Jack Kilby發(fā)明的芯片

 50年前，Jack Kilby向少數(shù)幾名聚集在德州儀器半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室的同事展示的其實(shí)是一個(gè)并不復(fù)雜的裝置——它僅僅是在一塊鍺片上嵌置了一只晶體管和一些其他的元件。當(dāng)時(shí)在場的人員根本不會想到，Jack Kilby的發(fā)明，也就是尺寸7/16×1/16英寸的集成電路，將會在整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)掀起一場革命。

問題的解答

Jack Kilby首次萌生發(fā)明集成電路的設(shè)想是在一個(gè)甚為冷清的實(shí)驗(yàn)室中，該實(shí)驗(yàn)室位于德州儀器新建成的半導(dǎo)體大樓內(nèi)。1958年7月，當(dāng)大部分員工都在享受德州儀器公司為期兩周的傳統(tǒng)假期時(shí)，初來乍到的Jack Kilby卻無緣長假，只能待在車間里獨(dú)自研究。

那么到底是什么讓Jack Kilby開始一步步思考深究，并最終發(fā)明出集成電路呢?和其他許多發(fā)明家一樣，Jack Kilby最初只是想要解決問題，而他當(dāng)時(shí)要解決的問題就是“數(shù)字暴力”。

幾乎整個(gè)20世紀(jì)上半葉，電子產(chǎn)業(yè)可以說是真空管技術(shù)一枝獨(dú)秀的天下。但真空管卻存在著固有的缺陷，它們易碎、笨重、可靠性低且功耗大，同時(shí)會產(chǎn)生相當(dāng)多的熱量。

直至1947年，貝爾電話實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，才解決了真空管存在的問題。晶體管的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真空管，同時(shí)比真空管更加可靠、使用壽命更長、產(chǎn)生的熱量更少，功耗也更小。借助晶體管，工程師得以設(shè)計(jì)出更加復(fù)雜的電子線路以及包含成千成萬相互的獨(dú)立元件，如晶體管、二極管、整流管和電容器等設(shè)備。即便如此，問題仍然存在，這些元件還是需要相互連接才能形成電子線路，而完全通過人工將成千上萬個(gè)元件焊接到同樣數(shù)量的電線上，這整個(gè)工序耗時(shí)耗力且成本高昂。又由于每個(gè)焊接接頭都可能出現(xiàn)故障，所以實(shí)際上來看該裝置也并不可靠。工程師們面臨的挑戰(zhàn)是尋找可靠的高成本效益方式來生產(chǎn)并將這些元件彼此相連。

美國通信兵團(tuán)提出了一種嘗試性的解決方案，即“微模塊”計(jì)劃。該計(jì)劃的理念是將所有元件的尺寸和外形統(tǒng)一成一模一樣，并將接線內(nèi)嵌至元件中。之后將各個(gè)模塊卡在一起，組成電路，從而省去了連接電線的需要。

走進(jìn)Jack Kilby的世界

1958年，Jack Kilby加入德州儀器時(shí)，公司正在研究“微模塊”計(jì)劃。因?yàn)樵诿軤栁只闹行膶?shí)驗(yàn)室做過研究，Jack Kilby對電子產(chǎn)業(yè)所面臨的“數(shù)字暴力”問題并不陌生。但他并不認(rèn)為“微模塊”技術(shù)就是萬全之策，因?yàn)樗晕唇鉀Q復(fù)雜電路中存在著極大數(shù)量元件的這個(gè)最基本問題。

因此，Jack Kilby開始研究替代性解決方案，并在過程中發(fā)現(xiàn)唯一能夠讓半導(dǎo)體公司高效利用成本的技術(shù)就是半導(dǎo)體技術(shù)。“細(xì)想之后，我發(fā)現(xiàn)我們真正需要的其實(shí)就是半導(dǎo)體，具體來說，就是電阻器和電容器(無源元件)可以采用與有源元件(晶體管)相同的材料制造。我還意識到，既然所有元件都可以用同一塊材料制造，那么這些元件也可以先在同一塊材料上就地制造，再相互連接，最終形成完整的電路。” Jack Kilby在1976年發(fā)表的文章《集成電路的誕生》中寫道。

