蘇達大學的理論物理學家約翰×巴丁。

肖克利瞬間擁有了一支由理論家、物理學家、化學家和工程師組成的強大團隊。

1951年加入團隊的物理學家沃爾特×布朗回憶說，他們的實驗室被稱為“地獄的貝爾實驗室”。

在1945年春天，肖克利設計了他所希望成為的世界第一個

半導體放大器

，其工作原理依靠所謂的“場效應”。他的裝置是一個塗有晶體矽的薄圓柱體，並且安裝在一個小金屬板附近。正如伊利諾伊大學電氣工程師尼克×浩倫亞克所說，這是一個瘋狂的想法。事實上，該裝置沒有成功，肖克利把找出失敗問題的任務分配了巴丁和布拉坦。據作者喬爾×舒金的說法，

這兩個人很大程度上工作無人監督，他們的直接老闆肖克利大部分時間都在家裡獨自工作

。

在貝爾實驗室的默裡山研發中心裡，巴丁和布拉坦形成默契，開始了完美的合作關係。

理論家巴丁提出實驗並對結果進行解釋，而布拉坦搭建並操作實驗

。技術人員菲爾×福伊回憶說，隨著時間的推移，成功的實驗幾乎一個也沒有，緊張局勢開始在實驗室組內加重。

在1947年聖誕節前不久，巴丁有了一個歷史性的見解。

貝爾實驗室的每個物理學家都認為他們知道電子是如何在晶體中運動的，但巴丁發現他們錯了，因為量子力學理論預測電子在半導體表面的行為和在晶體內部完全不同

。巴丁沒有告訴肖克利二人對實驗所做的修改， 1947年12月16日，他們製造了由塑膠三角形上的金箔條製成的

點接觸電晶體

，與晶片鍺板接觸。

當巴丁和布拉坦打電話給肖克力告訴他這項發明時，肖克力不但對二人的結果沒有感到滿意，而且對他自己沒有直接參與發明其中感到憤怒。他決定為了保持自己領導的地位，他必須做出比巴丁和布拉坦的發明更好的電晶體放大器。

所以，肖克力的裝置，即PN接面（三明治）電晶體（科學貓近期會對其原理進行科普，請關注），是在一陣

創造力和憤怒中發展起來的

。他的裝置比巴丁和布拉坦的點接觸電晶體更加堅固和實用，而且製造起來更容易，

成為電子時代的中心神器

，我們今天用的手機晶片中就有數十億個這樣的電晶體。

巴丁和布拉坦被肖克力“推到一邊”，並且禁止他們繼續研究電晶體，這種對二人的侮辱導致團隊分裂，把

曾經的合作環境變成了競爭激烈的環境

。這些裝置的專利名稱應該是誰的問題、誰應該在宣傳照片中出現問題導致更高的緊張氛圍的出現。

3、貝爾“三聖”分享諾獎，英特爾索尼發大財

貝爾實驗室決定在1948年6月30日釋出這項發明。在工程師約翰×皮爾斯的幫助下，貝爾實驗室把這個發明賦予了“電晶體”的名字。然而在當時，無論是在大眾媒體還是在工業界，這項發明都很少受到關注，但肖克利發現了它的潛力。

他離開貝爾實驗室並且在加州的帕洛阿爾託(PaloAlto)成立了肖克力半導體公司（Shockley Semiconductor），這就是“矽谷”的開始

。原因是電晶體大部分都選用矽作為主要材料。

肖克力聘請了一流的工程師和物理學家，但根據物理化學家哈里塞洛的說法，肖克利的個性迫使他最優秀和最聰明的八位員工選擇離開公司（有點像黃老邪）。那些“叛徒八人組”成立了一家名為

快捷半導體

（Fairchild Semiconductor）的新公司。 許多電腦史學家都認為，要想了解美國矽谷的發展史，就必須瞭解早期的快捷半導體公司，也譯作飛兆半導體公司。這家公司，曾經是世界上最大、最富創新精神和最令人振奮的半導體生產企業，為矽谷的成長奠定了堅實的基礎。更重要的是，這家公司還為矽谷孕育了成千上萬的技術人才和管理人才，它不愧是電子、電腦業界的“西點軍校”，是名副其實的“人才搖籃”。一批又一批精英人才從這裡走出和創業，書寫了矽谷一段輝煌的歷史；然而，正因為人才的大量流失，也造成了這家公司歷經坎坷的商海沉浮。

但是鮑勃·諾伊斯和戈登×摩爾（大家一定知道著名的“摩爾定律”），八人中的兩人繼續組建英特爾公司。這兩個人（和德州儀器的其他人）共同發明了積體電路，

就是在一塊單晶矽片上透過整合電路整合億萬個微小的電晶體，這就是我們俗稱的“晶片”

。今天，英特爾每天在晶片上賺的盆缽滿盈，但貝爾“三聖”從他們的研究中賺取的錢卻少的可憐。

巴丁離開貝爾後去了伊利諾斯大學的實驗室，在那裡

他因為超導研究獲得了第二個諾貝爾獎

，也是唯一一個獲得兩個諾獎的物理學家。布拉坦繼續在貝爾呆了好幾年，然後也離開公司去大學教物理。總是妒火中燒的肖克利的公司很快破產，他在斯坦福大學教了一段時間的物理，然後捲入了一場關於種族、遺傳學和智力的臭名昭著的爭議（請繼續關注科學貓），這場爭論很快破壞了他的聲譽。

順便提一下，

當波爾和愛因斯坦還在為量子力學的解釋問題爭論的你死我活的時候，實用主義至上的美國人卻已經利用量子力學的結果製造出了晶片，領先歐洲進入了電器革命。

但是在二十世紀五十年代和六十年代，大多數美國公司選擇把注意力集中在生產電晶體產品的軍事市場上。這為日本工程師井深大和盛田昭夫開了一扇大門，他們創立了一家名為索尼電子（Sony Electronics）的新公司，批次生產微型電晶體收音機。貝爾實驗室的名譽主席伊恩·羅斯說，他們成功的一部分在於發展快速批次生產電晶體的能力。

電晶體收音機改變了世界，開放了資訊時代，並且為音樂帶來了變革。資訊很快就會傳播到地球的盡頭，以至於歷史學家查爾斯斯圖爾特是在撒丁島的貝都因部落成員聽到了發生的暗殺馬丁×路德×金的事件。

原來的三人在分道揚鑣後遇到了幾次：一次是在瑞典斯德哥爾摩，因為他們對物理學的貢獻而獲得1956年諾貝爾獎，另一次是1972年在貝爾實驗室紀念他們發明電晶體25週年。

這三個人本應該成為世界上最有錢的人，遠超比爾蓋茨和巴菲特。但是作為科學家的他們缺乏管理才能，最終使得研究成果開花別家，令人惋惜！另外我們可以看出，任何一次科技革命都是跟一門基礎學科的發展相關，需要在學科中培養出大量的人才，沒有長期的人才儲備，難以造就輝煌的革命成果。