從美國集成電路的發展歷程看的困境

2018-05-17 11:01:16 來源: 北京青年報

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昨天飯統戴老板的文章刷屏了,文章更多是從產業歷史,家國情懷,產業投資等角度敘述的。我不否認這些很重要,但從美蘇日臺韓的經驗教訓來說,靠這些根本不夠的。

本來這是我的一個系列文章:試圖回顧美國芯片技術發展的歷史,帶來一些啟發。本想等一起寫完再全部放出來的,但是現在為了“中國芯”大討論提供一些觀點,提前整理放出來一篇。

芯片技術并不是外星科技,而是人類科技發展到一定程度,智慧的高度結晶,每一次進步都有它的內在邏輯。今年中興斷芯的危機,引發了一場全民大反思,為什么中國缺芯?其實在芯片方面,即使很多核心科學技術方面遠超中國的前蘇聯也遠遠落后于西方國家。

20世紀的科技革命

首先,我們回顧一下20世紀發生的技術革命:

20世紀人類首先經歷了無線電技術革命,發明了電報,電話等技術。因為無線電技術的廣泛使用,又催生了真空電子管技術。第二次世界大戰,冷戰中的太空競賽,推動了軍事技術的革命。軍事技術的革命,催生了集成電路產業革命。由于芯片技術的成熟,又催生了個人電腦的技術革命。當個人電腦技術革命完成之后,又催生了互聯網的革命。進入二十一世紀,其實還可以加一個移動互聯網的的革命。

每次技術革命浪潮,都是以前面的一個技術革命為基礎。由于中國的歷史原因,幾乎錯過了所有的技術革命,只抓住了互聯網革命的尾巴,并在此基礎上快速抓住了移動互聯網革命,一下子走在了世界前列。

然而這些優勢都是建立在前面幾場技術革命基礎上的,如果今天美國及其盟國,對中國進行最嚴格的禁運:

大部分的PC技術革命的成果不復存在。

因為中國沒有扎實地走過PC革命這一步,從硬件到操作系統,從行業軟件到通用軟件都沒有拿得出手的產品。聯想是個典型的例子。

大量依賴于集成電路的產品都無法順利研發與生產。

因為中國沒有扎實走過集成電路革命這一步,即便是落后的生產線,也是依賴于進口設備。

如果談航空發動機的問題,那還要補機械,材料,數學,力學的課。

如果缺課后沒有認真補課,那么期末考試的時候都要還會來的。

電子管時代

1883年,愛迪生正在為尋找電燈泡最佳燈絲材料,曾做過一個小小的實驗。結果,他發現了一個奇怪的現象:金屬片雖然沒有與燈絲接觸,但如果在它們之間加上電壓,燈絲就會產生一股電流,射向附近的金屬片。

愛迪生效應

愛迪生效應

這股神秘的電流是從哪里來的?愛迪生也無法解釋,但這不妨礙他不失時機地將這一發明注冊了專利,并稱之為“愛迪生效應”。

雖然后來,有人證明電流的產生是因為熾熱的金屬能向周圍發射電子造成的。但最先預見到這一效應具有實用價值的,則是英國物理學家和電氣工程師弗萊明(Sir John Ambrose Fleming)。

1904年弗萊明利用愛迪生效應搞出來的第一個二極管(Diode),并獲得了專利。這個二極管干可以用來做無線電電報的檢波器。二極管這個東西在實驗室中很好,但是一到實際應用場合就不很穩定。

第一個二極管 1904年10月份

第一個二極管 1904年10月份

二極管專利原文

二極管專利原文

1906年美國發明家,Lee de Forest (這個人故事很多)在二極管的燈絲之間巧妙加了一個柵板,從而發明了第一個真空電子三極管。 (grid Audion) 用于檢波放大。我估計Lee打死也沒有想到他這個發明的意義。

三極管的專利原文 1907年1月提交

三極管的專利原文 1907年1月提交

但是早期的真空三極管真空度不高,導致性能不穩定。

1912年,美國通用電氣公司和美國電話電報公司合作研制出了高真空電子三極管,電子三極管的應用進入快車道。 這是具有劃時代意義的產品,直接創造出了廣播,電視,計算機等行業,是今天電子產品的奠基石。

