情懷不能當(dāng)飯吃：從美國(guó)集成電路的發(fā)展歷程看“中國(guó)芯”的困境

　　芯片技術(shù)并不是外星科技，而是人類科技發(fā)展到一定程度，智慧的高度結(jié)晶，每一次進(jìn)步都有它的內(nèi)在邏輯。今年中興斷芯的危機(jī)，引發(fā)了一場(chǎng)全民大反思，為什么中國(guó)缺芯?其實(shí)在芯片方面，即使很多核心科學(xué)技術(shù)方面遠(yuǎn)超中國(guó)的前蘇聯(lián)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方國(guó)家。

　　20世紀(jì)的科技革命

　　首先，我們回顧一下20世紀(jì)發(fā)生的技術(shù)革命：

　　20世紀(jì)人類首先經(jīng)歷了無(wú)線電技術(shù)革命，發(fā)明了電報(bào)，電話等技術(shù)。因?yàn)闊o(wú)線電技術(shù)的廣泛使用，又催生了真空電子管技術(shù)。第二次世界大戰(zhàn)，冷戰(zhàn)中的太空競(jìng)賽，推動(dòng)了軍事技術(shù)的革命。軍事技術(shù)的革命，催生了集成電路產(chǎn)業(yè)革命。由于芯片技術(shù)的成熟，又催生了個(gè)人電腦的技術(shù)革命。當(dāng)個(gè)人電腦技術(shù)革命完成之后，又催生了互聯(lián)網(wǎng)的革命。進(jìn)入二十一世紀(jì)，其實(shí)還可以加一個(gè)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的的革命。

　　每次技術(shù)革命浪潮，都是以前面的一個(gè)技術(shù)革命為基礎(chǔ)。由于中國(guó)的歷史原因，幾乎錯(cuò)過(guò)了所有的技術(shù)革命，只抓住了互聯(lián)網(wǎng)革命的尾巴，并在此基礎(chǔ)上快速抓住了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)革命，一下子走在了世界前列。

　　然而這些優(yōu)勢(shì)都是建立在前面幾場(chǎng)技術(shù)革命基礎(chǔ)上的，如果今天美國(guó)及其盟國(guó)，對(duì)中國(guó)進(jìn)行最嚴(yán)格的禁運(yùn)：

　　1、大部分的PC技術(shù)革命的成果不復(fù)存在。因?yàn)橹袊?guó)沒(méi)有扎實(shí)地走過(guò)PC革命這一步，從硬件到操作系統(tǒng)，從行業(yè)軟件到通用軟件都沒(méi)有拿得出手的產(chǎn)品。聯(lián)想是個(gè)典型的例子。

　　2、大量依賴于集成電路的產(chǎn)品都無(wú)法順利研發(fā)與生產(chǎn)。因?yàn)橹袊?guó)沒(méi)有扎實(shí)走過(guò)集成電路革命這一步，即便是落后的生產(chǎn)線，也是依賴于進(jìn)口設(shè)備。

　　如果談航空發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)題，那還要補(bǔ)機(jī)械，材料，數(shù)學(xué)，力學(xué)的課。

　　如果缺課后沒(méi)有認(rèn)真補(bǔ)課，那么期末考試的時(shí)候都要還會(huì)來(lái)的。

　　電子管時(shí)代

　　1883年，愛(ài)迪生正在為尋找電燈泡最佳燈絲材料，曾做過(guò)一個(gè)小小的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果，他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：金屬片雖然沒(méi)有與燈絲接觸，但如果在它們之間加上電壓，燈絲就會(huì)產(chǎn)生一股電流，射向附近的金屬片。

　　愛(ài)迪生效應(yīng)

　　這股神秘的電流是從哪里來(lái)的?愛(ài)迪生也無(wú)法解釋，但這不妨礙他不失時(shí)機(jī)地將這一發(fā)明注冊(cè)了專利，并稱之為“愛(ài)迪生效應(yīng)”。

　　雖然后來(lái)，有人證明電流的產(chǎn)生是因?yàn)闊霟岬慕饘倌芟蛑車l(fā)射電子造成的。但最先預(yù)見(jiàn)到這一效應(yīng)具有實(shí)用價(jià)值的，則是英國(guó)物理學(xué)家和電氣工程師弗萊明(Sir John Ambrose Fleming)。

　　1904年弗萊明利用愛(ài)迪生效應(yīng)搞出來(lái)的第一個(gè)二極管(Diode)，并獲得了專利。這個(gè)二極管干可以用來(lái)做無(wú)線電電報(bào)的檢波器。二極管這個(gè)東西在實(shí)驗(yàn)室中很好，但是一到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合就不很穩(wěn)定。

　　1906年美國(guó)發(fā)明家，Lee de Forest (這個(gè)人故事很多)在二極管的燈絲之間巧妙加了一個(gè)柵板，從而發(fā)明了第一個(gè)真空電子三極管. (grid Audion) 用于檢波放大。我估計(jì)Lee打死也沒(méi)有想到他這個(gè)發(fā)明的意義。

