技术颠覆何以可能—以半导体为例

张九庆

    英文“Disruptive technology”，温和的译法是“破坏性技术”，激进的译法是“颠覆性技术”。

1 从商业概念到政策概念

   我宁愿相信，欧美学者可能更喜欢“破坏性技术”这一译法。

破坏性技术原本是作为一个指导大企业技术变革并赢得商业价值的学术术语。克莱顿·克里斯坦森在“创新者的窘境”中写道，大多数新技术都会推动产品性能的改善，这些技术被称为“延续性技术”。延续性技术很少导致领先企业失败，而破坏性技术因为短期内会导致产品性能降低，使得领先企业失败。从商业价值来看，破坏性技术产品的性能低于主流市场的成熟产品，它拥有的是被边缘用户看好的其他特性。基于破坏性技术生产出价格更低、性能更简单、体积更小的产品，把原本只有在高端市场才能买到产品发展成为为低端市场需要的产品，原来的领先企业未能及时调整战略而失败。

在中国，颠覆性技术这一译法似乎更能得到青睐，并且已经超出了指导大企业技术变革赢得商业价值的这一范畴。培育、发现颠覆性技术正在成为政府科技政策的目标。在这种意义上，颠覆性技术与过去一段时间里的关键技术、未来技术、高新技术、新兴产业技术、战略前沿技术应该是同义词。

人们对颠覆性技术的理解也不尽相同。我在2016年第1期《中国科技论坛》的卷首语“颠覆性技术与‘阿喀琉斯之踵’”中认为，颠覆性技术是与其他强大技术比赛后获胜的产物，如同两个人打架，颠覆者必须拥有致命绝技，才能把他的对手打倒。燃油汽车在人口密集性城市的痛点是技术难以克服的尾气排放，而电动汽车能解决这个痛点，因此在商业上会成为燃油汽车的颠覆者。但在大型城市之外，电动汽车要颠覆燃油车，需要更长的时日。

我更要强调的是，与其过分强调颠覆性技术本身的特征，不如探讨颠覆性技术产生和发挥作用的基础和环境。通过研读半导体技术的历史，可以发现，颠覆性技术的出现和发展，与特定时期的半导体基础科学发现、技术研发参与的各个主体、技术创新生态体系、新技术产品市场以及政府行为都密切相关。

以基础科学与技术创新的关联为例，诺贝尔奖代表了社会对半导体领域科技贡献的最高认同：

1956年，肖克利、巴丁、布拉顿：晶体管发明；

1973年，江崎於奈、贾沃森：半导体/超导隧道效应；

1977年，莫特、安德森：非晶态半导体理论；

1985年，克利青：整数量子效应；

1998年，劳克林、斯托默、崔琦：分数量子霍尔效应；

2000年，阿尔费罗夫、克勒默、基尔比：异质结半导体与集成电路；

2009年，高锟、博伊尔、史密斯：光纤与半导体成像（CCD）技术；

2014年，赤崎勇、天野浩、中村修二：蓝光二极管。

2  晶体管技术如何颠覆

我们可以把半导体产业发展按颠覆性技术分为几个阶段。晶体管相对于电子管是一种颠覆，集成电路对于晶体管是一种颠覆，微处理器对于集成电路是一种颠覆，未来的新型超微型半导体对微处理器也会是一种颠覆。

电子管的缺陷是体积大，能耗高，放大倍数小，尤其在二次世界大战中雷达使用的电子管，因为笨重、易碎、效果不稳定，使得军事部门寻求替代品的积极性特高。但是早期的晶体管性能也不稳定，生产成果更高，晶体管要颠覆电子管也不是容易的事。

早期的电子管计算机

有的时候，人们会把某一段历史简化成某个瞬间—灵感袭来，把某个瞬间的关键人物放大定格，所有荣誉归于那个瞬间、关键人物—英雄问世。这些可以称之为“创新创业的神话”。晶体管技术的发明就是一个例子。晶体管的发明往往聚焦于贝尔实验室的三位科学家肖克利、巴丁和布拉顿在1947年12月制造出锗点接触晶体管的那一天。很多人会简单地认为，就在这一天，晶体管完成了对电子管的颠覆。

晶体管三剑客：肖克利（前坐），布拉顿（后右），巴丁（后左）。值得指出的是，第一个点接触型晶体管专利上没有肖克利的名字（见我的博文“向肖克利同志学习”。）

事实上，在这前后的一段时间里，晶体管技术逐渐成长为颠覆性技术的，与当时的基础科学特别是量子力学、电子管技术建立起来的技术储备、晶体管技术自身的进化、军事需要的市场、创新生态环境以及政府的技术扩散政策等综合作用的结果。

晶体管的发明得益于半导体科学理论的发展，半导体科学理论又得益于电子的发现、量子力学的发展以及在此基础上逐渐建立起来的固体物理理论。例如，1834年，法拉第发现了某些材料的电阻能随着温度的上升反而下降；1879年，霍尔发现了某些材料垂直于磁场放置会出现横向电压的霍尔效应；1931年，威尔逊利用能带理论给半导体下了一个明确的定义，来区分导体、半导体和绝缘体；1932年，塔姆提出了半导体表面势垒的概念；1933年和1939年，肖特基发表文章阐述了金属—半导体接触理论。肖克利是MIT的固体物理学博士，1936年加盟贝尔实验室；巴丁是普林斯顿大学的固体物理学博士，1945年加盟贝尔实验室；布拉顿是明尼苏达大学的博士，1929年加盟贝尔实验室，他们都掌握着整流二极管的系统理论等固体物理学和半导体物理的前沿知识。

