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硅谷简史:半导体工业之父罗伯特·诺伊斯 (一)

已有 2017 次阅读 2019-6-28 23:03 |个人分类:硅谷简史|系统分类:科普集锦| 硅谷, 肖克利, 诺伊斯, 摩尔, 洛克

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“不要让历史减慢你的步伐,走出去,去创造一个神奇的新世界。”

 

  罗伯特·诺伊斯 (Robert Noyce)

 

从十九世纪开始,科学开始给人们的生活方式带来了巨大变化。十九世纪是机械普及的时代,机械动力的标志是蒸汽机。蒸汽机起初用于推动车轮,1825年,出现了第一列大众搭乘的火车,标志着蒸汽动力进入了人们的日常生活,世界因此而变小。蒸汽动力的应用没有停止在火车上,人们曾用它来制造可思维的机器。1833年,英国数学家查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage)制造出了一台蒸汽动力计算机。尽管其运算速度为每秒一次,只能存储50个十进制的数字。但这是近代以来,计算机制造的最初尝试。

 

现代计算机的发展分理论和技术两个方面。二战后,计算机理论已完全成熟。技术也有了长足的进步,尽管真空管问题很多,但是,它大大提高了计算机的速度。

 

1950年代,肖克利(William Shockley)、巴丁(John Bardeen)、布莱顿(Walter Brattain)在贝尔试验室(Bell Lab)发明了晶体三极管(Transistor),由此产生了集成电路(Integrated Circuit),现代计算机的技术问题才真正得以解决。这些技术进步发生在二十世纪下半叶的美国,其中最关键的人物是肖克利、诺伊斯(Robert Noyce)、和基尔比(Jack Kilby)。诺伊斯发明的集成电路工艺是制造现代计算机的关键技术,诺伊斯因为发明这项技术,成了美国半导体工业的代言人,同时也得到了巨大的财富、威望和成就。诺伊斯的一生就是一个现代美国传奇。

 

西部顽童

 

1927年12月12日,诺伊斯出生于衣阿华(Iowa)州的柏林顿(Burlington)。他在兄弟四人中排行老三。父亲是基督教公理会(Congregational Church )牧师,他的外祖父、祖父也是公理会牧师。老诺伊斯整天奔忙于各个教区,他们家跟着四处迁移。诺伊斯的童年,有几年是在衣阿华州大西洋(Atlantic)镇度过的。

 

少年诺伊斯深受美国中西部小镇的独立精神影响,对大自然有着极大的好奇心。少年诺伊斯把大量时间花在他地下室的工作间里,整天在那里做实验,再把结果给父母看。

 

1940年夏,12岁的诺伊斯和14岁的哥哥盖洛德(Gaylord Brewster Noyce)作了一架滑翔机。这架滑翔机在格林纳尔(Grinnell)人心中有着传奇色彩,有人称他们曾亲眼看到诺伊斯兄弟中的一人驾驶滑翔机从格林纳尔学院(Grinnell College)的楼顶平稳滑下,从学院体育场的看台上飞下去,从诺伊斯家三楼宽大的窗户中飞出来。传说中最富戏剧性的是两兄弟说服了七岁的弟弟爬上滑翔机,然后两人驾驶汽车以最高时速牵引滑翔机起飞。

 

事实是诺伊斯和盖洛德一起参照《知识全书》(Book of Knowledge)的图解设计了滑翔机。然后,兄弟俩拿出了全部积蓄53美元购买材料做了这架滑翔机。他们得到了邻居小朋友们的帮助。一位小朋友的父亲家具店中多余的竹竿被用来搭支架。17个孩子中唯一的女孩,将被单缝到一起做机翼。完工时,它有4英尺高,翼展16英尺。滑翔机大部分是由2英尺长1英尺宽的松木板做的,没轮子没刹车。滑翔机中间有个驾驶座。起飞时要用两手抓紧框架,以最快的速度飞跑。“我们先助跑,然后跳上去体验飞行的感觉,”盖洛德回忆说,“我们从四五英尺高的土堆上往下飞,感觉真棒。”但诺伊斯还不够。他和盖洛德认为,能将滑翔机钩在邻居汽车的保险杠上,让他在街上将汽车加速至足够的速度,使滑翔机起飞。但他们不该让年仅七岁的弟弟加入进来。

