皇冠体育寻求亚洲战略合作伙伴,皇冠代理招募中,皇冠平台开放会员注册、充值、提现、电脑版下载、APP下载。

首页快讯正文

集成电路,到底是谁发明的?

admin2023-02-241a55555.net

本文来自微信公众号:鲜枣课堂(ID:xzclasscom),作者:小枣君,题图来自:视觉中国


1923年11月8日,在美国密苏里州杰斐逊城的一个普通家庭里,诞生了一个男婴。


男婴的父亲名叫赫伯特·基尔比(Hubert Kilby),是一个电气工程师,毕业于伊利诺伊大学香槟分校。男婴的母亲薇娜·基尔比(Vina Kilby),同样也毕业于这所学校。


小两口也许并没有想到,他们迎来的这个小生命,将来会成为一个伟大的工程师、发明家,甚至是诺贝尔奖获得者。他的发明贡献,将开创一个庞大的产业,改变整个世界。


这个男婴,就是集成电路的主要发明者之一,被誉为“芯片之父”的杰克·基尔比(Jack St. Clair Kilby)


杰克·基尔比,图/wiki


一个工程师的成长之路


1927年,也就是基尔比四岁的时候,他们一家搬到了堪萨斯州的萨琳娜(Salina)


基尔比的父亲赫伯特·基尔比,是堪萨斯电力公司(Kansas Power Company)的经理。那时,基尔比经常和父亲一起,巡视发电厂,观看发电和输电设备。时间一长,他就对这些电气设备产生了浓厚的兴趣,并立志也要成为一名电气工程师。


1937年,基尔比一家又搬到了距离萨琳娜100多公里的大本德(Great Bend)。在这里,基尔比度过了自己的高中生涯。


高中毕业时,基尔比为了实现自己的工程师梦想,前往参加麻省理工学院的入学考试。很可惜,最终他以3分之差落选(分数线是500,他考了497)


无奈之下,他只能选择就读父母的母校——伊利诺伊大学香槟分校。(需要说明的是,伊利诺伊大学并不是一所二流学校,而是美国最优秀的公立大学之一。)


入学后不久,珍珠港事件爆发,美国正式加入二战,杰克·基尔比也加入了美国陆军。


当时,他是陆军通信兵团(U.S.Army Signal Corps)的一名无线电通讯设备维修员,在印度东北的一个军事基地工作,专门修理无线步话机。据称,他还来到过中国,参加了几个月的作战(在史迪威将军的领导下)


参战的经历,给基尔比的成长带来巨大裨益。他事后回忆道:“学校外面的事情能让你很快成熟。当问题发生时,你必须面对它们,想出办法,解决它们,然后你就进步了。”


二战结束后,基尔比回到伊利诺伊大学,继续学业(学费由军队承担)


1947年,基尔比顺利获得了电子工程学士学位,并加入了中心实验室(Centralab)工作。这个中心实验室,是全球联通公司(Globe Union)设在米尔沃基(Milwaukee,威斯康星州的最大城市)的一个研究机构。


工作期间,基尔比通过参加夜校,获得了威斯康星大学米尔沃基分校的电子工程硕士学位。与此同时,他与芭芭拉·安吉斯(Barbara Annegers)结婚,并生育了两个女儿。


1947年,美国贝尔实验室的威廉·肖克利、沃尔特·布拉顿、约翰·巴丁,共同发明了世界上第一个晶体管,轰动了整个科学界。


图/wiki


基尔比也关注到了这个事件。他现场聆听了约翰·巴丁的演讲(约翰·巴丁也毕业于威斯康星大学,两人算是校友),对晶体管产生了浓厚的兴趣。他表示:“(晶体管的出现),意味着我的电子管技术课程白学了。”


1952年,迫于美国反垄断法的压力,贝尔实验室开始向全美38家公司低价授权晶体管的生产许可(授权费仅25000美金)。这其中,就包括了基尔比所在的全球联通公司。


获得授权后,基尔比被派到贝尔实验室,参加为期两周的晶体管技术研讨会。这期间,基尔比掌握了不少晶体管知识。


回到公司后,基尔比组建了一个三人研发小组。他们制造出了晶体管,并投放到市场,但并没有获得什么利润。


全球联通公司虽然名字很牛,但实际只是一个中小型公司。在利润不高的情况下,他们不愿意在晶体管上继续追加投入。于是,基尔比开始考虑跳槽,选择更好的发展平台。


经过一番对比,最终他加入了一家刚刚进入电子行业的公司。这家公司,就是后来的半导体巨头——德州仪器(Texas Instruments,TI)(顺带一提:和他同年入职的,还有另外一个大佬——台积电的创始人,张忠谋。)


