3 诺伊斯、基尔比和集成电路

德里克·张和埃里克·布拉奇，《征服电子》，第228页。 晶体管如果能够简化并大规模销售，就能取代真空管。构建理论和发明晶体管仅仅是第一步，人们现在面临的挑战是大量制造它们。沃尔特·布喇顿和约翰·巴丁对商业或大规模生产几乎没有兴趣，因为他们本质上是研究者。在获得诺贝尔奖后，他们继续从事教学和实验工作。相比之下，肖克利的雄心壮志日益增长。他不仅想出名，还想发财。他告诉他的朋友们，他梦想着自己的名字不仅要出现在《物理评论》（Physical Review）等学术刊物上，也要出现在《华尔街日报》（Wall Street Journal）上。 1955年，肖克利在加利福尼亚州旧金山郊区山景城创办了肖克利半导体公司（Shockley Semiconductor），其公司设在帕洛阿尔托的一条街上，他年迈的母亲就居住在那里。

德里克·张和埃里克·布拉奇，《征服电子》，第214页。 肖克利计划制造出世界上最好的晶体管，这是可能的，因为贝尔实验室和晶体管专利的拥有者美国电话电报公司提出以25000美元的价格向其他公司许可该器件专利，这是一笔最尖端的电子技术的交易。 肖克利认为，晶体管会有市场，至少是在取代现有电子产品中的真空管方面。不过，晶体管市场的潜在规模尚不清楚。每个人都认同晶体管是一种基于最先进物理学的聪明技术，但只有在比真空管做得更好或生产成本更低的情况下，晶体管才会被大规模应用。肖克利很快就因为他的半导体理论而获得了诺贝尔奖，但如何使晶体管变得更加实用是一个工程难题，而不是理论物理问题。

采访拉尔夫·卡尔文，2021年。《杰伊·莱思罗普口述历史》（Jay W. Lathrop，an oral history conducted in 1996 by David Morton），IEEE历史中心，美国新泽西州皮斯卡塔韦市，大卫·莫顿（David Morton），1996年。 晶体管很快就开始取代电脑中的真空管，但数千个晶体管之间的布线如同丛林般复杂。1958年，TI工程师杰克·基尔比在他的得克萨斯州实验室里度过了一个夏天，专注于寻找一种方法来简化晶体管布线。 基尔比说话温和，有学院精神，好奇而且很聪明。“他从不苛求，”一位同事回忆道，“你知道他想要什么发生，你会尽最大努力让它发生。”另一位同事喜欢和基尔比一起吃烧烤午餐，他说，“他是一个你最想见到的人”。

查尔斯·巴贝奇研究所（Charles Babbage Institute）的阿瑟·L.诺伯格（Arthur L. Norberg）对杰克·基尔比的采访，1984年6月21日，第11-19页，https://conservancy.umn.edu/bitstream/handle/11299/r107410/oh074jk.pdf?index=1&isAllowed=y。凯莱布·皮尔托（Caleb Ⅲ Pirtle），《工程世界：TI前75年的故事》（Engineering the World: Stories from the First 75 Years of Texas Instruments），南卫理公会大学出版社，2005年，第29页。 基尔比是贝尔实验室以外最早使用晶体管的人之一，他的第一个雇主（位于密尔沃基的中心实验室）从美国电话电报公司获得了这项技术的许可。 1958年，基尔比离开中心实验室，在TI的晶体管部门工作。TI总部位于达拉斯，成立的目的是生产地震波探测设备，帮助石油工人决定在哪里钻探。在第二次世界大战期间，该公司被美国海军征召建造声呐设备以跟踪敌方潜艇。 战后，TI的高管们意识到这种电子技术在其他军事系统中也会很有用，于是他们雇用了像基尔比这样的工程师来研制这些系统。

大卫·布罗克（David Brock）和大卫·劳斯，《微电路的早期历史》（The Early History of Microcircuitry），《IEEE计算史纪事》（IEEE Annals of the History of Computing），第34卷，第1期，2012年1月，https://ieeexplore.ieee.org/document/6109206。T. R.里德，《芯片》，兰登书屋，2001年。 基尔比大约在公司7月份的假期期间来到达拉斯，但他没有假可以休，所以他在实验室里独自待了几个星期。他一直琢磨如何减少将不同晶体管串在一起所需的导线数量。他没有用一块单独的硅或锗来制造每个晶体管，而是想到在同一块半导体材料上制造多个元器件。当他的同事们过完暑假回来时，他们意识到基尔比的想法是革命性的。多个晶体管可以内置在同一块硅或锗板中。 基尔比称他的发明为“集成电路”，但它被通俗地称为“芯片”，因为每个集成电路都是由一块从圆形硅片上“切”下来的硅制成的。