 

后来,诺伊斯想从谷仓顶上飞下去。消息很快传遍了小镇,《格林纳尔信报》(Grinell Herald)派来了一名摄影记者。诺伊斯爬上谷仓的屋顶,其他人将25磅重的滑翔机递给他。他深吸一口气,从谷仓屋顶一跃而下。诺伊斯在空中飞翔了三秒钟落回地面。这一消息上了报。

 

诺伊斯曾将洗衣机引擎卸下来焊在雪橇的后部,做了一辆摩托化雪橇。格林纳尔冬天很冷,诺伊斯每天在格林纳尔的街道上送报。他给汽车前灯配了一块电池,然后提着灯给自己照明。早起的人会看到他走在每天送报的路上,肩背报纸,手里提着有些暖意的汽车前灯,十磅重的电池放在篮子里。

 

不久,诺伊斯进入了高中,毕业时成绩全校第一,考入了格林纳尔学院。

 

大学生活是美好的,多才多艺的诺伊斯如鱼得水。他主修物理、数学两门专业,并以最小的努力获得了最好的成绩。学校里的所有活动都有诺伊斯的份,他是校跳水明星,1947年获中西部运动会跳水冠军。他还演奏双簧管,在当地电台中的广播连续剧中担任角色。

 

诺伊斯非常幸运,他的老师物理系主任盖尔(Grant Gale)是晶体管发明人巴丁的同学,在大众还没有听说过晶体管的时候,盖尔教授就向巴丁要来了两只晶体管和诺伊斯研究了起来。诺伊斯是最早用晶体管做实验的人之一。诺伊斯终生感谢盖尔教授,后来他把他公司生产的每件半导体产品都收集起来,寄给盖尔教授做教学之用。

 

诺伊斯在大学里最让人津津乐道的事,不是他的学习和运动成绩,而是一次偷窃行为。一次寝室同学们要开一个南太平洋风味的宴会。菜单中缺一只烤全猪。由于囊中羞涩,诺伊斯和一名学生被委以重任:到邻近农场偷猪。两人不负重望,搞出一只25磅的乳猪,宴会大获成功。第二天早晨,酒醒之后,两人被带到警察局。没有想到,他们偷的是格林纳尔市长家的猪。

 

衣阿华是农业州,偷猪和盗马,在50年前判的是绞刑。在盖尔教授和学校的担保下,诺伊斯被免于刑事责任,但市长要求两人停学一年,以示处罚。诺伊斯经一位教授的推荐去了纽约市的一家人寿保险公司,做了一年的统计工作。这让他成了格林纳尔市最精通人寿保险的人。

 

1949年初,诺伊斯从纽约回到格林纳尔,秋天拿到了学士学位。毕业后,酷爱飞行的诺伊斯想当一名空军飞行员,结果体检时发现有色弱,无法如愿。于是他揣着奖学金,去到麻省理工学院(MIT)攻读物理。

 

物理系是麻省理工的金字招牌,此时的物理系比当年特曼(Frederick Terman)、惠烈(William Hewlett)、肖克利就读时,有了长足的进步。二战期间,因原副校长布什(Vannevar Bush)的关照,麻省理工从OSRD(Office of Scientific Research and Development)获得了价值超过1亿美元的巨额政府合同,物理系是最大得益者。物理系主任约翰·斯莱特(John Slater)引进了一流的师资及设施,使得物理教学和研究水平大幅提升。

 

来到MIT一个月后,诺伊斯参加了一次摸底考试,结果相当糟,这是他生平第一次羞于把考试成绩告诉父母。他知道在MIT,不能和在格林纳尔学院一样,靠小聪明就能轻松完成学业了。诺伊斯终于认认真真地投入到学习中去了。他师从著名实验物理学家韦恩·诺丁汉(Wayne Nottingham)学到了大量固体电子(Solid State Electronics)知识,为日后的职业生涯打下了坚实的理论与实验基础。

