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情怀不能当饭吃:从美国集成电路的发展历程看“中国芯”的困境

作者:时间:2018-05-22来源:格隆汇收藏
编者按:“中国芯”不是第一次进入公众视野了,上一次高峰在2003年前后。

  技术并不是外星科技,而是人类科技发展到一定程度,智慧的高度结晶,每一次进步都有它的内在逻辑。今年中兴断芯的危机,引发了一场全民大反思,为什么中国缺芯?其实在方面,即使很多核心科学技术方面远超中国的前苏联也远远落后于西方国家。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201805/380248.htm

  20世纪的科技革命

  首先,我们回顾一下20世纪发生的技术革命:

  20世纪人类首先经历了无线电技术革命,发明了电报,电话等技术。因为无线电技术的广泛使用,又催生了真空电子管技术。第二次世界大战,冷战中的太空竞赛,推动了军事技术的革命。军事技术的革命,催生了产业革命。由于技术的成熟,又催生了个人电脑的技术革命。当个人电脑技术革命完成之后,又催生了互联网的革命。进入二十一世纪,其实还可以加一个移动互联网的的革命。

  每次技术革命浪潮,都是以前面的一个技术革命为基础。由于中国的历史原因,几乎错过了所有的技术革命,只抓住了互联网革命的尾巴,并在此基础上快速抓住了移动互联网革命,一下子走在了世界前列。

  然而这些优势都是建立在前面几场技术革命基础上的,如果今天美国及其盟国,对中国进行最严格的禁运:

  1、大部分的PC技术革命的成果不复存在。因为中国没有扎实地走过PC革命这一步,从硬件到操作系统,从行业软件到通用软件都没有拿得出手的产品。联想是个典型的例子。

  2、大量依赖于的产品都无法顺利研发与生产。因为中国没有扎实走过革命这一步,即便是落后的生产线,也是依赖于进口设备。

  如果谈航空发动机的问题,那还要补机械,材料,数学,力学的课。

  如果缺课后没有认真补课,那么期末考试的时候都要还会来的。

  电子管时代

  1883年,爱迪生正在为寻找电灯泡最佳灯丝材料,曾做过一个小小的实验。结果,他发现了一个奇怪的现象:金属片虽然没有与灯丝接触,但如果在它们之间加上电压,灯丝就会产生一股电流,射向附近的金属片。

  爱迪生效应

  这股神秘的电流是从哪里来的?爱迪生也无法解释,但这不妨碍他不失时机地将这一发明注册了专利,并称之为“爱迪生效应”。

  虽然后来,有人证明电流的产生是因为炽热的金属能向周围发射电子造成的。但最先预见到这一效应具有实用价值的,则是英国物理学家和电气工程师弗莱明(Sir John Ambrose Fleming)。

  1904年弗莱明利用爱迪生效应搞出来的第一个二极管(Diode),并获得了专利。这个二极管干可以用来做无线电电报的检波器。二极管这个东西在实验室中很好,但是一到实际应用场合就不很稳定。

  1906年美国发明家,Lee de Forest (这个人故事很多)在二极管的灯丝之间巧妙加了一个栅板,从而发明了第一个真空电子三极管. (grid Audion) 用于检波放大。我估计Lee打死也没有想到他这个发明的意义。

  但是早期的真空三极管真空度不高,导致性能不稳定。

  1912年,美国通用电气公司和美国电话电报公司合作研制出了高真空电子三极管,电子三极管的应用进入快车道。 这是具有划时代意义的产品,直接创造出了广播,电视,计算机等行业,是今天电子产品的奠基石。

  1943年,当二战激战正酣时,美军迫切需要高速计算工具,以计算炮弹的弹道。在迅速获得15万美元的预算后,速度成为第一诉求,继电器在收到信号后因为有百分之一秒延时而拖慢计算速度注定要被抛弃。真空三极管无机械结构,让计算机可以快速的通过控制栅极电流,来开启或关断电子管两端的电流,获得比继电器速度快成千上万倍的开关速度。这对于提升当时计算机的速度大有好处。正因为这样的优势,让电子管击败继电器,成为早期计算机的核心运算部件。

  第一台电子计算机用了 :17468个电子三极管、7200个电子二极管。

  电子管比继电器的优点,快,显而易见。但是在制造ENIAC的过程中电子管的问题也暴露出来了,傻大笨粗。 ENIAC总重达30吨!

  晶体管时代

  二战结束后,美国贝尔实验室成立了一个固体物理研究小组,他们试图要制造一种能替代电子管的半导体器件,天才兼人渣威廉肖克利任组长。

  肖克利是一位人渣,但不妨碍他也是一位天才。此人能力很强,但是人品和管理非常糟糕,这也为后来肖克利实验室的失败埋下了伏笔。但是此人的能力绝对一流的。

  1936年他在导师Davisson的指导下发表了多篇固体物理论文,并于1938年获得第一个专利“电子倍增放大器”。

  1939年他还设计了第一个场效应管,尽管当时这个器件没有被制造出来,但是这个模型在集成电路中广泛使用。

  贝尔实验室就对半导体材料进行了研究,发现掺杂的半导体整流性能比电子管好。因此小组把注意力放在了锗和硅这两种半导体材料上。在肖克利的领导下,他们尝试、失败、再尝试、再失败。

  1947年12月15日,这种实验结出了硕果:他们用刀片在三角形金箔上划出了两道极细的缝隙,然后两边分别接上导线,用弹簧将其压进锗块表面。这是一个由锗、电池、金线、弹簧、纸板、组成的小装置。连好线后,当锗块上的两个接触点越来越近时,他们观察到了电压放大作用:1.3v电压被放大了15倍!

  在贝尔实验室申请专利的时候,专利律师认为,肖克利的一项专利与新发明的专利之间有冲突,所以没把他加上。

  肖克利火了,晶体管的诞生是基于他的理论,晶体管的研究他也直接参与了,但是最后专利上没有他的名字。他一生气,自己关了一个月后,在1948年1月23日,提出了更为先进可行的结晶型晶体三极管构想(Junction transistor)。

  1950年11月,第一只结晶型三极管研制成功。这是今天所有集成电路的鼻祖。同时他还出版了一本书,详细阐述了结晶型半导体器件的理论和原理。让所有人都知道到底谁是晶体管之父。

  肖克利的天才让他靠这个成果,赢得了诺贝尔奖。但是他的人渣特性,也让贝尔实验室的研发团队遭受重大挫折。但这不妨碍,晶体管开始逐渐替代电子管。最直接的产品就是收音机。

  而相比较的是中国,在1960年代还在大规模生产电子管的收音机,很晚才大规模生产出晶体管收音机。


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关键词: 集成电路 芯片

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