回顧美日DRAM芯片之爭

　　平面制造工藝

　　現(xiàn)代芯片制造，主要采用光刻法和蝕刻法工藝。光刻法最早的構(gòu)想，源自印刷行業(yè)的照相曝光制版工藝，美國貝爾實驗室在1954年開始采用光刻法工藝。

　　1970年代后，光刻法發(fā)展為重復(fù)步進曝光，電子束掩模等新工藝，制造精度大為提高。仙童公司在光刻法應(yīng)用初期，進行了大量技術(shù)改進。

　　1958年仙童向IBM供貨后，便出現(xiàn)了問題。民兵洲際導(dǎo)彈發(fā)射時，巨大的震動會導(dǎo)致一些金屬粉塵顆粒脫離，可能會使硅晶體管暴露的接頭處出現(xiàn)短路。仙童公司需要對此改進工藝。

　　1959年1月，仙童公司為了向IBM穩(wěn)定供貨，對硅晶體管工藝進行攻關(guān)。主要成員包括羅伯特·諾伊斯博士、杰·拉斯特博士，吉恩·赫爾尼博士、戈登·摩爾博士。其中，拉斯特和諾伊斯主要開發(fā)使用16毫米電影鏡頭的光刻掩模技術(shù)，對掩模板、光致抗蝕劑(光刻膠)進行改進。

　　他們首先把具有半導(dǎo)體性質(zhì)的雜質(zhì)，擴散到高純度硅片上，然后在掩模板上繪好晶體管結(jié)構(gòu)，用照相制版的方法縮小，將晶體管結(jié)構(gòu)顯影在硅片表面氧化層，再用光刻法去掉不需要的部分。擴散、掩模、照相、光刻，顯影，整個過程叫做平面處理技術(shù)。

　　1959年1月23日，諾伊斯在日記中提出一個技術(shù)設(shè)想：既然能用光刻法制造單個晶體管，那為什么不能用光刻法來批量制造晶體管呢?他們首先面對的是密集電路的短路問題。赫爾尼提出在硅片表面形成二氧化硅絕緣層，解決短路問題。

　　1959年8月，仙童公司組建由拉斯特博士領(lǐng)導(dǎo)的晶體管集成電路研制團隊。

　　1960年9月，成功開發(fā)出世界第一代晶體管集成電路。然而由于集成電路項目耗費巨大，仙童副總裁Tom Bay建議結(jié)束研發(fā)項目，專注于二極型晶體管生產(chǎn)。在此情況下，拉斯特博士選擇辭職離開仙童公司。

　　Lionel Kattner接管了研發(fā)團隊，最終在摩爾的全力支持下，仙童決定將晶體管集成電路投入批量生產(chǎn)。1961年，Lionel Kattner也辭職離開了仙童公司，創(chuàng)辦了西格尼蒂克(Signetics)半導(dǎo)體公司(1975年被荷蘭飛利浦收購)。仙童公司如同蒲公英一般，將人才散布到硅谷的每個地方，推動硅谷集成電路產(chǎn)業(yè)迅速興起。

　　1962年，仙童公司在緬因州南波特蘭，創(chuàng)建了世界第一家晶體管生產(chǎn)、測試及封裝工廠。并以收取技術(shù)授權(quán)費的方式，向其他企業(yè)傳播平面制造工藝。嗅覺敏感的日本企業(yè)，迅速通過仙童公司，掌握了這一核心技術(shù)。同一年，美國開發(fā)出MOSFET——金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，成為世界電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展史上的重要里程碑。為半導(dǎo)體存儲器的問世，奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

　　1966年，美國IBM公司托馬斯·沃森研究中心的羅伯特·登納德(Robert H. Dennard)博士，發(fā)明DRAM原理。老頭在IBM公司工作了半個世紀，現(xiàn)在八十多歲了。2009年獲得IEEE榮譽勛章。這是電子電氣領(lǐng)域的最高榮譽。

