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年第一個微處理器問世以來，已經(jīng)走過了四十八個年頭。在這段時間里，可以塞進(jìn)芯片內(nèi)的電子元件的數(shù)量增加了整整七個數(shù)量級，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，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)格中的電壓從一個電子源中調(diào)制出電流。對磁控管-另一種通過磁場擠壓電子產(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，時任RCA微波研究實驗室主任一職的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會議論文中估計功率密度已經(jīng)達(dá)到兆瓦和千兆赫乘積的數(shù)量級。

　　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數(shù)量級。在同樣一段時期內(nèi)，腔體磁控管和交叉場放大器的功率密度提高了五個數(shù)量級。在1944年到1974年之間，速調(diào)管的最大功率密度增加了六個數(shù)量級。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。

　　如果在半對數(shù)坐標(biāo)圖上繪制真空管器件的整個生長曲線序列，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個數(shù)量級。我初次看到這張圖表時，馬上意識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率，并且通過一個簡單的計算證實了這個速度判斷。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)合平均增長率相同。

　　需要指出的是，真空管和集成電路的增長包絡(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集成電路定義下來之前就一直在發(fā)揮著作用了。