5 迫击炮和规模生产

与杰伊·莱思罗普的通信，2021年。采访沃尔特·卡德韦尔，2021年。采访约翰·高迪，2021年。杰伊·莱思罗普和詹姆斯·纳尔，“半导体构造”（Semiconductor Construction），美国2890395A号专利，于1957年10月31日提交，1959年6月9日发布，https://patentimages.storage.googleapis.com/e2/4d/4b/8d90caa48db31b/US2890395.pdf。杰伊·莱思罗普，《钻石条例引信实验室的微电路光刻方法》（The Diamond Ordinance Fuze Laboratory's Photolithographic Approach to Microcircuits），《IEEE计算史纪事》，第35卷，第1期，2013年，第48-55页。 1958年9月1日，杰伊·莱思罗普驶入TI的停车场，开始他第一天的工作。 此时，杰克·基尔比在TI的实验室里度过的对未来有重大影响的夏日假期快要结束了。莱思罗普从麻省理工学院毕业后，与罗伯特·诺伊斯共事过。他曾在美国政府实验室工作，负责设计一种近炸引信，使81毫米迫击炮弹能够在目标上方自动引爆。和仙童的工程师一样，他也在努力研制台面晶体管，但事实证明，这种晶体管很难小型化。现有的制造工艺包括在半导体材料的某些部位放置特殊形状的蜡球，然后使用专用化学品腐蚀未覆盖的部分。制造更小的晶体管需要更小的蜡球，但控制这些蜡球的形状很困难。

在通过显微镜观察其中一个晶体管时，莱思罗普和他的助手——化学家詹姆斯·纳尔（James Nall）有了一个想法：显微镜镜头可以拍摄一些小东西，让它们看起来更大。如果把显微镜颠倒过来，这些小东西看起来就更小。他们能用镜头把一个大图案“印”到锗上，从而在锗块上制作微型台面吗？相机公司柯达（Kodak）出售了一种叫作光致抗蚀剂的化学物质（俗称“光刻胶”），这种物质在受到光照时会发生化学变化。

莱思罗普用柯达的光刻胶涂在一块锗上。接下来，他将显微镜颠倒过来，用一个矩形图案覆盖目镜，这样光线就只能穿过一个矩形区域。光线通过目镜照射矩形图案，当光线通过物镜聚焦到光刻胶涂层的锗上时，倒置的显微镜缩小了矩形图案的尺寸，形成了完美的微缩版。当光线照射到光刻胶层时，化学结构发生了改变，使其显影时能被溶解，留下一个比任何一团手工蜡都要小得多的矩形小孔，其形状也更精确。很快，莱思罗普发现他也可以通过添加一层超薄的铝，将锗与外部电源连接起来，从而印出“电线”。

莱思罗普称这一过程为光刻。他生产的晶体管比以前小得多，直径只有0.1英寸，高度只有0.0005英寸。光刻技术使人们可以构想大规模生产微型晶体管。1957年，莱思罗普申请了这项技术的专利。随着军乐队的演奏，军方为他的工作颁发了一枚奖章，并给了他25000美元的奖金，他用这笔奖金给家人买了一辆纳什·兰布勒旅行车。

哈格蒂和基尔比立即意识到，莱思罗普的光刻工艺比美国陆军给他的25000美元奖金要值钱得多。“民兵II号”导弹计划需要数千块集成电路，阿波罗太空船需要数万块集成电路。而光和光刻胶可以解决大规模生产问题，以手工焊接导线无法解决的方式实现芯片制造的机械化和小型化。

在TI实施莱思罗普的光刻工艺需要新材料和新工艺。柯达的光刻胶纯度不足以保证大规模生产，因此TI自己购买了离心机，并对柯达提供的化学品进行再加工。莱思罗普乘坐火车在美国各地寻找“掩模”，这种掩模用于将精确的图案投射到覆盖光刻胶的半导体晶圆上。他最终得出结论，现有掩模公司的产品都没有足够的精度，因此TI决定自己制造掩模。基尔比的集成电路所需的硅片必须是超纯的，超出任何公司的销售品质范围。因此，TI也开始自己生产硅片。