　　DRAM內(nèi)存之父

　　1960年代早期，美國電子產(chǎn)業(yè)，主要由IBM、摩托羅拉、德州儀器、美國無線電公司(RCA)等老牌企業(yè)控制。他們依靠二戰(zhàn)時期，美國政府的巨額軍工訂單，發(fā)展成為產(chǎn)業(yè)巨無霸。二戰(zhàn)后主要生產(chǎn)電視機、收音機等新興的家用電器，并為美軍武器提供電子裝備。

　　電子計算機也是新的產(chǎn)業(yè)熱點，IBM具有領(lǐng)先優(yōu)勢。

　　IBM公司在1956年，花費巨資從王安手里，購買磁芯存儲器專利，主要是為了解決大型計算機存儲數(shù)據(jù)問題。磁芯存儲器并不完美，不但磁芯容易損壞，而且價格昂貴，運行速度也慢。然而，磁芯存儲器比磁鼓有個重要優(yōu)點：電腦斷電后，磁芯保存的數(shù)據(jù)不會消失。為解決磁芯存儲器存在的不足，IBM進行了長達十幾年的研究。

　　1961年，IBM在紐約州成立了以半導(dǎo)體為方向的托馬斯·沃森研究中心。仙童當時是IBM的半導(dǎo)體器件供應(yīng)商，并且發(fā)展非常迅速。1965年，仙童公司的戈登·摩爾，在《電子學》雜志發(fā)表文章預(yù)言：當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。這個預(yù)言后來被稱為“摩爾定律”。

　　1966年，IBM托馬斯·沃森研究中心，34歲的羅伯特·登納德(Robert H. Dennard)博士，提出了用金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管，來制作存儲器芯片的設(shè)想。原理是利用電容內(nèi)，存儲電荷的多寡，來代表一個二進制比特(bit)是1還是0。每一個bit只需要一個晶體管加一個電容(1T/1C結(jié)構(gòu))。1968年6月，IBM注冊了晶體管DRAM專利(3387286號專利)。但是由于IBM正在遭受美國司法部的反壟斷調(diào)查，拖延了DRAM項目商業(yè)化進度，這給其他公司帶來了機會。

　　此時，晶體管集成電路已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)熱潮，大批美國公司投入這一領(lǐng)域。1969年，加州桑尼維爾的Advanced Memory system公司，最早生產(chǎn)出1K容量的DRAM，并出售給計算機廠商霍尼韋爾。但是由于存在DRAM工藝上的缺陷，霍尼韋爾后來向新成立的英特爾公司尋求幫助。

　　1972年前后，英特爾公司為美國Prime電腦公司，生產(chǎn)的微型電腦主板上，焊接了128顆1K存儲容量的C1103 DRAM內(nèi)存，組成128K容量的內(nèi)存，以便運行類似DOS的操作系統(tǒng)。1GB=1048576KB，如今一根最普通的4G內(nèi)存，容量等于這塊老古董的3.2萬倍。最大的單根內(nèi)存容量達到128G，是這家伙的100萬倍。

　　英特爾DRAM內(nèi)存商業(yè)化大獲成功

　　1967年，仙童半導(dǎo)體成立十年時，公司營業(yè)額已接近2億美元(作為對比1967年中國外匯儲備為2.15億美元)。但是隨著德州儀器、摩托羅拉、國家半導(dǎo)體在晶體管市場的崛起，仙童的利潤迅速下滑，加之巨額研發(fā)投入，企業(yè)內(nèi)部矛盾嚴重。仙童的行業(yè)第一地位，迅速被德州儀器取代。

