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[优先权，笔记，展望] 新型数字JK触发器：“半电路、半电磁场”集成电路、“光”“电”共生集成芯片的关键判断

已有 669 次阅读 2025-1-8 22:55 |个人分类:先进的信息理论与技术|系统分类:科研笔记

壮志未酬身将死？长使咱家泪满澿。

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[优先权，笔记，展望] 新型数字JK触发器：“半电路、半电磁场”集成电路、“光”“电”共生集成芯片的关键判断

JK触发器： JK flip flop

摩尔定律： Moore's law

集成电路： integrated circuit

集成光路： optical integrated circuits

逻辑与： logical AND

逻辑或： logical OR

算数乘法： arithmetic multiplication

算数加法： arithmetic addition

肖克莱/肖克利： William Bradford Shockley, 1910-02-13 ~ 1989-08-12, 79

图1 摩尔定律在生动的真实数据中，Moore’s Law in vivid real data

https://architosh.com/wp-content/uploads/2022/01/AFR_1280px-Moores_Law_Transistor_Count_1970-2020.jpg

https://architosh.com/2022/01/chip-technology-geopolitics-and-the-cad-industry/

核心：

（1）进入生产之前，一定要先研制出数字JK触发器这类时序芯片。不仅仅是一个基础技术，更重要的是蕴含在其中的新技术、新方法。

（2）“半电路、半电磁场”集成电路，其功耗一定低于现有的集成电路。因为它把以前当做干扰的“场”用作信号处理，而这些“场”注定消耗能量。

（3）“光”“电”共生集成芯片，如果找到合适的材料，注定低功耗、高速度。比“全集成光路”更容易高质量地生产。核心：电信号需要的金属，注定会保护脆性的光功能晶体。并且，这些金属不会像光一样苛刻地要求晶体的几何形状，对发热引起的几何形状变化不敏感。

数字JK触发器，这里泛指像数字“JK触发器”一样的，具有一定复杂性的时序功能部件。不一定非得就是JK触发器。

新型数字JK触发器：是以“运算”能力为首，而不是以“放大”能力为首的新设计。具有面积小、速度快、功耗低等优点。

一、新型数字JK触发器：“半电路、半电磁场”集成电路、“光”“电”共生集成芯片的关键判断

单纯一个“与非门”之类，尽管可以初步说明“半电路、半电磁场”集成电路、“光”“电”共生集成芯片在“量子化之前/宏观物理定律其主导作用”的潜在意义，但是，似乎不足以真正证明这两类“新思路”的生产意义。

一个像样的新型数字JK触发器，无论是采用“半电路、半电磁场”集成电路思路，还是采用“光”“电”共生集成芯片思路，真正成功之后，才可以做出进入生产阶段的判断。

目前，仍然大体处在“原始创新”的后半部。

二、历史像是一面镜子

2.1 荷兰 ASML 与 immersion

2003年ASML推出浸没式光刻J，至此ASML一举超越其他厂商，后来者居上。

https://www.sohu.com/a/745842864_121794279

2.2 1960前后的集成电路：TI 与 Intel

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1782259232661644225&wfr=spider&for=pc

但是，集成电路这个想法跟大多数人的直觉相抵触，成本高、制造困难，业界普遍不看好其应用。贝尔实验室等研究机构和公司提出了许多缜密的分析来论证集成电路的不可行性，从而“理性”地与这一重大发明失之交臂。

德州仪器公司和仙童半导体公司达成了和解，授权对方使用自己的技术，即德州仪器公司允许仙童半导体公司使用将不同元件“集成”在一起的方法，而仙童半导体公司则允许对方使用不同元件“互连”的方法。最后的诉讼结果已经不重要了，因为两家公司已向全球多家公司收取了数亿美元的使用许可费。

2.3 贝尔实验室：悲喜交加

（1）1947-12-16，点接触晶体管，只比欧洲的马塔雷（Herbert Franz Mataré, 1912-09-22 ~ 2011 09-02, 99）、韦尔克（Heinrich Welker, 1912-09-09 ~ 1981-12-25, 69）早了 7个月。

How Europe missed the transistor [J]. IEEE Spectrum, 2005, 42(11): 52 - 57.

https://ieeexplore.ieee.org/document/1526906

https://spectrum.ieee.org/how-europe-missed-the-transistor

（2）1959年前后

贝尔实验室副总裁莫顿认为，单个晶体管的良率很低，组成系统后良率更低，因此，莫顿断定由晶体管组成的大型电子系统在经济上很不划算。当大规模集成电路（简称LSI）兴起时，莫顿将其称为“大规模白痴”(Large Scale Idiot)。手握大量芯片相关核心技术（扩散法、硅提纯、光刻、硅晶体管、氧化硅层、金属淀积等）的贝尔实验室，靠着领导层的丰富“经验”与“缜密”思考而错失了这一重大发明。而这，还不是最后一次……

https://zhuanlan.zhihu.com/p/701329160

https://ieeexplore.ieee.org/document/4025617

To the dismay of Gordon and others in his division, Morton squelched efforts at Bell Labs to pursue what the semiconductor industry began calling large-scale integration, or LSI, which yielded single silicon chips containing more than 1000 components. He even derided people working on LSI as “large-scale idiots,” said one colleague.

