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这些天才在发明集成电路后分道扬镳、相互背叛,但最终成就了硅谷

来源:新浪科技 发表时间:2020-10-20 18:09:53

  来源:赛先生

  撰文:吴军

  1999 年,在千年纪更替之际,《洛杉矶时报》评选出了过去 100 年最伟大的美国人,威廉·肖克利(William Shockley)、罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)和杰克·基尔比(Jack Kilby)并列第一,在他们后面的则是亨利·福特和富兰克林·罗斯福等人。

  虽然《洛杉矶时报》的评选结果只是一家之言,但是这三位科学家对世界做出的巨大贡献无论如何赞扬都不算过分,如果没有他们发明的集成电路,我们很难想象今天的世界将会是什么样子。

  怪人肖克利和青年才俊们

  1956 年刚过完新年不久,美国东部的费城,28 岁的罗伯特·诺伊斯正在为自己未来的职业发展而纠结。这位天才自从离开麻省理工学院后便诸事不顺,这在很大程度上源于他毕业时不慎做出了错误的选择。虽然他当时有机会进入世界顶级的电子公司,或者到著名的研究所做研究,但是他却选择了二流的飞歌公司(Philco),这让他的同行大跌眼镜。不过,年轻的诺伊斯却有他自己的做事逻辑。他认为,像飞歌这样的二流公司肯定要比一流公司更加倚重自己,让他能够在不受任何约束的情况下发挥更大的作用。

  事实证明,这仅仅是他的一厢情愿。二流公司之所以是二流,是因为它比一流公司有更多的问题,而不是更多的机会。飞歌是一家军工承包商,天天最在意的就是如何同政府部门打交道,拿到军队的合同,而这些事情恰恰是诺伊斯最不喜欢,也不擅长做的。因此,在经历了和飞歌公司 18 个月的“蜜月期”后,诺伊斯几乎天天都是在煎熬中度日。好在电子行业的同行没有忘记这位曾经的天才和刚起步的半导体行业的新星。著名的西屋公司向他伸出了橄榄枝,给了他比飞歌公司优惠很多的条件。但是飞歌公司知道有企业来抢夺人才后,为了留住诺伊斯,也向他承诺,可以给他比西屋公司更好的职位和更丰厚的待遇。这样,诺伊斯反而发愁了,一时间不知道该如何选择。

  就在这时,一个电话打了进来,从此改变了他的人生轨迹。诺伊斯后来讲,当时他觉得仿佛接到了上帝打来的电话。对方只是问了诺伊斯一个问题,是否愿意到加利福尼亚州为他即将成立的公司工作。诺伊斯二话没说,马上辞去了在飞歌的工作,也婉拒了西屋的热忱邀请,到了几千千米以外的旧金山湾区追随这位他仰慕已久的偶像。

  一个月后诺伊斯加入了他这位偶像开办的公司,成为公司的第17 号员工,当天第 18 号员工也来了。他比诺伊斯小一岁,却比诺伊斯高半头,他叫戈登·摩尔(Gordon Moore)。摩尔是旧金山湾区的本地人,化学博士,不过他和诺伊斯一样也是从遥远的美国东部长途跋涉来到这里的。此前,他在约翰·霍普金斯大学著名的应用物理实验室工作,每天都在写那些他认为并没有太多价值的论文。和诺伊斯一样,他也是在接到这位公司创始人的电话后感到异常兴奋,然后放弃了其他工作机会,从马里兰横跨美国大陆来到了这位偶像的身边。之前诺伊斯肯定没有想到他将从此开始和摩尔的终身合作,而摩尔则想的是,如果自己早一天报到,工号就比诺伊斯更靠前。在接下来的 10 年里,他们中的一位将发明 20 世纪最重要的产品,而另一位则将提出描述信息产业发展的定律。当然,把诺伊斯、摩尔等诸多英才聚集到一起的那位公司创始人,不仅是大家的偶像,也是当时全世界公认的最好的应用物理学家,甚至可能没有之一。不久,他获得了诺贝尔奖,因为他发明了当时信息产业最重要的产品——半导体晶体管(见图1),这个人就是威廉·肖克利。