　　1968年8月，仙童總經(jīng)理鮑勃·諾伊斯，拉著研發(fā)部門負責人戈登·摩爾辭職。從風險投資家阿瑟·洛克那里拉來250萬美元投資，正式成立了英特爾(Intel)公司，洛克出任董事長。Intel在英文中含有智慧和集成電路的意思，商標是花1.5萬美元，從一家酒店手里買的。當時公司只有諾伊斯和摩爾兩個員工，他們招兵買馬時，又從仙童公司挖來了工藝開發(fā)專家安迪·格魯夫，擔任運營總監(jiān)。

　　英特爾成立之初，繼承了仙童的技術(shù)能力。公司制定的發(fā)展方向是研制晶體管存儲器芯片，這是一個全新的市場。當時的半導(dǎo)體工藝主要有雙極型晶體管，和場效應(yīng)(MOS)晶體管。這兩項工藝都是仙童的長項。但是哪一種工藝用來生產(chǎn)的芯片更好，他們并不清楚。于是公司成立了兩個研發(fā)小組。1969年4月，雙極型小組推出了64bit容量的靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)芯片C3101，只能存儲8個英文字母。這是英特爾的第一個產(chǎn)品，客戶是霍尼韋爾。

　　此時在美國電腦市場上，IBM已經(jīng)成為無可爭議的霸主，被稱為藍色巨人，其他電腦廠商在重壓下苦不堪言?；裟犴f爾公司為了提高其計算機性能，正在尋找SRAM存儲器，這為英特爾帶來了市場機會。與此同時，仙童公司的市場主管杰里·桑德斯，又拉走了一批人，成立了AMD公司。由于融資困難，桑德斯找到了英特爾公司的諾伊斯尋求幫助，最后拉來了155萬美元投資。此后的半個世紀里，英特爾和AMD成為一對難分難解的競爭對手。

　　1969年7月，場效應(yīng)管小組推出了256bit容量的靜態(tài)隨機存儲器芯片C1101。這是世界第一個大容量SRAM存儲器?；裟犴f爾很快下達了訂單。隨后，英特爾研究小組不斷解決生產(chǎn)工藝中的缺陷，于1970年10月，推出了第一個動態(tài)隨機存儲器(DRAM)芯片C1103，有18個針腳。容量有1Kbit，售價僅有10美元，它標志著DRAM內(nèi)存時代的到來。

　　當時的大中型計算機上，還在使用笨重昂貴的磁芯存儲器。為了向客戶宣傳DRAM的性能優(yōu)勢，英特爾開展全國范圍的營銷活動，向計算機用戶宣傳DRAM比磁芯更便宜(1比特僅需1美分)的概念。由于企業(yè)客戶出于安全考慮，不會購買獨家供貨的產(chǎn)品，必須要有可替代的第二供貨源。

　　于是英特爾選擇了加拿大的一家小公司，微系統(tǒng)國際公司(MIL)合作，授權(quán)他們用1英寸晶圓生產(chǎn)線進行生產(chǎn)，每年收取100萬美元的授權(quán)費用。C1103的用戶主要包括惠普電腦的HP9800系列，和DEC公司的PDP-11計算機，產(chǎn)量有幾十萬顆。

　　1972年，憑借1K DRAM取得的巨大成功，英特爾已經(jīng)成為一家擁有1000名員工，年收入超過2300萬美元的產(chǎn)業(yè)新貴。C1103也被業(yè)界稱為磁芯存儲器殺手，成為全球最暢銷的半導(dǎo)體芯片。同年IBM在新推出的S370/158大型計算機上，也開始使用DRAM內(nèi)存。到1974年，英特爾占據(jù)了全球82.9%的DRAM市場份額。

　　東京國立博物館藏品，照片左邊是1976年日本NEC研制的TK-80系統(tǒng)，采用仿制英特爾8080的兼容處理器(型號μPD8080A)，當年售價88500日元，賣了1.7萬臺。中間是英特爾為日本廠商開發(fā)的MCS-4系統(tǒng)，采用4004處理器，右側(cè)是日本Busicom電子計算器。多數(shù)人不知道，美國英特爾最早開發(fā)CPU，是為了日本人。