真空管這50年的旅程，竟和摩爾定律意外重疊

　　真空管的改進(jìn)不在于小型化，而在于功率密度的提升。

　　自1971年第一個(gè)微處理器問世以來，已經(jīng)走過了四十八個(gè)年頭。在這段時(shí)間里，可以塞進(jìn)芯片內(nèi)的電子元件的數(shù)量增加了整整七個(gè)數(shù)量級(jí)，這種提升速度相當(dāng)于晶體管數(shù)量每隔兩年翻一番。

　　你可能認(rèn)為，只有半導(dǎo)體芯片的晶體管密度保持了這樣神奇的改進(jìn)記錄，其實(shí)，真空管電子器件的性能改進(jìn)也同樣驚人，只是它改進(jìn)的關(guān)鍵指標(biāo)和半導(dǎo)體器件有所不同罷了。

　　二極管是真空管最簡(jiǎn)單的形式，它是由約翰·A·弗萊明于1904年發(fā)明的。短短三年之后，電子管之父李德弗雷斯特發(fā)明了三極管，到了二十世紀(jì)二十年代，他又發(fā)明了四極管和五極管。這些“網(wǎng)格”形式的電子管使用網(wǎng)格中的電壓從一個(gè)電子源中調(diào)制出電流。對(duì)磁控管-另一種通過磁場(chǎng)擠壓電子產(chǎn)生微波的真空管-的研究催生了1935年在該領(lǐng)域的頭號(hào)專利，并促成了英國在1940年首次進(jìn)行的雷達(dá)部署。首先應(yīng)用在雷達(dá)中，后來在衛(wèi)星通信和高能物理領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用的速調(diào)管在1937年申請(qǐng)了專利，之后，到了二十世紀(jì)六十年代中期，蘇聯(lián)首次發(fā)明了微波，它可以產(chǎn)生毫米波功率，用于加熱材料和等離子體。

　　這幾代真空管的功率密度取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，它表述的是通過器件傳輸?shù)淖畲蠊β实母拍?，最大傳輸功率和電路橫截面積成正比，和工作頻率成反比。1960年，時(shí)任RCA微波研究實(shí)驗(yàn)室主任一職的Leon Nergaard提出，將平均功率密度作為比較真空管不同代際器件性能增長(zhǎng)的品質(zhì)因數(shù)。四十年后，Victor L. Granatstein、Robert K. Parker和Carter M. Armstrong在1999年5月的IEEE會(huì)議論文中估計(jì)功率密度已經(jīng)達(dá)到兆瓦和千兆赫乘積的數(shù)量級(jí)。

　　這些研究人員展示了真空管的數(shù)次連續(xù)創(chuàng)新浪潮：早期真空管的功率密度很快被磁控管的功率密度所超越，然后又被速調(diào)管的功率密度超過，最后，在二十世紀(jì)七十年代，它們又被回旋振蕩器和自由電子激光器的功率密度革了命。每一代器件家族都遵循了正常的生長(zhǎng)消亡曲線，即它們都在遷移到下一代產(chǎn)品之前達(dá)到了其物理極限。

　　從二十世紀(jì)三十年代中期到六十年代后期，網(wǎng)格形式真空管(三極管和更高極管)的最大功率密度增加了四個(gè)數(shù)量級(jí)。在同樣一段時(shí)期內(nèi)，腔體磁控管和交叉場(chǎng)放大器的功率密度提高了五個(gè)數(shù)量級(jí)。在1944年到1974年之間，速調(diào)管的最大功率密度增加了六個(gè)數(shù)量級(jí)。二十世紀(jì)六十年代到2000年之間，微波和自由電子激光器的最大功率密度指標(biāo)也取得了同樣的進(jìn)步。

　　如果在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上繪制真空管器件的整個(gè)生長(zhǎng)曲線序列，則可以發(fā)現(xiàn)，曲線的包絡(luò)形成一條直線，大概每十年增加近1.5個(gè)數(shù)量級(jí)。我初次看到這張圖表時(shí)，馬上意識(shí)到真空管功率密度的上升速度非常接近于摩爾定律所指出的增長(zhǎng)率，并且通過一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算證實(shí)了這個(gè)速度判斷。在1935年到2000年之間，這條直線包絡(luò)線的年復(fù)合平均上升幅度表明，真空電子管器件的最大功率密度的年度增長(zhǎng)率正好幾乎相當(dāng)于35% - 基本上與1965年后半導(dǎo)體芯片上晶體管密度的年復(fù)合平均增長(zhǎng)率相同。

　　需要指出的是，真空管和集成電路的增長(zhǎng)包絡(luò)線反映的是不同的品質(zhì)因數(shù)。不過，值得注意的是，真空管在功率密度上的改進(jìn)速度和集成電路在晶體管密度上的提升速度一樣快，這種規(guī)律早在1965年戈登·摩爾以摩爾定律的形式針對(duì)集成電路定義下來之前就一直在發(fā)揮著作用了。