图 1   半导体晶体管图 1   半导体晶体管

  肖克利是应用物理学和电子学史上少有的全能型学者。在肖克利的那个年代,应用物理学家最常见的职业发展道路就是,在博士毕业之后进入贝尔实验室。肖克利也是如此。到贝尔实验室工作没几年,肖克利就发表了好几篇非常重要的论文,奠定了固态物理学, 也就是我们俗称的半导体的理论基础。特别是肖克利发明了半导体PN 结[1],而这是今天所有半导体元器件的理论基础。随后美国被卷入第二次世界大战,肖克利也和贝尔实验室的其他科学家一样服务于战争。由于他在很多种武器的发明方面做出了杰出的贡献,因此获得了美国的最高荣誉勋章(Medal of Merit)。这个勋章由美国总统亲自签发,只授予那些极少数的杰出贡献者,比如“原子弹之父”奥本海默等人。我们前面提到的大科学家维纳和香农虽然对战争做出的贡献也很大,却没有能够获得这个勋章。二战后,肖克利重新回到了民用领域的科学研究。当他看到半导体在未来的电子和信息产业巨大的应用前景之后,便成立了贝尔实验室的半导体研究所,开始着手把他在半导体研究中的理论,变成切实能够取代电子管的电子器件——晶体管。

图2  真空电子管图2  真空电子管

  20 世纪 50 年代之前,在和信息发射、传输、处理相关的电路中最为重要的元器件就是真空电子管(简称电子管,见图2)。电子管从外形和结构上讲有点儿像白炽灯泡,它也是抽真空的,里面有灯丝,工作时需要点亮灯丝加热。和白炽灯泡所不同的是,当电子管里的灯丝被加热后,在电子管的正负两极之间加上电压,电子管中就会形成电子流。当我们通过电路在电子管的一端(栅极和阴极之间)微调电压时,就能在它的另一端(阳极)得到几十倍甚至几百倍的电压变化。因此,电子管可以在电路中起到放大信号的效果。当然,电子管也可以做成像继电器那样的电子开关。所有的这些性质都让它成为无线电发射和接收,以及计算机的开关电路中不可或缺的元器件。不过电子管有三个十分致命的缺陷。

  第一,它太昂贵,也太耗电,无论是价格还是耗电量,电子管都占了电子产品的 90% 以上。这就是世界上第一台电子计算机 ENIAC 耗电量如此之大的根本原因。

  第二,它又大又重,而且特别娇气。因为电子管本身如同电灯泡,一摔就碎。大家可以想象,一个装了六七个“白炽灯”的收音机摔到地上将会是什么结果。因此,用电子管做的收音机,在家里一定要轻拿轻放,不然很容易毁掉电子管。但是在战场上,这么脆弱的设备用不了多久就被损毁了,更不要说设备又大又重,也不方便使用。

  第三,电子管的寿命很短。如同白炽灯泡使用 1 000 小时左右就会烧坏一样,电子管的寿命通常也只有几千个小时。如果用上万个电子管来制造一台计算机,通常几分钟就会有一个损坏。这样的计算机显然无法长期稳定地运行。

  肖克利在研制中发现了半导体(硅或者锗)的一些天然性质,让它们有可能做成像米粒儿大小的元器件,以此取代一号电池大小的电子管。当然,这件事在二战前还只是在理论上存在可行性。而且,要把导电性能只有铜的万分之一,且非常易碎的硅或者锗做成电路的元器件,大家想都不敢想。然而,肖克利在看到信息产业的兴起对新的元器件的巨大需求之后,毅然决定知难而上,完成这项看似无法完成的任务。这就是他成立半导体研究所的初衷。

  肖克利的手下可谓人才济济,特别值得一提的是,他的下属约翰·巴丁(John Bardeen)和沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)首先在半导体元器件的研究上取得了技术突破。但是,肖克利认为下属们用到了自己的理论,所以应当在申请专利时加上自己的名字,甚至只应该有他的名字。而巴丁等人断然拒绝了肖克利的要求,这让肖克利很恼火,最后他们得到一个两败俱伤的结果。由于巴丁等人没有在专利上加肖克利的名字,于是肖克利就利用自己在学术界和实验室的影响处处排挤他们,不让他们再参与任何实质性的研究。不过,这件事也确实大大地刺激了肖克利,他夜以继日,加快了研究工作,并且最终在另一个团队的帮助下,发明了晶体管最关键的技术,并且随后做出了可以实用的半导体晶体管。

