重溫半導體飛速發展的半個世紀


  1. 什麼是半導體?

半導體是導電性介於導體和絕緣體中間的一類物質。與導體和絕緣體相比,半導體材料的發現是最晚的,直到20世紀30年代,當材料的提純技術改進以後,半導體的存在才真正被學術界認可。

半導體主要由四個組成部分組成:集成電路,光電器件,分立器件,感測器,由於集成電路又佔了器件80%以上的份額,因此通常將半導體和集成電路等價。集成電路按照產品種類又主要分為四大類:微處理器,存儲器,邏輯器件,模擬器件。通常我們統稱他們為晶元。

提起晶元,很多人可能見過,就是一塊黑色類似於小盒子的東西,它是由晶體管組成的。

什麼是晶體管呢?

嚴格意義上講,晶體管泛指一切以半導體材料為基礎的單一元件,包括各種半導體材料製成的二極體、三極體、場效應管、可控硅等。晶體管有時多指晶體三極體。

所以我們可以知道:由半導體材料製造出了晶體管,由晶體管組成了晶元。


2. 晶體管的誕生

晶體管的發明,最早可以追溯到1929年,當時工程師利蓮費爾德就已經取得一種晶體管的專利。但是,限於當時的技術水平,製造晶體管的材料達不到足夠的純度,而使其無法製造出來。

1947年12月,美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組,研製出一種點接觸型的鍺晶體管。1956年,肖克利、巴丁、布拉頓三人,因發明晶體管同時榮獲諾貝爾物理學獎。肖克利也被譽為晶體管之父。

晶元有如此強大的功能,為什麼晶體管可以勝任呢?

我們知道,對於數字電路來講,邏輯是其精髓所在,所有的功能歸根結底,都可以說是邏輯功能。而邏輯的基本構成元素是邏輯0和邏輯1。

而晶體管恰好具備這種功能--通過電信號來控制自身開合,以開關的斷開和閉合來代表0和1。


3. 歷史中的八卦

當然,一味的講原理或者講歷史就沒意思了,我們來挖掘半導體發展過程中的八卦。

前面有提到過,被譽為「晶體管之父」的肖克利,出生於倫敦,三歲時隨父母漂洋過海來到加州。受父母對他科學思想的灌輸,考入MIT,隨後獲得固體物理學博士,留校任教。後來,被位於新澤西州的貝爾實驗室副主任凱利來麻省「挖牆角」,將肖克利挖走了。當晶體管發明成功後,肖克利並不滿足,他依然進行著不斷地嘗試,希望發明性能更好的晶體管,並將其商品化。

與此同時,高純硅的工業提煉技術已成熟,用硅晶片生產的晶體管收音機也問世。在貝爾實驗室工作的肖克利坐不住了,他看到了未來的商機,而現在只能看著貝爾實驗室拿他的發明賺錢,並且晶體管的性能不穩定,有損個人聲譽。

最後,矛盾爆發了!當然最終還是因為利益。

矽谷誕生

1955年,肖克利回到了自己的家鄉聖克拉拉(Santa Clara)谷,並得到了貝克曼的支持,創辦了自己的公司。

聖克拉拉位於舊金山灣區南部,與聖何塞(San Jose)[4] 、森尼韋爾(Sunnyvale)。地理位置優越環境優美;氣候清新宜人;交通便利。從此,這一片狹長的山谷舉世聞名。

肖克利在創辦了自己的公司後,依靠自身的威望,很快招到了一批學識淵博,技術過硬的人才。此時,我們彷彿看到一家半導體商業巨頭正要崛起,屹立於世界之巔,但是,總有意外發生。

矽谷八叛將

肖克利雖然是一個聰明絕頂的天才,但卻不是一個好的管理者。在公司發展方向上,幾乎由他一人掌控,專橫獨裁,而且他不知道自身的缺陷,也不接受同事的合理化建議,最終導致公司在很長一段時間裡都沒有產品做出來。在同事關係上,他忽略了最重要的兩點--尊重與信任,肖克利通過各種辦法,牢牢的將技術專利掌握在自己的手中,這種自私自利的管理方式,終將會讓公司走向沒落。

1957年9月18日,以諾伊斯為首的八位年輕人憤然提出離職,肖克利得知後勃然大怒,罵其曰「八叛逆」(Traitorous Eight)。

矽谷八叛將分別為:諾依斯(N. Noyce)、摩爾(R.Moore)、布蘭克(J.Blank)、克萊爾(E.Kliner)、赫爾尼(J.Hoerni)、拉斯特(J.Last)、羅伯茨(S.Boberts)和格里尼克(V.Grinich)