与杰伊·莱思罗普的通信，2021年。采访玛丽·安妮·波特，2021年。 当一切都标准化时，大规模生产才有效。通用汽车公司能够将许多标准的汽车零件用于所有从装配线上下线的雪佛兰。在半导体方面，像TI这样的公司，缺少可检测出制造集成电路的原料是否符合标准的工具。化学品中含有当时无法检测到的杂质，温度和压力的细微变化可能会引起意外的化学反应，投射光线的掩模可能被灰尘颗粒污染，一点点杂质就可能使整批产品报废。唯一的改进方法是反复试验，TI组织了数千次实验来评估不同温度与化学物质组合对生产工艺的影响。基尔比每周六都在TI的走廊上踱步，检查工程师的试验。

采访玛丽·安妮·波特，2021年。玛丽·安妮·波特，《口述历史》（Oral History），晶体管博物馆，2001年9月，http://www.semiconductormuseum.com/Transistors/TexasInstruments/OralHistories/Potter/Potter_Page2.htm。 TI产品工程师玛丽·安妮·波特（Mary Anne Potter）花了几个月时间进行全天候试验。 波特是第一位获得得克萨斯理工大学物理学学位的女性，她受雇于TI，以扩大“民兵”导弹的芯片生产规模。她经常上夜班，从晚上11点工作到第二天上午8点，以确保试验按计划进行。收集数据需要数天的试验。然后，她用滑动尺计算指数和平方根，将结果绘制在图表上，并对数据进行回归分析，这一切都依靠手工操作。依靠人类“计算机”处理数字，是一个缓慢、费力、痛苦的过程。但试错是TI当时唯一的选择。

张忠谋，《张忠谋自传》。《斯坦福大学工程英雄讲座：张忠谋与约翰·亨尼西校长对话》（Stanford Engineering Hero Lecture: Morris Chang in Conversation with President John L. Hennessy），斯坦福大学在线，YouTube视频，2014年4月25日，https://www.youtube.com/watch?v=wEh3ZgbvBrE。 1958年，张忠谋与莱思罗普同期来到TI，负责晶体管的生产线。 自从离开上海，张忠谋先是去了香港，然后又去了波士顿。他被哈佛大学录取，成为当时大学一年级里唯一的中国学生。在学习莎士比亚文学一年后，张忠谋开始担心自己的职业前景。“这儿有华裔美国人洗衣店，有华裔美国餐馆，”他回忆道，“20世纪50年代初，一个华裔美国人能从事的唯一真正严肃的中产阶级职业是技术性的。”张忠谋认定机械工程似乎比英国文学更可靠，所以他转到了麻省理工学院。

《张忠谋口述历史》（Oral History of Morris Chang），阿兰·佩特森（Allan Patterson）采访，美国计算机历史博物馆，2007年8月24日。采访张忠谋，2022年。 毕业后，张忠谋被喜万年（Sylvania）聘用。喜万年是一家大型电子公司，在波士顿以外的地方设有工厂。他的任务是提高喜万年的制造成品率。张忠谋白天熟悉喜万年的生产工艺，晚上学习肖克利的《半导体中的电子和空穴》（Electrons and Holes in Semiconductors），这本书是早期半导体电子学的“圣经”。在喜万年工作三年后，张忠谋收到了TI的工作邀请，于是搬到了得克萨斯州的达拉斯。他回忆道，这里是“牛仔之乡”，是一片以“95美分牛排”为标签的土地。他负责经营一条用于IBM电脑的晶体管生产线，当时这种晶体管太不可靠了，TI的成品率几乎为零。几乎所有产品都有缺陷，会导致电路短路或故障，因而不得不被扔掉。