  就在肖克利等人全身心地投入晶体管的研制时,大洋彼岸的欧洲科学家也在做类似的研究,但是比贝尔实验室的科学家足足晚了 5 年。究其原因,主要是双方在研究方法上有一定的差距。肖克利等人不仅精通半导体理论,更懂得如何根据当时的工艺条件来设计半导体晶体管的技术方案。而世界上的其他科学家,仅仅是根据半导体的物理特点来设计元器件。当完成了产品设计,却发现工艺条件无法实现时,他们要么重新设计一种产品方案,要么花很多时间去改进其实根本无法在短时间内改善的工艺条件,这样一来一去就走了很多弯路。肖克利等人的成功可以讲是逆向思维的结果,因此,当贝尔实验室向全世界展示出能够实用的晶体管后,全世界电子行业和应用物理领域的科学家都惊呆了。

  晶体管是 20 世纪上半叶最重要的发明之一。它相比电子管可以节省 100 倍的能量,价格便宜 10 倍,体积缩小了 100 倍,而且几乎不会有使用寿命的限制。晶体管的发明不仅使电子产品得到了迅速普及,也使工业生产的自动控制成为一种可能。虽然维纳在二战后已经发表了控制论,并且这个理论也已经被工业界普遍接受,但是在工厂里是难以用脆弱且昂贵的电子管来制造自动控制设备的,而晶体管的出现解决了这个问题。此后不久,世界上诞生了机械臂,并且开始出现无人工厂。再往后,各种工业设备以及民用设备(比如电梯)都开始用信息进行控制。也就是说,晶体管的出现大大加速了人类社会的信息化进程。

  在发明了晶体管之后,肖克利在短短 5 年内就获得了各种各样的荣誉,包括美国工程院院士(当时他只有 41 岁)和各种大奖。他成为各个媒体追踪报道的对象,这也让他在诺伊斯等人的心里像神一样的存在。诺伊斯本人其实也是一位应用物理学的天才,他出生在美国中西部的一个小镇,从小就爱制作和发明各种机械。还是在中学时他就自己制造过汽车,而且驾着自己做的滑翔机飞行过。在年轻时他制造过很多恶作剧,也为此受过法庭的处罚,但是在大学毕业之后,他进入麻省理工学院深造,并在那里对半导体产生了极为浓厚的兴趣, 成为大家公认的半导体领域的新星。

  肖克利很早就知道诺伊斯这个人,因为诺伊斯算是他的同行,但是肖克利真正对诺伊斯产生好感是在一次学术会议上听了后者所做的学术报告。因为他发现这个年轻人很会做研究,而且讲解任何事情都是一针见血,条理清晰。当他准备自己创业办公司时,便想到了诺伊斯。至于摩尔,其实他根本不懂什么电子技术,他是一位化学家。但是肖克利知道,他需要一个十分精通化学的人来帮助自己解决半导体制造中可能出现的很多问题,便邀请摩尔加盟他的公司。肖克利用类似的方法,还物色到了另外 10 多位年轻才俊。他们之中的绝大部分人,后来都成为改变世界的大人物。

  肖克利看人的眼光极准,以至他挑选人才的方法在很长一段时间里都被硅谷的许多公司模仿。具体来讲,肖克利考察人才有两个标准:第一是聪明,肖克利是一个非常相信智商的人;第二是考察一个人是否会做研究。比如,肖克利经常在学术会议上通过听研究生做报告,来判断他们的研究能力是否出色。

  肖克利认为,一个人只要足够聪明,又会做研究,就会有出息。至于那些专业领域的知识,那是可以后期学习的。肖克利这种招聘人才的做法后来直接被谷歌和微软采用。这两家世界知名的 IT(信息技术)企业在早期一直喜欢考技术岗位的求职者智力题,但是很少询问研究生在校时所做的研究课题。很多求职者对此感到十分困惑。这其实是在考察那些应聘者的智商,而那些所谓专业知识,在这两家公司看来其实根本不重要,因为在学校没学过的知识以后可以学,但是如果智力太差将来成功的概率就会很低。谷歌还曾经在加利福尼亚的101 高速公路边上用大广告牌登出这样一则广告:

  {无理数 e 中前十位连续的素数}。com

  你如果知道这个答案(7427466391.com),就可以通过答案中的这个网址进入谷歌的招聘网站。而能够计算出这道题,需要这个人很聪明。当然,后来由于受到政治正确[2]的影响,这两家公司不再考求职者智力题了,以免某些族裔的人不能通过。

  1956 年,肖克利的公司——肖克利半导体公司,可以讲是“兵强马壮,士气高涨”。这种高涨的士气在那年年底肖克利获得诺贝尔奖时达到了高潮。但是半年后,这家明星公司就行将解体,而问题就出在公司创始人肖克利身上。那些青年才俊此时才发现,他们不远万里投奔自己的偶像,却忘了思考一个非常重要的问题:为什么肖克利过去的下属没有一位留下来跟着他一同创办公司。