【机器翻译】令Gordon和他所在部门的其他人沮丧的是，Morton压制了贝尔实验室追求半导体行业开始称之为大规模集成（LSI）的努力，该集成生产了包含1000多个组件的单晶硅芯片。一位同事说，他甚至嘲笑从事LSI工作的人是“大规模的白痴”。

https://ieeexplore.ieee.org/document/4025617

（3）1960年MOS场效晶体管、1967年浮栅晶体管

又一次，贝尔实验室的魔咒降临了，这里有世界上最优秀的人才、最宽松的研究氛围、最前沿的思想，然而领导层一次又一次地将这些绝妙的点子扼杀在摇篮里。上一次是MOS场效晶体管，这一次是浮栅晶体管。不幸的是，两次的发明人中都有姜大元。

https://www.eejournal.com/article/a-brief-history-of-the-mos-transistor-part-1-early-visionaries/

Using this technology, Atalla and Kahng managed to build a working MOSFET by the beginning of 1960, three decades after Lilienfeld first conceived of the device.

使用这项技术，Atalla和Kahong在1960年初成功构建了一个工作的MOSFET，这是Lilienfeld首次构思该器件的三十年后。

Kahng remained at Bell Labs for many more years. He filed for a patent on the MOSFET in 1960, which was granted in 1963. Along with colleague Simon Min Sze, Kahng developed the floating-gate MOSFET in 1967. This invention is the core storage element used in EPROMs and EEPROMs.

Kahong在贝尔实验室工作了很多年。1960年，他为MOSFET申请了专利，并于1963年获得批准。1967年，Kahong与同事Simon Min Sze一起开发了浮栅MOSFET。本发明是EPROM和EEPROM中使用的核心存储元件。

https://www.eejournal.com/article/a-brief-history-of-the-mos-transistor-part-1-early-visionaries/

这些芯片的首创之举遭到冷遇乃至遗弃，它们的发明人发不了文章、资金支持被中断、项目遭裁撤、被迫出走……他们绝不是一群诗意的科学家，而是一群失意的科学家，他们为此付出了十年甚至一生的代价。

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxNDM3NDAxMA==&mid=2654927777&idx=1&sn=932eab0a4d1d0523ce86ebb65c7d4e66&chksm=81d3ff86c5e7caec23ab1ade1f2c7081d27c165539c0ebf617b8808ce3230f52b24164fd631a&scene=27

三、以史为鉴：下决心，真的不容易

天才肖克莱（也常被翻译为“肖克利”）于 1956-02 创建了肖克利半导体实验室（Shockley Semiconductor Laboratory）。一年后的 1957-09-18，“八叛逆 Traitorous Eight”走了，肖克利的创业也就事实上失败了。1960-04，天才的肖克莱也离开了该实验室。

作为硅谷发源地的肖克利半导体实验室的地方（391 South San Antonio Road 圣安东尼奥南路391号），肖克利实验室的旧房子已经于 2015-04-03 被拆除。现在的房子是一家“国际杂货店 an international grocery store”。

大旧 shockley-semiconductormain642d64ea0668e.jpg

图2 当初的肖克利半导体实验室房子

https://arabhardware.net/storage/uploads/2023-04/shockley-semiconductormain642d64ea0668e.jpg

https://arabhardware.net/articles/gordon-moore-intel-co-founder

图3 当初的肖克利半导体实验室房子，正在拆除，2015-04-03

https://mkaz.com/silicon-valley/shockley-labs/shockley-labs-2240x1494.jpg

https://mkaz.com/silicon-valley/shockley-labs/

图4 应该是当初的肖克利半导体实验室房子

https://imgix.bustle.com/inverse/fa/9b/0b/9b/f8c8/481d/8760/068db5824824.jpeg?w=825&h=549&fit=crop&crop=faces

https://www.inverse.com/article/38621-silicon-valley-tourist-landmarks

https://community.cadence.com/cadence_blogs_8/b/breakfast-bytes/posts/the-birthplace-of-silicon-valley

On 18th September 1957, each of the eight members of the group hands in individual resignation letters. Shockley wrote in his diary: "Wed 18 Sept — Group resigns." That's it.