傳奇的仙童

很快,這八個人就拿到了一筆風險投資,投資人是具有遠見卓識的謝爾曼 菲爾柴爾德,成立了仙童半導體(Fairchild),公司便是以投資人命名。

公司由謝爾曼 菲爾柴爾德控股,管理人為諾伊斯。在新型的管理模式下,仙童半導體快速發展,不到半年的時間裡就已經開始盈利。

與此同時,仙童的兩項發名專利,更使其立於世界的半導體之巔。其一是平面工藝--一種製造半導體電路的工藝方法,發明人為約翰·霍爾尼(Jean Hoerni)。

另一個發明專利便是集成電路。顧名思義,集成電路就是用一定的工藝,把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起,製作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上。

1958-1959年,來自仙童的羅伯特·諾伊斯(Robert Noyce)發明了硅集成電路。事實上,在早些時候,來自德州儀器的傑克·基爾比(Jack Kilby)發明了鍺集成電路。由於兩人在同一年獨立且不知情的情況下分別發明了集成電路,所以兩人共享集成電路發明者的榮譽。

現在,在我們眼裡看來,把多個電路集成到一起而減少面積是個自然而然的事情,然後這個簡單的想法,卻改變了我們的世界。很多偉大的發明,往往源自一個很簡單的想法。也許,即使沒有這兩位,依然有人會想到這個點子,但是歷史只會記住最先吃螃蟹的人。

此時的仙童半導體公司風光無限,而半導體行業在那時宛若一個巨大的金礦,任憑仙童肆意挖掘。而仙童的股權大部分都在投資人謝爾曼 菲爾柴爾德的手裡,與此同時,仙童半導體公司的利潤被不斷轉移到東海岸,去支持Fairchild攝影器材公司,此時仙童的員工開始坐不住了,開始了新一輪的離職創業潮。


4. 花開遍地

1968年,諾依斯(N. Noyce)和摩爾(R.Moore)從仙童離職後創辦了我們所熟知的英特爾(Intel),這裡的摩爾就是我們所熟知的摩爾定律的提出者。

1969年,傑里·桑德斯(J. Sanders)當時在仙童擔任銷售部的主任,帶著7位仙童員工創辦AMD。

還有許多我們所熟知的公司,比如美國國家半導體(現已被TI收購),Altera(現已被英特爾收購)等的創始人都出自仙童半導體公司。

正如江湖流傳的蘋果公司喬布斯形象比喻的那樣:「仙童半導體公司就像個成熟了的蒲公英,你一吹它,這種創業精神的種子就隨風四處飄揚了。」

隨後,英特爾, TI,三星等巨頭開始在世界的舞台大放異彩!

在處理器(CPU)領域,英特爾的發展史代表了處理器的發展史。1971年,英特爾推出了它的第一款處理器:4004,這是一款4位的處理器,僅包含2300個晶體管,現在來看,這款處理器簡直就是個小弱,但它的誕生意義重大,實現了從0到1的突破。1978年,英特爾推出了一款16位的處理器:i8086。1979年,英特爾又推出了8088,8088是第一個成功應用於個人電腦的CPU。1982到1989年,期間又陸續推出了80286,80386,80486微處理器。1993年奔騰處理器橫空出世,2005年酷睿走進大眾的視野,酷睿i3,i5,i7成為PC的主流。

英特爾,AMD主要做PC,伺服器的晶元。對於現在炙手可熱的智能手機,處理器的競爭則更為激烈。蘋果,三星,高通一直佔領著高端機的市場,國內近幾年半導體業強勢崛起,海思,展訊可謂國內的代表。


5. 展望未來

縱觀過去的半個世紀,半導體的迅猛發展為我們的科技爆炸提供了基礎。當10nm的晶元已經商用,7nm,5nm製程已經接近極限的情況下,摩爾定律似乎已經開始走向終點,半導體下一個轉折點在哪裡,我們還不能確定,但目前量子技術的發展似乎給我們指明了方向。

隨著量子通信,量子糾纏等新鮮詞語開始出現在我們的視野中,量子晶元也橫空出世,與傳統晶元用0和1進行運算處理不同,量子晶元具備多個量子位,而不是再只有0和1兩種邏輯狀態,這樣使得晶元的運算能力成指數增長,從而突破摩爾定律的限制。

回顧半導體發展的輝煌歷史,也在一定程度上代表了人類的文明史。如果說機械的發展解放了人類的勞動力,那麼半導體的發展則解放了人類的計算力。而且半導體的發展勢頭絕不會就此停歇,必將隨著科技的發展大放異彩,對我們每個人來講,未來的半導體,未來的世界,值得我們期待。

附:摩爾定律:集成電路晶元上所集成的電路的數目,每隔18個月就翻一倍。


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