  “八叛徒”中的诺伊斯道出了信息工业的本质

  肖克利半导体公司的员工很快就发现,他们的老板是一位极为罕见的怪人。有一次公司丢了一点儿小东西,肖克利居然让每个人都去测谎,并且把测谎变为一种常态。在工作中,肖克利表现出了对员工的极度不信任,甚至禁止大家讨论工作中的问题,因此整个实验室处于一种病态的氛围中。那些青年才俊都知道,如果一直这样下去,公司迟早关门。在这种情况下,一位叫作尤金·克莱纳(Eugene Kleiner)的员工在摩尔等 6 位员工的支持下,决定为拯救企业做最后一搏。他们决定共进退,去找公司的投资人、化学上常用的 pH 计量仪的发明人阿诺德·贝克曼(Arnold Beckman),看看他能不能说服肖克利退居二线,不再操心公司的日常管理。在出发前,大家觉得应该询问一下诺伊斯的意见,因为他是公司里威望仅次于肖克利的技术专家。

  大家之所以一开始没有找他,是因为诺伊斯过去在管理上曾经和肖克利站在了一起。出乎大家预料的是,诺伊斯十分爽快地加入了他们。这背后的深层原因就是肖克利常常利用自己的影响和权力在技术上打压诺伊斯,使得后者的一些重要科研成果无法及时发表,其中就包括诺伊斯发明的“江崎晶体管”。为什么诺伊斯的发明会被冠以日本人的名字呢?正是因为他没有能够及时发表自己的专利成果,后来被日本科学家江崎玲于奈抢先,并且后者在 10 多年后获得了诺贝尔奖。江崎玲于奈后来感慨道,其实诺伊斯的发明在先,但是被人为耽误了。诺伊斯一生和诺贝尔奖无缘,他后来又第二次错过了获得诺贝尔奖的机会。

  诺伊斯等 8 位年轻人和贝克曼谈过之后才发现自己还是太过天真。贝克曼是老一代的科学家和企业家,一样的经历决定了他和肖克利的想法如出一辙。他也觉得世界上就该是一切由老板说了算,不论是在学术界还是在工业界。这也就不难理解为什么当初肖克利在贝尔实验室会打压巴丁等下属。巴丁后来被肖克利压制得无法再进行半导体研究,并且很快离开了贝尔实验室。不过他也证明了自己才是世界上最优秀的应用物理学家,并成为世界上唯一一位两度获得诺贝尔物理学奖的科学家[3]。正是因为肖克利的这种霸道作风,才使得当初贝尔实验室没有一个人愿意和他一同创办公司。看清了现实的这 8 位年轻人,只好自己想办法去找投资,继续支持他们的研究工作。

  开弓没有回头箭,8 位年轻人只能继续往前走。克莱纳想到了给他父亲管理股票的纽约基金管理人,于是给那个人写了封信。也许是他们 8 个人的运气好,虽然那位基金管理人辞职离开了,但是这封信落到了一位叫阿瑟·洛克(Arthur Rock)的继任者手上。阿瑟·洛克当时的年龄比克莱纳还小,毫无名气,但是日后他有了一个十分响亮的称谓——风险投资之父。年轻的洛克对科技充满了好奇,当他看到远在旧金山湾区的 8 位年轻人声称自己会制造晶体管时,就如同深圳的一个投资人,听说黑龙江的漠河地区有人研发出抗癌药一样惊奇。最后他成功地说服了自己的老板艾尔弗雷德·科伊尔(Alfred Coyle),两个人自费飞到加州去和这 8 位年轻人会面。

  见面后,洛克和科伊尔立刻就被这 8 位年轻人所做的事情以及他们对未来的信心吸引了。但是,由于他们来之前并没有期待能得到什么结果,不仅没有带合同,甚至连公文纸也没有带。但是科伊尔脑子转得很快,当即掏出 10 张一美元的钞票放在桌子上,对大家讲:“我没有准备合同,但是大伙在这个上面签个名,就算是我们的协议!” 接下来,信息产业的伟大时刻到来了,诺伊斯、摩尔、克莱纳、洛克和科伊尔等 10 人分别在这 10 张钞票上签了名。这 10 张一美元的钞票成为硅谷诞生和风险投资出现的见证。