　　但是早期的真空三極管真空度不高，導(dǎo)致性能不穩(wěn)定。

　　1912年，美國(guó)通用電氣公司和美國(guó)電話電報(bào)公司合作研制出了高真空電子三極管，電子三極管的應(yīng)用進(jìn)入快車道。 這是具有劃時(shí)代意義的產(chǎn)品，直接創(chuàng)造出了廣播，電視，計(jì)算機(jī)等行業(yè)，是今天電子產(chǎn)品的奠基石。

　　1943年，當(dāng)二戰(zhàn)激戰(zhàn)正酣時(shí)，美軍迫切需要高速計(jì)算工具，以計(jì)算炮彈的彈道。在迅速獲得15萬(wàn)美元的預(yù)算后，速度成為第一訴求，繼電器在收到信號(hào)后因?yàn)橛邪俜种幻胙訒r(shí)而拖慢計(jì)算速度注定要被拋棄。真空三極管無(wú)機(jī)械結(jié)構(gòu)，讓計(jì)算機(jī)可以快速的通過(guò)控制柵極電流，來(lái)開(kāi)啟或關(guān)斷電子管兩端的電流，獲得比繼電器速度快成千上萬(wàn)倍的開(kāi)關(guān)速度。這對(duì)于提升當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的速度大有好處。正因?yàn)檫@樣的優(yōu)勢(shì)，讓電子管擊敗繼電器，成為早期計(jì)算機(jī)的核心運(yùn)算部件。

　　第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)用了 ：17468個(gè)電子三極管、7200個(gè)電子二極管。

　　電子管比繼電器的優(yōu)點(diǎn)，快，顯而易見(jiàn)。但是在制造ENIAC的過(guò)程中電子管的問(wèn)題也暴露出來(lái)了，傻大笨粗。 ENIAC總重達(dá)30噸!

　　晶體管時(shí)代

　　二戰(zhàn)結(jié)束后，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成立了一個(gè)固體物理研究小組，他們?cè)噲D要制造一種能替代電子管的半導(dǎo)體器件，天才兼人渣威廉肖克利任組長(zhǎng)。

　　肖克利是一位人渣，但不妨礙他也是一位天才。此人能力很強(qiáng)，但是人品和管理非常糟糕，這也為后來(lái)肖克利實(shí)驗(yàn)室的失敗埋下了伏筆。但是此人的能力絕對(duì)一流的。

　　1936年他在導(dǎo)師Davisson的指導(dǎo)下發(fā)表了多篇固體物理論文，并于1938年獲得第一個(gè)專利“電子倍增放大器”。

　　1939年他還設(shè)計(jì)了第一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管，盡管當(dāng)時(shí)這個(gè)器件沒(méi)有被制造出來(lái)，但是這個(gè)模型在集成電路中廣泛使用。

　　貝爾實(shí)驗(yàn)室就對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)摻雜的半導(dǎo)體整流性能比電子管好。因此小組把注意力放在了鍺和硅這兩種半導(dǎo)體材料上。在肖克利的領(lǐng)導(dǎo)下，他們嘗試、失敗、再嘗試、再失敗。

　　1947年12月15日，這種實(shí)驗(yàn)結(jié)出了碩果：他們用刀片在三角形金箔上劃出了兩道極細(xì)的縫隙，然后兩邊分別接上導(dǎo)線，用彈簧將其壓進(jìn)鍺塊表面。這是一個(gè)由鍺、電池、金線、彈簧、紙板、組成的小裝置。連好線后，當(dāng)鍺塊上的兩個(gè)接觸點(diǎn)越來(lái)越近時(shí)，他們觀察到了電壓放大作用：1.3v電壓被放大了15倍!

　　在貝爾實(shí)驗(yàn)室申請(qǐng)專利的時(shí)候，專利律師認(rèn)為，肖克利的一項(xiàng)專利與新發(fā)明的專利之間有沖突，所以沒(méi)把他加上。

　　肖克利火了，晶體管的誕生是基于他的理論，晶體管的研究他也直接參與了，但是最后專利上沒(méi)有他的名字。他一生氣，自己關(guān)了一個(gè)月后，在1948年1月23日，提出了更為先進(jìn)可行的結(jié)晶型晶體三極管構(gòu)想(Junction transistor)。

　　1950年11月，第一只結(jié)晶型三極管研制成功。這是今天所有集成電路的鼻祖。同時(shí)他還出版了一本書，詳細(xì)闡述了結(jié)晶型半導(dǎo)體器件的理論和原理。讓所有人都知道到底誰(shuí)是晶體管之父。

　　肖克利的天才讓他靠這個(gè)成果，贏得了諾貝爾獎(jiǎng)。但是他的人渣特性，也讓貝爾實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)團(tuán)隊(duì)遭受重大挫折。但這不妨礙，晶體管開(kāi)始逐漸替代電子管。最直接的產(chǎn)品就是收音機(jī)。

　　而相比較的是中國(guó)，在1960年代還在大規(guī)模生產(chǎn)電子管的收音機(jī)，很晚才大規(guī)模生產(chǎn)出晶體管收音機(jī)。