从石油到电子,一个巨头的崛起


德州仪器是一家历史悠久的公司。它的前身,是1930年J·克莱伦斯·卡彻(J. Clarence Karcher)和尤金·麦克德莫特(Eugene McDermott)共同创立的“地球物理业务公司”(GSI,Geophysical Service)


当时的公司logo,图/wiki


这家公司的主营业务,是地质勘探。其实说白了,就是找石油(德克萨斯州拥有丰富的石油资源)


GSI成立后,碰上了美国经济大萧条,业务并不是很好。到了二战时期,GSI开始转型,为美国陆军和海军生产国防电子产品。他们的潜水艇探测设备,深受美国海军的欢迎,带来了大量的订单。


1951年,GSI公司旗下实验室和制造部门(专注电子产品)的业绩迅速超越了地理部门,公司实际上已经转型为电子产业公司。于是,公司改名为“通用仪器”(General Instrument)。同年,又改名为“德州仪器”,并沿用至今。


德州仪器的logo演变,图/wiki


1952年,德州仪器同样获得了贝尔实验室的专利许可。


这一年,原本在贝尔实验室工作的戈登·K·蒂尔(Gordon K. Teal)加入了德州仪器,担任研究主任一职。两年后,在他的领导下,德州仪器成功研制出第一个商用硅晶体管,以及第一台晶体管收音机,从此奠定了自己的行业地位。


集成电路的正式诞生


前面说到,基尔比在1958年加入德州仪器。


当时,德州仪器和美国通讯部队正在合作一个名叫“Micro-Module program(微模块)”的项目。项目的研究目标,是将晶体管、电阻、电容等电子零件的大小及形状统一,以此实现互相连接制程的标准化,减小电路空间,降低焊接难度和错误率。


基尔比认为微模块项目的思路并不合理,于是,他开始研究更好的解决方案。


一开始,基尔比设计了一个替代产品。结果,经过成本分析,发现成本过高,无法量产。于是,他陷入了研究困境。


1958年8月,事情的转机出现了。


德州仪器公司所在的达拉斯(Dallas),一到夏天就会非常炎热。所以,公司会给员工放假两周,让大家去度假避暑。


基尔比是新员工,并没有资格享受假期待遇。于是,他只能继续憋在公司,研究自己的项目。也许正是因为无人打扰,基尔比很快就取得了突破。


基尔比想到,英国皇家雷达研究所的著名科学家杰夫·达默(Geoffrey Dummer),在1952年的一次会议上,曾指出:“随着晶体管的出现和对半导体的全面研究,现在似乎可以想象,未来电子设备是一种没有连接线的固体组件。”


在这个思路的引导下,他发现,由很多器件组成的极小的微型电路,是可以在一块晶片上制作出来的。也就是说,可以在硅片上制作不同的电子器件(例如电阻、电容、二极管和三极管),再把它们用细线连接起来。


这一惊人想法,令他自己都感到十分兴奋。那一天,他在自己的笔记本上,详细记录了自己的想法,甚至还构思了一个完整的电路工艺流程,写了整整五页。


基尔比的笔记(部分),图/wiki


假期结束后,基尔比立刻向直属领导威利斯·阿德科克(Willis Adcock,当时是德州仪器开发部主管)汇报了自己的想法。他提出,自己可以做一个触发电路,进行验证。


威利斯·阿德科克的第一反应是觉得这个方案有点麻烦,不太靠谱。但是,考虑再三,他还是勉强同意了基尔比的建议。


于是,基尔比开始着手实施自己的方案。最初,基尔比准备采用“硅”作为衬底,制作电路。但是,当时的德州仪器并没有合适的硅片。无奈之下,基尔比选择了“锗”。


不久后,1958年8月28日,基尔比做出了自己的触发电路,效果非常不错。


1958年9月12日,德州仪器公司高层齐聚实验室。此时,基尔比自信地展示了集成在一块长7/16英寸、宽1/16英寸的锗片上的电路。


电路是一个带有RC反馈的单晶体管振荡器,整个是用胶水粘在玻璃载片上的,看上去非常简陋。电路的器件,则是用零乱的细线相连。


在众人的见证下,基尔比紧张地将十伏电压接在了输入端,再将一个示波器连在了输出端。接通的一刹那,示波器上出现了频率为1.2兆赫兹,振幅为0.2伏的震荡波形。


现场沉静了一会,才响起了热烈的掌声和欢呼声。基尔比成功了,他创造了世界上第一个采用单一材料制成的集成电路(Integrated Circuit)。从此,人类电子工业发展,进入了一个全新的时代。