  根据大家商量的结果,洛克帮助诺伊斯等人创办的新半导体公司寻找资金。他联系了自己的 30 多个大客户,但均没有找到投资。这个结果让洛克和科伊尔感到非常意外,因为那些富甲一方的有钱人对这样一个有着广阔前景的好项目居然没有一点儿兴趣。不过,洛克后来回想起这件事,觉得这一点儿都不奇怪,因为他根本就没有找对人。洛克找的这 30 多位客户虽然都非常有钱,但是对技术一窍不通。

  他们分别是联合鞋业公司、通用磨坊公司(一家食品厂)、北美长途运输公司等大公司的老板。在一连串的碰壁之后,洛克终于找对了方向——IBM 公司当时最大的股东费尔柴尔德(Fairchild)家族。

  费尔柴尔德家族的上一辈曾经资助老沃森重组 IBM 公司,并因此成为 IBM 公司最大的股东。在二战期间,这个家族的第二代掌门人谢尔曼·费尔柴尔德(Sherman Fairchild)成为美国军方航空照相器材和侦察机的承包商,也可以算是一名科技行业的老兵。这一次诺伊斯参与了谈判,并且成功地说服了费尔柴尔德。在会谈的过程中, 诺伊斯用几句话道出了未来信息工业的本质。诺伊斯讲,这些本质上是沙子和金属导线的基本物质将使未来晶体管材料的成本趋近于零, 于是竞争将转向制造工艺。今后,廉价的晶体管将会使电子产品的成本急剧下降,以至制造它们比修理它们更便宜。如果费尔柴尔德投资他们的公司,他将赢得这场竞争。

  费尔柴尔德显然听懂了诺伊斯在 1957 年对即将到来的信息时代特征的描述。多年后,这位老人回忆说,他之所以愿意在 62 岁的“高龄”冒险给半导体这个新兴产业投资,正是诺伊斯所描述的极其广阔的产业前景深深地打动了他。当年诺伊斯对于信息产业特征的描述即使在今天也依然成立。半导体乃至整个信息产业,无非是把硅和铜这种自然界很常见的元素,通过特殊的制造工艺变成电子产品。今天,台积电之所以能成为全世界最大的半导体制造企业,其核心竞争力就在工艺上。采用同样的设备,台积电能做到 80% 的成品率,而一些平庸的制造企业,成品率却达不到 40%。而在生产工艺的背后又是科学技术的竞争,这一点我们在后面会看到。

  由于之前并没有风险投资,大家基本上只能按照见者有份儿的原则平分股权[4]。至于费尔柴尔德,他以贷款的形式投资 138 万美元, 并且有权在 8 年内的任何时间以 300 万美元的价格从诺伊斯和洛克等人手中回购全部股份。诺伊斯等人觉得协议不错,就接受了这个条件,然后就通知肖克利他们集体离职了。而这家新的公司就是以费尔柴尔德家族的名字命名的,中文译名是仙童公司。

  肖克利闻讯后怒不可遏,斥骂他们 8 个人是叛徒,并且到处对人们讲,当初他们(除了诺伊斯)都不懂半导体,是他教会了他们,现在他们却忘恩负义,背弃了自己。但是,愤怒归愤怒,因为在加利福尼亚这个地方,在劳资纠纷中,员工是受到法律保护的,所以肖克利根本无法阻止诺伊斯等人另立门户。从此,“八叛徒”这个词就成为信息产业历史上一个重要的专有名词,甚至“叛徒”这个词在硅谷都是褒义词。

  仙童公司在诺伊斯等人的手上不到一年便赢利了,在当时,这可以说是创业的奇迹。当然费尔柴尔德随后便根据协议回购了全部股份,并且完全控制了公司。诺伊斯等人先是沉浸在发财的喜悦中, 但是没过多久就感到失落了,这也为后来仙童公司的解体埋下了伏笔。因为不久之后,就有员工学着他们的创始人,从仙童公司叛逃出去自己办公司了。在看到半导体产业巨大的发展前景后,离职创业的人越来越多。

  两年后,居然连“八叛徒”请来的总经理斯波克也跑出去开公司了[5]。在随后的 10 多年里,这家公司里员工的离职就从来没有停止过。当然,诺伊斯等人靠着自己的人格魅力和对员工的关怀,不断吸引着新的青年才俊加入仙童公司,补充人员缺位, 形成了公司内部人才的动态平衡。就这样,仙童公司通过不断地培养“叛徒”,在旧金山湾区创造出了一个又一个新的半导体公司,最终缔造了全世界的半导体产业,直到仙童公司自己最终消失在了历史的尘埃中。到 20 世纪 60 年代末,在旧金山湾区召开的全世界半导体公司巨头会议上,九成参会者都曾经在仙童公司工作过。20 世纪 70 年代初,一位记者给这个挤满了半导体公司的旧金山湾区起了一个新的名字——硅谷。