Fairchild 1957-59

On 19th September 1957, the group signed an agreement to form Fairchild Semiconductor Corporation (from now on, FSC) at 844 South Charleston Road. Jim considers this the birth certificate of Silicon Valley.

Meanwhile, the end of SSL. SSL succeeds in getting 4-layer diode production to 1000 devices per month. It has important military applications but volume is low. But Western Electric finally decides against using the device in major telephone switching, eliminating the major market. In April 1960, Beckman sells SSL for $1M, and Shockley takes a position as Professor of Engineering Science at Stanford. The business is finally formally closed in 1968.

https://community.cadence.com/cadence_blogs_8/b/breakfast-bytes/posts/the-birthplace-of-silicon-valley

滚滚长江东逝水，浪花淘尽英雄。

念天地之悠悠，独怆然而涕下！

参考资料：

[1] 宋德生. 信息革命的技术源流[M]. 成都: 四川人民出版社, 1986-04.

http://www.gass.gx.cn/html/2018/bmkk_0609/2199.html

[2] 汪波. 芯片简史[M]. 杭州:浙江教育出版社,2023

https://blog.sciencenet.cn/blog-813107-1384486.html

https://blog.sciencenet.cn/blog-813107-1384528.html

https://blog.sciencenet.cn/blog-813107-1389894.html

[3] Electronics Timeline, 20th century's greatest engineering achievements

http://www.greatachievements.org/?id=3956

[4] Greatest Engineering Achievements of the 20th Century

http://www.greatachievements.org/

[5] Computer History Museum, TIMELINES

https://computerhistory.org/

https://computerhistory.org/timelines/

[6] Computer History Museum

https://computerhistory.org/timelines/

https://www.computerhistory.org/siliconengine/

[7] Computer History Museum, Timeline of Computer History

https://computerhistory.org/timelines/

https://www.computerhistory.org/timeline/

[8] Steven Leibson, 2023-04-03, A Brief History of the MOS transistor, Part 1: Early Visionaries

https://www.eejournal.com/article/a-brief-history-of-the-mos-transistor-part-1-early-visionaries/

[9] Steven Leibson, 2023-04-05, A Brief History of the MOS transistor, Part 2: Fairchild – The Big Engine that Couldn’t

https://www.eejournal.com/article/a-brief-history-of-the-mos-transistor-part-2-fairchild-the-big-engine-that-couldnt/

[10] Steven Leibson, 2023-04-10, A Brief History of the MOS transistor, Part 3: Frank Wanlass – MOS Evangelist, Inventor of CMOS

https://www.eejournal.com/article/a-brief-history-of-the-mos-transistor-part-3-frank-wanlass-mos-evangelist-inventor-of-cmos/

[11] 1948: The European transistor invention, Herbert Mataré & Heinrich Welker independently create a germanium point-contact transistor in france. Computer History Museum

https://www.computerhistory.org/siliconengine/the-european-transistor-invention/

[12] Michael Riordan. How Europe missed the transistor [J]. IEEE Spectrum, 2005, 42(11): 52 - 57.

doi: 10.1109/MSPEC.2005.1526906

https://ieeexplore.ieee.org/document/1526906

https://spectrum.ieee.org/how-europe-missed-the-transistor

[13] Michael Riordan. How Bell Labs Missed the Microchip, The man who pioneered the transistor never appreciated its full [J]. IEEE Spectrum, 2007, 44(12): 51-56.

doi: 10.1109/MSPEC.2006.253406

https://ieeexplore.ieee.org/document/4025617

前期贴出的《科学智慧火花》：

[1] 2024-01-09，用“压电效应”做数学运算

https://idea.cas.cn/zhhh/gcjskxygjs/gcjskxygjs_dzyxx/info/2024/525372.html

[2] 2023-12-04，用光做“算术加法”和“逻辑与”运算

https://idea.cas.cn/zhhh/gcjskxygjs/gcjskxygjs_dzyxx/info/2023/525819.html

[3] 2023-08-11，多栅极场效应管可能简化“与非门”数字逻辑电路

https://idea.cas.cn/zhhh/gcjskxygjs/gcjskxygjs_dzyxx/info/2023/525324.html

[4] 2020-10-14，建议我国进行“半电路、半电磁场”集成电路的研制

https://idea.cas.cn/zhhh/gcjskxygjs/gcjskxygjs_dzyxx/info/2020/521171.html

[5] 2019-04-06，“半电路、半电磁场”的集成电路设计构想