第一臺電子計算機 ENIAC

第一臺電子計算機 ENIAC

1943年,當二戰激戰正酣時,美軍迫切需要高速計算工具,以計算炮彈的彈道。在迅速獲得15萬美元的預算后,速度成為第一訴求,繼電器在收到信號后因為有百分之一秒延時而拖慢計算速度注定要被拋棄。真空三極管無機械結構,讓計算機可以快速的通過控制柵極電流,來開啟或關斷電子管兩端的電流,獲得比繼電器速度快成千上萬倍的開關速度。這對于提升當時計算機的速度大有好處。正因為這樣的優勢,讓電子管擊敗繼電器,成為早期計算機的核心運算部件。

第一臺電子計算機用了 :17468個電子三極管、7200個電子二極管。

電子管比繼電器的優點,快,顯而易見。但是在制造ENIAC的過程中電子管的問題也暴露出來了,傻大笨粗。 ENIAC總重達30噸!

晶體管時代

二戰結束后,美國貝爾實驗室成立了一個固體物理研究小組,他們試圖要制造一種能替代電子管的半導體器件,天才兼人渣威廉肖克利任組長。

肖克利是一位人渣,但不妨礙他也是一位天才。此人能力很強,但是人品和管理非常糟糕,這也為后來肖克利實驗室的失敗埋下了伏筆。但是此人的能力絕對一流的。

1936年他在導師Davisson的指導下發表了多篇固體物理論文,并于1938年獲得第一個專利“電子倍增放大器”。

1939年他還設計了第一個場效應管,盡管當時這個器件沒有被制造出來,但是這個模型在集成電路中廣泛使用。

貝爾實驗室就對半導體材料進行了研究,發現摻雜的半導體整流性能比電子管好。因此小組把注意力放在了鍺和硅這兩種半導體材料上。在肖克利的領導下,他們嘗試、失敗、再嘗試、再失敗。

1947年12月15日,這種實驗結出了碩果:他們用刀片在三角形金箔上劃出了兩道極細的縫隙,然后兩邊分別接上導線,用彈簧將其壓進鍺塊表面。這是一個由鍺、電池、金線、彈簧、紙板、組成的小裝置。連好線后,當鍺塊上的兩個接觸點越來越近時,他們觀察到了電壓放大作用:1.3v電壓被放大了15倍!

改變歷史的第一個晶體管誕生了。

貝爾實驗室第一個點接觸式晶體管

貝爾實驗室第一個點接觸式晶體管

在貝爾實驗室申請專利的時候,專利律師認為,肖克利的一項專利與新發明的專利之間有沖突,所以沒把他加上。

肖克利火了,晶體管的誕生是基于他的理論,晶體管的研究他也直接參與了,但是最后專利上沒有他的名字。他一生氣,自己關了一個月后,在1948年1月23日,提出了更為先進可行的結晶型晶體三極管構想(Junction transistor)。

1950年11月,第一只結晶型三極管研制成功。這是今天所有集成電路的鼻祖。同時他還出版了一本書,詳細闡述了結晶型半導體器件的理論和原理。讓所有人都知道到底誰是晶體管之父。

肖克利的天才讓他靠這個成果,贏得了諾貝爾獎。但是他的人渣特性,也讓貝爾實驗室的研發團隊遭受重大挫折。但這不妨礙,晶體管開始逐漸替代電子管。最直接的產品就是收音機。

1950年代,第一代的晶體管收音機,大大降低了成本和體積

1950年代,第一代的晶體管收音機,大大降低了成本和體積

而相比較的是中國,在1960年代還在大規模生產電子管的收音機,很晚才大規模生產出晶體管收音機。

上海144電子管收音機

上海144電子管收音機

集成電路時代-從實驗室到市場

在1950年代末,美蘇進入太空競賽階段。

蘇聯早早地把人送上了太空。美國急需將各種設備小型化,需要把大量電子管的產品替換成晶體管的產品。早期的晶體管技術還是實驗室技術,離大規模生產還有一大段距離。

國內經常有一種錯覺:

我們用集中力量辦大事的模式,在實驗室搞出一個產品,就真的“填補了國內空白,達到國際先進水平”。

從實驗室到市場有非常長的路要走,也是最難走的。

晶體管之父肖克利在發明三極管后離開了貝爾實驗室,去找了一批最優秀的科學家準備產業化生產晶體管??上た死@個人相當mean,管理能力一塌糊涂。從肖克利實驗室中分裂出了大名鼎鼎的“仙童八叛將”。

仙童八叛將(3位是移民)