 

1953年,诺伊斯取得了博士学位和结婚证,论文是《绝缘体表面光电现象的研究》。一次音乐会上,参加演出的诺伊斯与化妆师伊丽莎白·贝蒂(Elizabeth Bottomley)一见钟情,一毕业,诺伊斯就与伊丽莎白结了婚。

 

生逢其时

 

诺伊斯毕业后,想做实际开发,而不是纯研究。诺伊斯转向了工业界。当时各电子公司都从物理系招学生,诺伊斯收到了贝尔实验室、IBM、RCA和飞歌(Philco)公司的邀请。他去了较小的飞歌公司。

 

位于费城的飞歌公司,刚成立了半导体研发部门,诺伊斯觉得那里工作的前程最好。他在飞歌晶体管研发部门干了三年。三年后,飞歌的晶体管还未能走出实验室,诺伊斯在飞歌取得了首个专利,但这算不了什么。随着飞歌的经营渐入困境,诺伊斯开始后悔自己当初的选择了。这时,诺伊斯接到了他一生中最重要的电话,他后来回忆到:“接到那个电话的感觉,就像是接到上帝打来的电话一样。”电话是晶体管之父肖克利打来的。

 

1955年10月,在匹兹堡(Pittsburgh)的晶体管技术会议上,肖克利被诺伊斯的研究报告打动。三个月后,肖克利给诺伊斯打来电话,请他到西海岸加入肖克利刚成立的晶体管公司。诺伊斯的哥哥在加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)执教,常听他谈起北加州的阳光和气候。晶体管之父肖克利的威望,使诺伊斯毫不犹豫,还没面试就在公司附近买下了房子。从此,诺伊斯在北加州扎下了根。

 

1956年初,肖克利半导体实验室(Shockley Semiconductor Lab)成立,生产晶体管。公司总部设在圣安东尼奥街(San Antonio Road)391号。此时的肖克利万事俱备,只缺人才。肖克利极为识人,当年在贝尔实验室就是。这次也是,他先想到的是贝尔实验室的同事,但他们深知肖克利的为人,都不来。肖克利转向了名牌大学毕业生。肖克利最初的雇员中除诺伊斯之外,还有摩尔(Gordon Moore)和其他一些顶尖的半导体人才。这些人都是顶尖大学的毕业生,但肖克利还是让他们都去做了心理测试。诺伊斯在纽约做了一天的心理和智商测验,结果说诺伊斯是壁画式的人物,毫无领导才干。肖克利对摩尔进行了用秒表计时的一对一口试。这一切在诺伊斯和摩尔眼里不但完全没有必要,而且是根本不该做。这也是离肖克利的公司几个街区外的惠普绝对不会做的事。好在肖克利没把测试结果当真。诺伊斯和摩尔顺利加盟肖克利的公司。

 

诺伊斯是除肖克利以外唯一制造过晶体管的人,加上他天生的领导才干和亲和力,很快就成了公司的技术权威和领头人了。诺伊斯风度翩翩,热情四溢,是老练为人与迷人魅力的完美结合,是人们乐于追随、信任的领导。诺伊斯灿烂的笑容,有力的握手,丰富的知识,是最适合出头露面的人。

 

诺伊斯预言晶体管将改变传统电子业市场。他说:如果电子设备由廉价的可随意装卸的元件组成的话,当电子设备老化或用坏后,人们会把它一扔了事。没人会修理或重装收音机这样的电子产品。

 

1956年底,肖克利与巴丁、布莱顿一起荣获诺了贝尔物理奖。得到这一消息的那天肖克利和公司全体员工一起举行了香槟早餐会。与诺贝尔奖获得者一起工作,并不容易。诺贝尔奖使肖克利极度膨胀。唯我独尊、傲慢专横的他容得半点不同意见。

 