  今天当回顾硅谷的发展史时,人们都会讲到“八叛徒”和仙童公司的贡献,是他们自己的叛逆行为,以及他们对叛逆的宽容,不仅缔造了半导体产业,而且让整个信息产业成为世界上唯一一个能够按照指数级速度增长的产业。当然,半导体产业乃至整个信息产业能够持续发展还有一个根本原因,那就是诺伊斯所说的,这个产业的成本其实很低,因为原材料就是铜和沙子,关键在工艺上。这样,电子和信息产品的价格主要取决于产品的技术附加值,而非物质成本。相比之下,世界上其他产业都做不到这一点。

  在信息产业产品的所有工艺中,将大量的元器件装入一个小盒子的工艺最为重要,它就是集成电路技术。

  将所有的电路做到一个硅片上

  仙童公司能够在成立后短短的一年内就实现赢利,堪称奇迹。这一方面是因为“八叛徒”有着过人的本领,另一方面则是靠着军方以及 IBM 公司的合同。

  1955 年,美国开始研制女武神超音速远程轰炸机(XB—70),这是人类迄今为止速度最快、(考虑通货膨胀因素后)造价最贵的战略轰炸机。这款轰炸机 3.1 马赫的巡航速度,让今天所有战斗机都无法望其项背。如此高性能的飞机对机载雷达等电子设备的要求极高,那些沉重而脆弱的玻璃真空管显然无法满足它的要求。因此,体积和重量更小,性能稳定的晶体管是唯一选项。但即便是晶体管,早期使用锗制作的晶体管也无法在极端恶劣的场景中正常工作——它们太容易碎,而且热稳定性较差。因此,直到 1957 年,美国军方也没有找到解决办法。

  仙童公司成立后,诺伊斯等人通过 XB-70 的设备供应商 IBM 公司和美国军方取得了联系,并且让对方相信当时只有仙童公司才有能力制造出如此高性能的晶体管。经过 IBM 公司的撮合,仙童公司最终拿下了 XB-70 轰炸机的晶体管合同。当时美国军方不在乎钱,只在乎产品的性能是否适用于飞机。军方给出了一支晶体管 150 美元的高价,这可比电子管的价格高多了(高出了大约两个数量级),但是他们根据军工标准对晶体管的各项性能提出了非常严格的要求。

  这个极为苛刻的合同对仙童公司来讲是一把双刃剑。如果成功了,它将在行业中一炮打响;如果失败了,“八叛徒”的创业就失败了一大半。诺伊斯等人之所以敢接这个项目,是因为他们有自己的新思路——用更结实的硅取代锗,来制造晶体管。

  相比锗,硅太硬,不好加工,这是肖克利等人最初不愿意使用硅作为半导体材料的根本原因。但是要达到美国军方的要求,硅又是唯一的材料选择。于是诺伊斯把 8 个人分成两组进行技术攻关,这两组分别由摩尔和另一位创始人琼·赫尔尼(Jean Hoerni )带领。最后赫尔尼的小组发明了一种被称为平面工艺的半导体加工技术,可以将硅片做成晶体管。平面工艺原理有点儿像用底片冲印照片,如图 3 所示。

图 3  将硅加工成晶体管的步骤图 3  将硅加工成晶体管的步骤

  第一步,将设计好的晶体管电路拍照,然后复制很多份(通常上百份),铺在一个平面上,这就相当于照片的大底版。第二步,把硅片放到底版下面,用光照在上面进行光刻。底版中线路的部分会阻挡“曝光”,形成硅片上的电路。这样一次光刻,就可以在硅片上刻出上百个晶体管。第三步,把刻好的一个个晶体管切割下来进行封装。仙童公司使用这种工艺制造出了性能非常可靠的硅晶体管,而且制造成本也下降了很多。