仙童八叛將(3位是移民)

這八個人中有一位Kleinier ,找到了負責他爸爸企業銀行業務的紐約海•登斯通投資銀行(Hayden Stone & Co。)。他們給投資銀行去了封信,附了一份投資計劃(BP)計劃書除了提到他們曾在諾貝爾獎得主及晶體管發明人手下工作過。這份計劃書,轉到了投行員工Arthur Rock的手上,他敏銳地發現了其中的機會。Rock認為他和這8個人一起成立公司,開發半導體器件。

Rock說服自己的老板Coyle一起去加州見這8個人。Kleiner說,他們計劃用硅產業化制造晶體管,如果成功,將是一場電子工業革命!

兩個銀行家被打動了,Coyle說,我沒有準備協議書,拍出10張一美元的紙幣,哥們,要入伙的,在上面簽字。仙童八叛將與兩位銀行家在1美元紙幣上簽了名字。

硅谷第一家真正意義上的由風險投資資本投資創業的半導體公司誕生了!

收藏在斯坦福圖書館的簽名版1美元紙幣

收藏在斯坦福圖書館的簽名版1美元紙幣

1957年9月18日,八個年輕人向肖克利辭職。肖克利沒想到,他這些員工居然不感恩戴德,反要辭職。肖克利大怒,稱他們為“叛逆八人幫”(traitorous eight)。肖克利創造的“叛逆八人幫”一詞,很快成了一個硅谷傳奇、一個高科技傳奇、一個美國傳奇。這種叛逆精神成了硅谷的一種全新的創業精神,影響了幾代硅谷人。

美蘇冷戰給仙童帶來了巨大的發展機會,仙童公司的銷售在報紙上得知IBM在為空軍設計導航計算機,但是找不到合適的晶體管。德州儀器的硅管沒能通過IBM測試。仙童公司迅速抓住了機會,通過大股東的關系,找到了IBM,拿到了第一張訂單 :IBM向仙童以每個150美元的價格,訂購100個硅管。半年后,仙童八叛將,將100個雙擴散NPN型晶體管交付給IBM。

這時是1958年,公司成立僅僅1年!

雖然,傳統的電子管替換成晶體管,減少了體積。但是隨著晶體管越堆越多,新的問題出現了:電路中器件和連線也越來越多,電路的布線和響應都遇到了瓶頸。唯一的出路就是縮小電路尺寸。

1958年,仙童八叛將之一的Jean Hoerni發明了平面工藝,解決了晶體管的絕緣和連線問題。技術上解決了把晶體管拍平放在同一個晶片上的問題。

1959年1月23日,仙童八叛將之一的Noyce,寫下了:如何制造集成電路問題,可以把不同的元件制作在一塊晶片上,然后用平面工藝再把各個元件連接起來。這樣,就可以在一個硅片上實現一個邏輯電路。大大減少了尺寸,布線,功耗,成本。

而與此同時1958年7月24日,德州儀器TI的Kilby在工作筆記中也寫道:

“由很多器件組成的極小的微型電路是可以在一塊晶片上制作出來的。由電阻、電容、二極管和三極管組成的電路可以被集成在一塊晶片上。”而且他在筆記中記錄了大概的工藝構思。

1958年8月28日,Kilby把他自己的設想實現了:

很快他對電路做了一些改進。在這個時間節點上很多有技術實力的公司都在沖刺集成電路。一家叫RCA的公司,準備在1959年初遞交集成電路專利。TI非常緊張,趕緊幫Kilby 準備了寬泛的專利,于2月6日交給了專利局。

而此時仙童公司也在1959年2月提交了集成電路的專利申請書,但是強調了仙童的集成電路使用平面工藝來制造集成電路的。

1959年8月仙童公司展示的第一塊商業集成電路

1959年8月仙童公司展示的第一塊商業集成電路

TI和仙童公司進入曠日長久的專利訴訟。最后的結果是,法庭將集成電路的發明權授予了TI的Kilby,內部連線技術專利授予了Noyce。相當于承認他們兩人是集成電路的共同發明人。1966年,雙方達成協議,承認對方享有部分集成電路發明專利權,其他任何生產集成電路的廠商,都要從TI和仙童取得授權。