采访比尔·海伊和吉尔·瓦内尔，2021年。《张忠谋口述历史》，阿兰·佩特森采访，美国计算机历史博物馆，2007年8月24日。特克拉·佩里（Tekla Perry），《张忠谋：代工之父》（Morris Chang: Foundry Father），《IEEE综览》，2011年4月19日，https://spectrum.ieee.org/at-work/tech-careers/morris-changfoundry-father。 作为一名桥牌高手，像玩他最喜欢的纸牌游戏一样，张忠谋有条不紊地从事制造业工作。到达TI后，他开始系统地调整不同化学物质组合的温度和压力，以确定哪种组合最有效，他的直觉让同事们感到惊讶和害怕。一位同事回忆道：“你和他一起工作时必须小心。他坐在那里，吸着烟斗，透过烟雾看着你。”为他工作过的得克萨斯州人认为他“像一个佛陀”。在烟雾的背后，是一个无与伦比的大脑。一位同事回忆道：“他对固体物理学有足够的了解，足以支配任何人。”他以“强硬的老板”标签著称。一名下属回忆道：“张忠谋对待员工非常苛刻，如果你没有被张忠谋折磨过，你就没有在TI工作过。” 不过，张忠谋的方法产生了效果。几个月内，他的晶体管生产线的成品率跃升至25%。 美国最大的科技公司IBM的高管来到达拉斯研究他的方法。 很快，他被任命为TI整个集成电路业务的负责人。

大卫·劳斯，《传奇公司：仙童半导体的遗产》（A Company of Legend: The Legacy of Fairchild Semiconductor），《IEEE计算史纪事》，第32卷，第1期，2010年1月，第64页。 和张忠谋一样，诺伊斯和摩尔认为芯片产业的发展没有止境，只要他们能搞清楚如何大规模生产。诺伊斯意识到，他的麻省理工学院同学莱思罗普发现了一种可以改变晶体管制造业的技术。他在研究生院时曾和他一起爬过新罕布什尔州的山。诺伊斯迅速采取行动，聘请了莱思罗普的实验室合作伙伴——化学家詹姆斯·纳尔来仙童开发光刻技术。诺伊斯解释道：“除非我们能做到，否则我们的公司就会完蛋。”

查理·斯波克，理查德·莫莱（Richard Molay），《分拆：改变世界的行业个人史》（Spinoff: A Personal History of the Industry That Changed the World），Saranac Lake出版社，2001年，第71-72页。克里斯托夫·勒库尔，《工业用硅》，第45页。 仙童的制造工艺由像安迪·格鲁夫一样的生产工程师来改进。格鲁夫于1956年逃离匈牙利政府，以难民的身份先抵达纽约，后在加州大学伯克利分校攻读博士学位。1962年，他写信给仙童要求面试，但被告知稍后再试一次。拒绝信解释道：“我们希望我们的年轻人在完成其他所有面试后再来我们这里面试。”格鲁夫回忆，仙童的拒绝信“令人厌恶”，这是硅谷自大的早期迹象。但随着市场对仙童产品的需求增加，该公司突然迫切需要化学工程师。一位公司高管打电话给加州大学伯克利分校，要求提供化学系最好的学生名单。格鲁夫名列榜首，被召唤到帕洛阿尔托与摩尔会面。格鲁夫回忆道：“那是一见钟情。” 他于1963年被聘用，并将与诺伊斯和摩尔一起打造芯片产业，度过余生。

发明晶体管的诺贝尔奖授予了肖克利、巴丁和布喇顿。基尔比后来因发明了第一个集成电路而获得诺贝尔奖。如果诺伊斯没有在62岁时去世，那么他会与基尔比分享这个奖项。这些发明是至关重要的，但光靠科学还不足以建立芯片产业。半导体的传播既得益于学术物理，也得益于巧妙的制造技术。麻省理工学院和斯坦福大学等学校在发展半导体知识方面发挥了关键作用，但芯片产业之所以起飞，是因为这些院校的毕业生花了多年时间优化生产流程，使大规模生产成为可能。正是工程和直觉，以及科学理论，使贝尔实验室的专利变成了一个改变世界的行业。

肖克利被公认为是他那一代最伟大的理论物理学家之一，他最终放弃了成为富翁和让自己的名字登上《华尔街日报》的努力。他对晶体管理论的贡献很重要。但正是那叛逆的八名年轻工程师抛弃了肖克利半导体公司，以及后来在TI的一个类似团体，将肖克利的晶体管变成了一种有用的产品——芯片，并将其出售给美国军方，同时学会了如何大规模生产。凭借这些能力，仙童和TI进入了20世纪60年代中期，开始面临一个新的挑战：如何将芯片转变为大众市场产品。