  在完成军方的合同后,仙童公司在信息产业名声大振。整个信息产业都相信“八叛徒”已经青出于蓝了,接下来,各种合同源源不断地送上门,仙童公司还顺利地拿下了 IBM 公司的晶体管合同。当时 IBM 公司正在研制晶体管计算机,而交由仙童公司生产的这批晶体管就是用于制造这种计算机的。这个合同不仅给仙童公司带来了足够多的营收,而且让计算机从电子管时代进入晶体管时代[6]。从此,计算机开始普及,它的主要任务也逐渐由大量的科学计算变成了商业信息处理。不过,靠一个个晶体管搭建起来的计算机依然十分昂贵,而且由于元器件数量太多,极容易出故障,需要专职的专家来维护。要想让计算机成为全社会信息处理的工具,还需要新的技术。

  这项新的技术其实是平面工艺的自然衍生。1958 年,诺伊斯从赫尔尼的平面工艺中受到启发。当时,晶体管先要在半导体生产线上被光刻到硅片上,再一个个地切割下来,然后由生产线上的女工用细小的镊子在放大镜下装上导线,封装到金属壳中,组装成一个个晶体管成品。最后,将一个个晶体管焊到电路板上,进一步组装成电子产品。这个过程一共要经过五六个环节,成本非常高,而且中间无论哪一个环节出了问题,最后的产品都是废品。与其这样,还不如将电子设备的所有电路和一个个元器件都制成底版,然后刻在一个硅片上, 这个硅片一旦刻好了,就是全部的电路,可以直接用于组装产品。正是从这个思路出发,诺伊斯发明了集成电路。

  就在诺伊斯发明集成电路的时候,德州仪器公司的一名科学家也在独自做类似的研究工作。当时刚从一家小公司跳槽到德州仪器公司当经理的张忠谋和这位尚未出名的科学家成了好友。他们通常都是最早到公司的两个人,便经常一起喝咖啡聊天。有一天,这位科学家告诉张忠谋,自己在做一件十分伟大的事情——将晶体管一个个地排在一起,做成具有特定功能的电路。张忠谋看不出这种电路有什么用途,也不觉得他真的能做出这种电路来。但是不久之后,这位在张忠谋看来平凡得不能再平凡的科学家真的把这种电路做出来了,并且取得了世界上第一个有关集成电路的专利。这位科学家在 2000 年因为发明集成电路而获得了诺贝尔奖,他就是杰克·基尔比。非常遗憾的是,诺伊斯当时已经去世,于是第二次和诺贝尔奖失之交臂。基尔比在独得这项物理学最高奖时发表了这样的获奖感言:“要是诺伊斯还在世,他应该与我分享这一荣誉。”

  谁第一个发明了集成电路,这在 20 世纪 60 年代一直是个颇具争议的话题,并且引发了仙童公司和德州仪器公司长时间的官司。今天对于这个问题,信息领域已经有了共识。基尔比发表的专利略早于诺伊斯,但是他们二人的专利不是同一个东西。基尔比发明的其实是一种被称为混合型的集成电路,并不是一个完整的集成电路。基尔比的发明是将一些分离的元器件做到一个封装在一起的电路板上,如图4中左图那块封装起来的电路。而诺伊斯发明的才是我们今天所理解的真正意义上的集成电路,即在一个封装好的芯片中包含了所有的电路,如图4中的右图。

图4  基尔比发明的混合型集成电路和今天普遍使用的集成电路图4  基尔比发明的混合型集成电路和今天普遍使用的集成电路

  如果按照基尔比的发明,生产出来的“模块”是没有市场,也没有发展前途的。但是,在“把电路和元器件集成到一起”的专利上, 基尔比又比诺伊斯略早。1966 年,法庭最终裁定将集成电路想法(混合型集成电路)的发明权授予了基尔比,将今天使用的封装到一个芯片中的集成电路(真正意义上的集成电路),以及制造工艺的发明权授予了诺伊斯。他们分别所在的德州仪器公司和仙童公司也因此达成协议,共享集成电路的专利,并且都因此获得了巨大的利益。在 20世纪 60 年代的早期,其他企业也做出过类似集成电路的发明或者设计,并且和仙童公司、德州仪器公司有过专利之争,但是都无一例外地败诉了。因为它们发明的时间较晚,而且所发明的东西其实并不是真正意义上的集成电路。

  今天,更多的人把集成电路的出现看成信息时代开始的标志,而不是以 1946 年ENIAC 的诞生或者 1948 年香农信息论的诞生为标志。他们的依据是,虽然从 20 世纪 40 年代开始,世界上出现了以信息为核心的产业,但是还不能够把整个时代称为信息时代,因为那时的信息技术还无法广泛地影响到社会生活的方方面面。但是集成电路出现之后,情况就大为不同了。当一个芯片完整地集成了信息控制、处理和传输功能,它就可以直接应用于各种工业产品和民用产品,这时我们的社会才变成了由信息驱动的社会。