從此人類社會進入集成電路時代,摩爾定律一步一步提高晶體管的集成度。今天隨便一個PC的CPU內部都是10億以上的晶體管。

而在集成電路這次技術革命上,中國和蘇聯已經在科技樹上走到叉道上去了。

蘇聯的芯片之痛

前蘇聯的科學家一直是非常出色的,在跟蹤了西方發展之后:

1953年,就搞出了蘇聯第一批的點接觸鍺型晶體管。

1955年,面接觸鍺型晶體管問世。

1956年,硅晶體管問世,比美國僅僅晚了6年。

但是蘇聯在科技上走的很多一些彎路是學閥造成的。最典型的例子是蘇聯生物學中李森科,極大阻礙了蘇聯的生物學發展,凡是不同意見,哪怕僅僅是學術意見不同,統統封殺。

蘇聯的集成電路的產業化在蘇聯內部遭到了各種阻力,有些是出于部門利益,有些是出于無知,有些是出于學術分歧。蘇聯半導體權威約飛院士都不支持鍺半導體研究,據復旦大學物理系教授王訊回 憶1956年他在中國科學院物理研究所進行半導體研究實習的時候說:

當時國內的鍺、硅半導體材料是根本沒有的,在蘇聯也不重視對鍺材料和鍺晶體管的研究。蘇聯當時半導體界受其權威約飛的控制,只相信他們自己的研究方向,做半導體熱電效應和溫差發電等。國內的研究受到他們影響,因為當時國家的十二年科學規劃是蘇聯專家幫助制訂的。所以在 1955 年,我們只能做氧化亞銅,這種材料是早期發現的一種半導體材料。

由于蘇聯國內的斗爭,1956年在蘇聯部長會議一次討論中,出現了“晶體管永遠不會成為一個有用的東西,充其量就是做助聽器,讓社會保障機構去干 吧!”的結論。

youtube上蘇聯戰機內部部分設備拆機圖,集成度很低

youtube上蘇聯戰機內部部分設備拆機圖,集成度很低

然后蘇聯人就拼命攀爬縮小電子管這條羊腸小道去了,爬錯科技樹,而且不知道悔改。一直走到黑,真空電子管再也無法縮小了。然后再去爬集成電路技術已經晚了。

蘇聯錯過了集成電路革命,也就錯過了計算機革命,錯過了互聯網革命,更不要說什么移動互聯網了。繼承蘇聯衣缽的俄羅斯,黑客的能力很強,但是整個計算機產業真是乏善可陳,芯片市場份額僅占全球1%都不到。

蘇聯的失敗例子其實對中國的科研非常有參考意義,有機會詳細闡述。

中國芯的出路

“中國芯”不是第一次進入公眾視野了,上一次高峰在2003年前后。當時都說搞IC的將來都是金領。我同學中最優秀的那部分人,很多人選擇了VLSI方向。多年以后還在IC這個行業的已經非常少了。

上一波“中國芯”集中在2000年前后爆發不是沒有原因的:中國市場的自身的需求以及政府的扶持。前國家領導人就有從電子工業部出身的,對集成電路的方向和重要性非常清楚,國家一直對集成電路行業扶持有加,但是種下的是龍種長出的是跳蚤。

2003年前后中國的集成電路市場上大大小小玩家一堆,杭州有士蘭微,上海有上海貝嶺,華虹NEC,北京有中星微,大唐微電子。當初我還為了攢錢給女朋友買諾基亞手機,暑假去了某IC設計公司兼職。

2003年前后集成電路變化

2003年前后集成電路變化

如果市場應用驅動芯片行業的健康發展,重現硅谷創新完全是可能的。但是那個時候集成電路成為了所謂風口,無數資金涌了進來,充滿了各種躁動。

眼見他起高樓,眼見他宴賓客,眼見他樓塌了:

比如2005年憑借攝像頭芯片,中星微登陸納斯達克。中星微電子應該是國內第一個登陸納斯達克的芯片股,然而中星微上市后,公司很快就蛻變成一個國企式偽科技企業,2015年中星微黯然退市。白白錯過了中國移動互聯網爆發的十年。不過創始人,混上了院士,也算如愿所償。

直到2006年陳進的漢芯事件公之于眾,芯片熱潮才慢慢退去。

2018年芯片熱潮已經襲來,聽投資人吐槽,上個月還在搞p2p的團隊,這個月已經把BP改成芯片概念的了,如之奈何。

如果我們重看電子管到晶體管的漫長演化,看看蘇聯的集成電路產業是如何落后的,我們不禁要想想,兩彈一星的模式是否適用于集成電路,高鐵模式是否集成電路?我們要想在集成電路領域里面趕上國際先進水平缺什么?