1958年7月，Jack Kilby開始將所有想法整理記錄下來，并繪制設(shè)計(jì)草圖。到了9月份，他已經(jīng)準(zhǔn)備充分，打算演示自己的成果，即采用一整塊半導(dǎo)體材料制成實(shí)際可用的集成電路。1958年9月12日，包括前德州儀器總裁Mark Shepherd在內(nèi)的數(shù)名高管匯聚一堂，共同見證了Jack Kilby的偉大發(fā)明。他們所見到的是一塊上面帶有突出的電線，并粘在一塊載玻片上的鍺片。該裝置相當(dāng)粗略，但是當(dāng)Jack Kilby按下開關(guān)，示波器顯示屏上赫然出現(xiàn)了不間斷的正弦波形。試驗(yàn)證明他的發(fā)明成功了，他徹底解決了此前一直懸而未決的問題。

早期成功

Jack Kilby的發(fā)明無疑是一項(xiàng)重大的突破，不過，雖然美國空軍對德州儀器的集成電路技術(shù)抱有一些興趣，但是整個(gè)行業(yè)仍持懷疑態(tài)度。實(shí)際上，集成電路及其特點(diǎn)“在接下來幾年的大型技術(shù)大會上經(jīng)常被當(dāng)成笑料”，Jack Kilby如此寫道。

然而，1961年與1962年，美國空軍先后在計(jì)算機(jī)及民兵導(dǎo)彈中使用硅晶片，這些項(xiàng)目促使集成電路首次在軍事市場占得一席之地。前德州儀器總裁Patrick E. Haggerty認(rèn)識到要推進(jìn)集成電路的廣泛運(yùn)用，必須開發(fā)一款“模范性產(chǎn)品”。因此，他要求Jack Kilby設(shè)計(jì)一種特殊的計(jì)算器，這種計(jì)算器的功能要絲毫不遜于當(dāng)時(shí)普遍使用的大型機(jī)電桌面型計(jì)算器，同時(shí)尺寸小巧，能夠放入大衣口袋中隨身攜帶。最終Jack Kilby和其他工程師合作發(fā)明出了手持式電子計(jì)算器，成功將集成電路推向市場。

影響

Jack Kilby發(fā)明的微型芯片影響深遠(yuǎn)，沒有這項(xiàng)發(fā)明，很多今日人們習(xí)以為常的電子產(chǎn)品就不會存在?？梢哉f，芯片成就了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)，使得昔日足有一間房那么大的計(jì)算機(jī)搖身一變成為今日我們所見的一系列主機(jī)、迷你電腦和個(gè)人電腦。

芯片重構(gòu)了通信模式，使得人與人、企業(yè)與企業(yè)，甚至國家與國家之間得以通過各種全新的方式進(jìn)行即時(shí)的信息交換。

· 沒有芯片，人類就無法探索太空，也不可能登上月球。

· 芯片幫助失聰者重獲聽力，也是各種醫(yī)療診斷設(shè)備的“心臟”。

· 芯片的影響力還延伸至教育、交通、制造和娛樂產(chǎn)業(yè)。

對于德州儀器而言，集成電路扮演著至關(guān)重要的角色。多年以來，德州儀器公司生產(chǎn)了數(shù)以十億計(jì)的芯片。但集成電路的意義遠(yuǎn)不止于推動德州儀器的發(fā)展，它對整個(gè)行業(yè)都起到了帶動作用。1961年至今，全球的電子市場產(chǎn)值從290億美元增至近15000億美元。

未來這種發(fā)展有賴于科學(xué)家不斷研發(fā)出更新、更先進(jìn)的技術(shù)——德州儀器帶來的眾多專利技術(shù)就是其中的代表。

未來展望

隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷進(jìn)步，人們有望見識到更加不可思議的全新電子設(shè)備。也許有一天，你給日托中心打電話，就可以在手機(jī)屏幕上看到孩子的笑臉;也許有一天，工作結(jié)束之后，你來到停車場取車回家，通過車載電話就能讓家中的烤箱運(yùn)轉(zhuǎn)起來，而當(dāng)你到家的時(shí)候，晚飯已經(jīng)差不多做好了;也許有一天，你可以把汽車設(shè)置成自動駕駛模式，然后在通勤回家的路上查看第二天的會議備注;也許有一天，你想看某部電影的時(shí)候，只需在網(wǎng)上訂好票，幾秒之后，你就可以在家里的電視上開始欣賞了。

這些聽起來都好似天方夜譚，但借助德州儀器研發(fā)的技術(shù)，我們距離新的突破并不遙遠(yuǎn)，夢想很快就能變成現(xiàn)實(shí)。