一次,肖克利与公司投资人贝克曼开会研究如何控制科研成本时,肖克利大发脾气说,如果贝克曼不喜欢自己的管理方式,就一拍两散。他可以带着这些年轻人轻易找到投资人。事实上,这些年轻人没一个愿意跟他走。其中7位技术骨干:戈登·摩尔、金·霍尼、朱利亚斯·布兰克、尤金·克莱纳、杰·拉斯特、 谢尔顿·罗伯茨和维克多·格林尼许开始酝酿离开了。他们很快就说服了诺伊斯加入这七位年轻人之列,他们是硅谷早期最有名的创业团队“叛逆八人帮”。很快他们就在硅谷风险投资业的鼻祖阿瑟·洛克的帮助下成立了仙童半导体公司。

 

1957年9月18日,仙童半导体公司成立,这是美国历史上最重要的十天之一。

 

仙童半导体成立6个月后,就盈利了。一年后销售额达到50万美元,仙童半导体成功地生产出了晶体三极管。二年后,仙童集团行使期权,回购了全部股份。八人帮每人得到25万美元。在当时的美国,这是一笔巨款。“像我这样的人本以为这辈子只是上班挣工资的命,突然间,竟得到了一家新公司的股份,”诺伊斯日后说。诺伊斯从没想过除了薪水外,有机会组建一家公司。在传教士家庭长大的诺伊斯说过:“我唯一的梦想是能买两双新鞋,因为我是穿着哥哥的旧鞋子长大的。”

 

菲尔柴尔德说,他同意为八人帮投资,是受了诺伊斯的影响。他信任这位32岁的年轻人,深信他描述的晶体管开发前景将成为现实,所以62岁的他才甘冒风险。

 

这是半导体工业的拓荒期。也是群雄混战的时期,很快仙童公司凭借新技术,成为半导体工业初期的第二大公司。德州仪器公司(Texas Instruments)从贝尔实验室购得晶体管生产许可证,率先推出了第一台晶体管收音机,获得了巨大的利润。同时,德州仪器生产出了第一个硅晶体管,成为半导体工业界的龙头老大。

 

霍奇森一开始就要诺伊斯任总经理,诺伊斯推辞了,他只想当研发部经理。霍奇森委派刚从休斯公司挖过来的埃德·鲍德温(Ed Baldwin)当仙童半导体总经理,同时霍奇森把他的得力干将,仙童摄影器材的销售经理汤姆·贝(Tom Bay)派过来负责销售。汤姆·贝当过物理老师,但对晶体管一无所知。这不影响他成为一位优秀的销售员。刚一上任,他就找到了机会。

 

双扩散硅管的成功使仙童后来居上,但使仙童成为行业巨头的,不是硅管,而是20世纪工业史上最伟大的发明之一的集成电路。仙童的晶体管量产流程是这样的:先将硅晶块切割成硅片,打磨处理后,通过扩散、照相、蚀刻等一系列复杂工艺,在一块硅片上制造出上百个硅管。最后,由数百个女工坐在显微镜前,小心翼翼地切割硅片上的组件,然后用细小的镊子连接导线,封装成独立元件。再将它和其它元件连接起来,制成具有不同功能的电路板。

 

半导体产业在不断进步,但肖克利的事业很快衰败了。因为美苏的太空竞争,急于将设备小型化的制造商们很快从真空管转向了晶体管。晶体管是固态电子装置,尺寸能持续地做小,其质量因小尺寸也更好了。但很快一个难题出现了:电路中器件和连线越来越多,电脉冲走得越来越远,但不能快过光速,于是,加快电路速度的最好方法就是缩小电路尺寸。

 

1958年,霍尼发明了平面工艺,解决了晶体管的绝缘和连线问题。1959年初,诺伊斯开始思考单晶片电路问题。就是把不同元件制作在一块晶片上,然后用霍尼的平面工艺把它们连接起来。这样,就可以在一块硅片上做出一个具有完整逻辑功能的电路了。

 

1959年1月23日,诺伊斯在笔记本上记下了这个想法。他在实验笔记上写到:“把多种元件放在单一硅片上,同时用平面工艺将它们连接起来,这样可以大幅降低电路的尺寸、功耗及成本。”这是诺伊斯关于集成电路的最初设想。




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2 韩玉芬 迟延崑

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