  与肖克利一同获得诺贝尔奖的巴丁称,集成电路为轮子之后的最重要的发明,这是一个极高的赞誉。当初见证了基尔比发明集成电路过程的张忠谋说,从基尔比的工作中,他体会到了前瞻技术的力量。此后,即便是那些看似和自己的当下事业无关,但有可能改变产业的新技术,张忠谋也一律给予应有的关心和重视。后来,张忠谋创办了全世界最大的半导体制造公司台积电,他一直感谢基尔比早年对他的启发。

  如果我们从信息和能量的关系来看,集成电路的出现比晶体管电路可以节省至少一个数量级的能量,并且由于所有元器件都做到了一个硅片上,并封装在金属壳内,它的体积和重量至少轻了一个数量级,可靠性也大大地提高了。如果没有集成电路,阿波罗登月是不可能成功的。因为在飞船上处理和传输信息的仪器,以及飞船的控制仪器都会太重,性能也不可靠。实际上,整个阿波罗计划订购了上百万片集成电路,它也因此成为当时仙童公司和德州仪器公司收入的一大部分。

  具有讽刺意味的是,集成电路的发明在为仙童公司创造了巨额的短期利润的同时,也导致它的 8 位创始人分道扬镳,以及公司后来的解体。

  在集成电路被发明后,仙童公司就开始面临一个是否要调整发展方向的问题。“八叛徒”之一的杰伊·拉斯特(Jay Last)认识到未来信息产业的发展方向将会围绕集成电路这个核心,而不再是晶体管等各种分离的元器件。因此他向当时公司的总经理诺伊斯建议,接下来应该停止扩大晶体管的生产线,将所有的资金都用于制造集成电路。作为集成电路的发明人,诺伊斯从内心由衷地赞同拉斯特的想法。不过在费尔柴尔德收回了仙童公司的全部股权后,“八叛徒”其实已经失去了公司的决策权。因此,诺伊斯讲,他一个人也做不了主,要和投资人商量商量。无论公司最后商量的结果是什么,此时的拉斯特都等不及了,因为外面有很多人拿着一大笔钱等着他出来做事情,于是他立即辞职了。和拉斯特一同辞职的还有发明平面工艺的赫尔尼,以及另一位创始人克莱纳。拉斯特等人和以费尔柴尔德家族所代表的公司控制人之间的分歧,其实反映出两个时代的对撞。费尔柴尔德家族的思路还停留在工业时代。他们希望,卖产品卖得数量越多越好。用这种思路来考虑问题,当然卖 100 个晶体管要比卖一个集成电路芯片更合算。然而拉斯特等人想的则是,信息时代人们购买的是产品信息处理的能力,因此所售产品的性能要比数量更加重要。

  和拉斯特一同离职的克莱纳并没有继续从事技术研发工作,而是创办了位于硅谷的第一家风险投资公司——凯鹏华盈。凯鹏华盈的英文名称是 KPCB,其中 K 就是克莱纳名字的首字母,它后来成功地投资了苹果、基因泰克、亚马逊和谷歌,成为世界上最知名的风险投资公司之一。不久之后,仙童公司主管销售的副总经理唐·瓦伦丁(Don Valentine)也离开了公司,创办了另一家知名的风险投资公司——红杉资本。拉斯特等人的离职虽然对仙童公司来讲是一个巨大的人才损失,却也促进了全世界半导体产业的迅速发展。特别需要指出的是,从 20 世纪 60 年代开始,全世界信息产业的持续高速发展, 在很大程度上要感谢风险投资的助力。

  费尔柴尔德家族并没有因为拉斯特的离职而理解信息时代的特点,这直接导致了后来诺伊斯和摩尔的离职,他们两个人将续写集成电路产业的奇迹。当然,仙童公司也和原先的肖克利半导体公司一样,从此退出历史舞台。不过,人们在回顾仙童公司时依然会说,它是历史上最伟大的公司之一。因为它不仅发明了集成电路,而且通过不断地分化出新的公司,开创了一个在长达半个多世纪的时间里全世界增长最快的产业。如果诞生于仙童公司的所有公司加在一起,它们的市值将会超过 3 万亿美元。对于全世界来讲,大家宁可要一个快速增长的产业,也不要一家巨无霸公司。

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