從晶體管到電子管,我們可以看到:

人才

每次技術革命的發生都是一些優秀的人才,在一個一個節點上進行突破??茖W家也不僅僅是美國人,有英國人,加拿大人,日本人。

但是中國現在的很多行業都存在一個問題,更愿意去挖人才,而不是去培養人才。而且由于種種原因,尤其是收入的壓力,使得很多人不得不放棄這個行業。

知識產權保護

大家都要注意到每次技術小突破后,都會有專利來保護技術的革新。發明家,創新的公司也可以依靠專利獲得巨大的收益。這樣能讓創新的力量不斷地去創新。

這個我在我公號里說過無數遍了,也舉了很多例子。如果知識產權保護的薄弱,那么我們不僅無法追上集成電路,將來的納米管,量子計算等等方向上也會毫無建樹。

前瞻的研究,寬松的學術氛圍

超越電子管的未必是電子管,可能是硅管,也可能是鍺管,也可能是其他。超越集成電路的也許是光計算,也許是量子計算,也許是生物計算。但肯定不是“透明計算”!

李森科毀掉了蘇聯的生物學,約飛毀掉了蘇聯的集成電路。學術自由,寬松的學術氛圍,才有可能培育創新。

蘇聯有學閥,中國的大學,科研機構的近親繁殖,學閥也不少。

反過來看看美國自己顧問團給美國總統提的建議《持續鞏固美國半導體產業領導地位》

建議 3.1:加強人才培養和引進。全球聚集在人才密集的地方。隨著技術進步和無晶圓模式的發展,推動半導體創新和生產所需的人才正在發生變化。美國應加強其本土人才的培養,同時吸引來自全球各地的人才。

建議 3.2:加強對先進技術研究的投資。

先進技術研究對于持續推動半導體產業發展和創新至關重要。

半導體產品和計算技術的未來關鍵在于多維度創新:執行計算的新方法(如非馮諾依曼和近似計算),非硅材料的利用率(如用于計算和存儲的碳納米管和 DNA),以及將半導體產品集成進我們所用設備的新方法(如嵌入織物與物聯網)。(關于創新機會的進一步討論見附錄 A,特別是表 A1。)這與傳統的摩爾定律將大多數創新專注于定期增加一個芯片上的晶體管的數量不同。它將更專注于創新的多維度,其中許多是新穎的,并且在創新力量特別強大的美國它還能發揮作用。

建議 3.3:推進公司稅收改革。

美國的稅收制度對重資產行業高征稅以遏制資本投資。半導體行業,特別是半導體制造業,是資本密集型產業。為了鼓勵半導體產業以市場為導向的投資,應當在保證公平性的前提下,改革公司稅制,為企業在全球競爭中營造更有吸引力的環境。

小結

不知道為什么國內好像對科技史一點都不感興趣,整個中文網絡對于國外科技史的發展都是只言片語,也許我們更喜歡吃桃子,而不想知道這個桃樹是怎么種出來的。

所以我從真空電子三極管的發明到晶體管的發明,到集成電路的發明,到分析為什么蘇聯集成電路也沒有搞起來。真正想說明幾個事情:

情懷不能當飯吃

芯片的產業化,需要依靠無數百萬年薪的頂級工程師,而不是把希望寄托在拿幾千塊工資騎自行車上下班的老專家們的無私奉獻。如果不能正確認識這個問題,中國人只能在產業一次又一次的挫折中,去懷念那些記憶中的勞模和雷鋒。

(引用自網友評論)

真正的高科技是抄不來的。

即使是抄答案,抄完之后自己不重新做一遍,也是白搭。軍工領域里最典型的例子就是梟龍vs殲八Z

沒有良好的環境,創新是不會發生的。

砸錢,搞收購,挖牛人,自己的產學研烏煙瘴氣是搞不好集成電路的。即使抄到了最好的答案,很快也會落伍的。

有時很值得想想,即便時光倒流,我們今天的環境穿越到了電子管vs晶體管的時代,以我們現在的研發土壤,用人機制,政府政策,知識產權環境能否迭代出集成電路行業呢?答案是令人沮喪的。

另外不要再缺席曠課了。不要再缺席曠課了。不要再缺席曠課了。

責任編輯:ERM523

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