从技术的储备来看，1883年爱迪生发明了真空管，1904年弗莱明发明了二极管，1906年弗雷斯特发明三极管并在贝尔实验室完善，运用半导体整流功能的猫须探测器在二次世界大战中得到了新生，锗晶体、硅晶体等纯晶体制备技术逐渐完备。对晶体管而言，需要极其纯净和结构完美的单晶样品，来确保它具有三种性能：基本材料的掺杂浓度低、注入的少数载流子的漂移迁移率要高，寿命要长。贝尔实验室在1940年代采用垂直冷却法提纯，在1950年代发展了两种新的晶体提纯技术—逐区精炼法和拉晶法。

从创新生态来看，美国的研究从大学衍生到了企业，一大批科学家进入企业研究机构。企业研究机构从1890年开始大幅度增加，1890年只有4个，1900年大约50个，到1930年，企业研究所数量已超过1000个。1925年，贝尔实验室的雇员人数已经达到了3600人，比当时最大的通用电气公司实验的人数还多约2000人，1925年年度预算为1200万美元。其中，从事基础研究的人员和费用都约占总人员和总费用费的百分之十。1945年夏天，贝尔实验室研究部负责人凯利实施了固体物理学研究；1946年1月，三人核心研究小组建立，肖克利很早就提出过场效应的设想，巴丁提出了表面态理论，布拉顿则是实验大师。

从技术本身的进化来看，锗点接触性晶体只是为晶体管技术发明打开了一扇窗，贝尔实验室、通用电气、得州仪器和仙童公司的晶体管技术逐渐完善，使得晶体管逐渐商业化、产业化。

*批量化生产的晶体管

**真正开始取得商业化成功的晶体管。

***导致了集成电路的出现。

从用户和市场需求来看，在电子管和晶体管的使用中，联邦政府通过国防采购对创新的资源配置施加了决定性的影响。第一次世界大战，使得电子管在战场上得到大规模应用；第二次世界大战，暴露了电子管的最大缺陷：体积太大，容易破损。美国电报电话公司需要数量需求庞大的机械类继电器、中继器，电网维护的复杂性以及较低的可靠性呼唤新的电子技术。大型计算机的出现，对小型元器件的需求更加旺盛。1955年，用于国防的半导体产量平均占总产量的38%，1960年军品用量高达总产量的48%。随着民用品市场的打开，军品用量的比例开始下降。1968年，军品用量的比例仍然达到25%。

从政府的技术扩散政策来看，为了应付美国司法部的反托拉斯压力，行业主导企业实行了自由交叉特许权，这进一步扩大了新创业企业的机会。1949年，贝尔实验室研制出晶体管，美国政府对AT&T提起了反托拉斯的诉讼。为了转移对其市场垄断地位的批评，AT&T放手发放其关键半导体专利的使用许可，并且还向其他企业传授了它所积累的有关产品知识。1956年诉讼结束，AT&T签署一份许可状，同意国内任何一家对其现有专利感兴趣的企业可以获得这些专利的使用许可。它可以要求交叉特许权来换取使用其专利的权利，但被禁止收取特许权使用费。第二大半导体专利拥有者美国无线公司RCA同样受到了反托拉斯法的制裁。日本成为AT&T技术和RCA技术转让海外市场的最大受益者。

从风险资本的作用来看，美国的风险资本是从1946年专门向新的风险企业提供资助的美国研究和发展基金（ARD）开始的。1951年，斯坦福大学的特曼开始推动科研人员创业，建立了高校工业园区，特曼也被称为“硅谷之父”。1956年，肖克利离开贝尔实验室，来到硅谷成立自己的公司肖克利晶体管实验室，招揽20多岁的年轻人加盟，其中最著名的诺伊斯和摩尔。1957年，8位年轻人离开肖克利，在风险投资家洛克的帮助下，得到费尔柴尔德的投资，成立仙童半导体公司。1958年美国颁布实施了《小企业投资法案》，允许美国小企业管理局发执照给私营小企业投资公司，资助和管理小企业创业。

3 半导体领域的颠覆性技术

在半导体技术的历史上，集成电路颠覆晶体管技术、后来的微处理技术颠覆集成电路技术，都可以找到类似的综合系统和环境。无论从专利数量还是从市场份额来看，半导体技术和产业的成长都要经过很长一段时间。

专利数增长情况

来源：2015 World Intellectual Property Report：Breakthrough Innovation and Economic Growth

销售额变化（10亿美元）    

4 结束语  

   在这里，我总结一下自己对颠覆性技术的基本认识：颠覆性技

术是根据企业发展和商业价值进行的事后诸葛亮的判断结果，是通过这种技术产品的特有性能与延续性技术进行比较后辨识出来的；颠覆性技术一方要在关键性能上能给它的对手以致命一击，颠覆性技术战胜延续性技术需要很长一段时间；很少有政府会做出特别发展颠覆性技术的技术政策和产业政策，如果说有的话这样的技术政策和产业政策也是发展高新技术及其产业的普遍性政策。

更为重要的是，政府或者企业与其特别关注颠覆性技术，不如去创造新技术成长的综合系统，包括大力投资基础科学、提高产品制造的工艺水平、完善新技术产品的政府采购制度和技术扩散制度、营造技术创新生态系统，等等。

备注：本文是笔者在“赛创论坛：颠覆性技术的变革驱动”研讨会上发言的文字稿。