乔尔·舒尔金，《破碎的天才》，第173页。《戈登·摩尔》（Gordon Moore），PBS，1999年，https://www.pbs.org/transistor/album1/moore/index.html。关于仙童的其他重要书籍包括阿诺德·萨克雷（Arnold Thackray）、大卫·布罗克和瑞秋·琼斯（Rachel Jones）所著的《摩尔神话：硅谷数字革命先驱的传奇人生》（Moore's Law: The Life of Gordon Moore, Silicon Valley's Quiet Revolutionary）（基础书籍出版社，2015年）以及莱斯利·柏林所著的《微芯片背后的人：罗伯特·诺伊斯和硅谷的发明》（The Man Behind the Microchip: Robert Noyce and the Invention of Silicon Vally）（牛津大学出版社，2005年）。 大约一年前，在加利福尼亚州帕洛阿尔托，肖克利半导体公司雇用的八名工程师告诉他们的诺贝尔奖得主老板，他们要辞职。肖克利虽然有发现人才的本领，却是一个糟糕的经理。他矛盾的性格所制造的有害工作氛围，疏远了他所召集的聪明年轻的工程师。这八名工程师决定离开肖克利半导体公司，用东海岸一位百万富翁的种子资金创办自己的公司——仙童半导体。

肖克利半导体公司的八名叛逆者被普遍认为是硅谷的创始人。八位中的一位——尤金·克莱纳（Eugene Kleiner），后来成立了世界上最大的风险投资公司之一克莱纳·珀金斯（Kleiner Perkins）。戈登·摩尔负责仙童的研发，后来提出了摩尔定律的概念，以描述计算能力的指数级增长。最重要的是罗伯特·诺伊斯，他是“八叛逆”中的领袖，对微电子有着超凡的热情和远见卓识，他直观地意识到需要哪些进步技术才能使晶体管变得更小、廉价和可靠。将新发明与商业机会相匹配，正是像仙童这样的初创公司成功所需要的，也是芯片行业起飞所需要的。

到仙童成立时，晶体管的科学已经基本清晰，但可靠地制造晶体管是一项巨大的挑战。第一个商业化的晶体管是由锗制成的，上面有多层不同的材料，呈亚利桑那沙漠般的台面形状。台面是通过用一滴黑色蜡覆盖一部分锗制成的：使用化学物质蚀刻掉未被蜡覆盖的部分，去除蜡后，锗上就形成了台面形状。

台面结构的一个缺点是，灰尘或其他颗粒等杂质容易附着在裸露的台面侧壁上并与之发生反应。诺伊斯的同事简·霍尔尼（Jean Hoerni）是一位瑞士物理学家，也是一位狂热的登山者，他意识到如果整个晶体管内置在锗中而不是在其上，台面就没有必要存在了。他发明了一种制造晶体管的方法：在一块硅片上沉积一层保护性二氧化硅，然后在需要的地方蚀刻孔并沉积额外的材料。沉积保护层避免了材料暴露在会导致缺陷的空气和杂质中，这是可靠性方面的一大进步。

《1959年：实用单片集成电路概念获得专利》（1959: Practical Monolithic Integrated Circuit Concept Patented），美国计算机历史博物馆，https://www.computerhistory.org/siliconengine/practical-monolithic-integrated-circuit-concept-patented/。克里斯托夫·勒库尔（Christophe Lecuyer）和大卫·布罗克，《微芯片制造商》（Makers of the Microchip），麻省理工学院出版社，2010年。罗伯特·诺伊斯，“半导体器件和引线结构”（Semiconductor Device-and-Lead Structure），美国2981877号专利，1959年7月30日提交，1961年4月25日发布，https://patentimages.storage.googleapis.com/e1/73/1e/7404cd5ad6325c/US2981877.pdf。迈克尔·赖尔登（Michael Riordan），《二氧化硅解决方案》（The Silicon Dioxide Solution），《IEEE综览》（IEEE Spectrum），2007年12月1日，https://spectrum.ieee.org/the-silicon-dioxide-solution。莱斯利·柏林，《微芯片背后的人》，第53-81页。 几个月后，诺伊斯意识到霍尔尼的“平面工艺”可以用于在同一块硅材料上制备多个晶体管。诺伊斯并不知道基尔比，那时，基尔比在一块锗基片上制作台面晶体管并使用了键合线连接。诺伊斯在同一硅片上使用霍尔尼的平面工艺制作出了多个晶体管。 由于平面工艺在晶体管上覆盖了一层二氧化硅绝缘层，诺伊斯可以通过在上面沉积金属线，将“导线”直接放在硅片上实现晶体管之间的连接。和基尔比一样，诺伊斯制造了一种集成电路：在一块半导体材料上放置多个电子元器件。但诺伊斯的版本完全没有键合线，晶体管和导线被制造在同一块材料上面。不久，基尔比和诺伊斯基于半导体材料开发的“集成电路”被简称为“半导体”，或者被更简单地称为“芯片”。

莱斯利·柏林，《微芯片背后的人》，第112页。 诺伊斯、摩尔和他们在仙童的同事知道，他们的集成电路将比其他电子设备所依赖的错综复杂的电线更加可靠。与台面晶体管相比，将仙童的“平面”设计小型化似乎要容易得多。与此同时，更小的晶体管意味着消耗更少的电力。诺伊斯和摩尔开始意识到小型化和低功耗是一个强大的组合：更小的晶体管和更低的功耗将为他们的集成电路创造新的应用。但刚开始，诺伊斯的集成电路的制造成本是用分立件搭建的50倍。 每个人都认为诺伊斯的发明很聪明，甚至绝妙，但它需要一个市场。