情懷不能當(dāng)飯吃：從美國集成電路的發(fā)展歷程看“中國芯”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)了一場全民大反思，為什么中國缺芯?其實(shí)在芯片方面，即使很多核心科學(xué)技術(shù)方面遠(yuǎn)超中國的前蘇聯(lián)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方國家。

　　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)歷了無線電技術(shù)革命，發(fā)明了電報，電話等技術(shù)。因?yàn)闊o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)中的太空競賽，推動了軍事技術(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，又催生了個人電腦的技術(shù)革命。當(dāng)個人電腦技術(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)還可以加一個移動互聯(lián)網(wǎng)的的革命。

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

　　然而這些優(yōu)勢都是建立在前面幾場技術(shù)革命基礎(chǔ)上的，如果今天美國及其盟國，對中國進(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)橹袊鴽]有扎實(shí)地走過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有拿得出手的產(chǎn)品。聯(lián)想是個典型的例子。

　　2、大量依賴于集成電路的產(chǎn)品都無法順利研發(fā)與生產(chǎn)。因?yàn)橹袊鴽]有扎實(shí)走過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)動機(jī)的問題，那還要補(bǔ)機(jī)械，材料，數(shù)學(xué)，力學(xué)的課。

　　如果缺課后沒有認(rèn)真補(bǔ)課，那么期末考試的時候都要還會來的。

　　電子管時代

　　1883年，愛迪生正在為尋找電燈泡最佳燈絲材料，曾做過一個小小的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果，他發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象：金屬片雖然沒有與燈絲接觸，但如果在它們之間加上電壓，燈絲就會產(chǎn)生一股電流，射向附近的金屬片。

　　愛迪生效應(yīng)

　　這股神秘的電流是從哪里來的?愛迪生也無法解釋，但這不妨礙他不失時機(jī)地將這一發(fā)明注冊了專利，并稱之為“愛迪生效應(yīng)”。

　　雖然后來，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)見到這一效應(yīng)具有實(shí)用價值的，則是英國物理學(xué)家和電氣工程師弗萊明(Sir John Ambrose Fleming)。

　　1904年弗萊明利用愛迪生效應(yīng)搞出來的第一個二極管(Diode)，并獲得了專利。這個二極管干可以用來做無線電電報的檢波器。二極管這個東西在實(shí)驗(yàn)室中很好，但是一到實(shí)際應(yīng)用場合就不很穩(wěn)定。

　　1906年美國發(fā)明家，Lee de Forest (這個人故事很多)在二極管的燈絲之間巧妙加了一個柵板，從而發(fā)明了第一個真空電子三極管. (grid Audion) 用于檢波放大。我估計(jì)Lee打死也沒有想到他這個發(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，美國通用電氣公司和美國電話電報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，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15萬美元的預(yù)算后，速度成為第一訴求，繼電器在收到信號后因?yàn)橛邪俜种幻胙訒r而拖慢計(jì)算速度注定要被拋棄。真空三極管無機(jī)械結(jié)構(gòu)，讓計(jì)算機(jī)可以快速的通過控制柵極電流，來開啟或關(guān)斷電子管兩端的電流，獲得比繼電器速度快成千上萬倍的開關(guān)速度。這對于提升當(dāng)時計(jì)算機(jī)的速度大有好處。正因?yàn)檫@樣的優(yōu)勢，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。

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

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

　　晶體管時代

　　二戰(zhàn)結(jié)束后，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室成立了一個固體物理研究小組，他們試圖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。

　　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年獲得第一個專利“電子倍增放大器”。

　　1939年他還設(shè)計(jì)了第一個場效應(yīng)管，盡管當(dāng)時這個器件沒有被制造出來，但是這個模型在集成電路中廣泛使用。

　　貝爾實(shí)驗(yàn)室就對半導(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)鍺塊上的兩個接觸點(diǎn)越來越近時，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)室申請專利的時候，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，但是最后專利上沒有他的名字。他一生氣，自己關(guān)了一個月后，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是晶體管之父。

　　肖克利的天才讓他靠這個成果，贏得了諾貝爾獎。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，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)。