,

皇冠足球投注网www.hg9988.vip)是皇冠体育官方投注网,开放皇冠信用网代理申请、信用网会员开户,线上投注的官方平台。

,

基尔比和他的同事,图/wiki


1959年2月6日,德州仪器和基尔比向美国专利局申报专利。在申请中,基尔比将他的新设备描述为:“一种半导体材料……其中电子电路的所有组件都完全集成”。


1959年3月6日,美国无线电工程师学会(也就是后来的IEEE)在纽约召开年会。德州仪器在著名的华尔道夫酒店,高调召开了新闻发布会,正式对外展示了基尔比的发明。


时任德州仪器半导体部门负责人的马克.谢泼德(Mark Shepherd,后来担任德州仪器总裁)在新闻发布会上称:“这是德州仪器宣布进入晶体管市场以来,最重大的一项发明”。


基尔比vs诺伊斯,谁是集成电路之父?


基尔比发明集成电路的同时,另一个人也在这个领域取得了突破。这个人,就是仙童半导体(Fairchild Semiconductor)的罗伯特·诺伊斯(Robert Norton Noyce)


罗伯特·诺伊斯,图/wiki


关于诺伊斯,我在之前关于仙童的文章里详细介绍过。他是威廉·肖克利嘴里的“八叛徒”之首,是仙童的创始人之一,也是后来英特尔的创始人之一。


仙童是“八叛徒”联合创立的公司,在半导体技术上拥有极强的实力。


“八叛徒”之一的让·阿梅德·霍尔尼(Jean Hoerni),发明了非常重要的平面工艺(Planner Process)


这个工艺,就是在硅片上加上一层氧化硅作为绝缘层。然后,在这层绝缘氧化硅上打洞,用铝薄膜将已用硅扩散技术做好的器件连接起来。


平面工艺的诞生,使得仙童能够制造出极小尺寸的高性能硅晶体三极管,也使集成电路中器件间的连接成了可能。


1959年1月23日,诺伊斯在他的工作笔记上写到:“将各种器件制作在同一硅晶片上,再用平面工艺将其连接起来,就能制造出多功能的电子线路。这一技术可以使电路的体积减小、重量减轻、并使成本下降。”


德州仪器公布基尔比的发明的消息,带给诺伊斯很大的震动。诺伊斯十分懊悔自己的动作还不够快,另一方面,他又发现,基尔比的发明,其实存在很大的缺陷。


基尔比的集成电路采用飞线连接,根本无法进行大规模生产,缺乏实用价值。


诺伊斯的设想是: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。此外,采用蒸发沉积金属的方式,可以代替热焊接导线,彻底消灭飞线。


仙童的硅晶体集成电路,图/wiki


1959年7月30日,诺伊斯基于自己的想法,申请了一项专利:“半导体器件——导线结构” 。


严格来说,诺伊斯的发明更接近于现代意义上的集成电路。诺伊斯的设计基于硅基底平面工艺,而基尔比的设计基于锗基底扩散工艺。诺伊斯依托仙童的硅工艺优势,做出的电路确实比基尔比更先进。


但是,基尔比的混合型集成电路已经具备集成电路的特点,而且申请时间更早。


于是,基尔比所属的德州仪器,与诺伊斯所属的仙童半导体,展开了激烈的专利大战。


对于这场官司,基尔比表示:“没人会对我是第一个制造出集成电路的人发生疑问。诺伊斯博士是第一个做了我想做的事——用蒸发金属来做器件之间的连线。诺伊斯博士的做法和我已经做过的相差很远,他说他是同情我才把我当作共同发明人,但我不这样认为。”


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。


基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”,而诺伊斯则是“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。


这一年,德州仪器公司和仙童公司达成了交叉许可协议,共享集成电路的专利。


1969年,美国联邦法院从法律上判定,二者申请的集成电路专利是并行独立发明。


芯片时代的到来


1960年3月,德州仪器依据杰克.基尔比的设计,正式推出了全球第一款商用化的集成电路产品——502型硅双稳态多谐振二进制触发器,销售价格为450美金。


集成电路诞生之后,最先应用的是军事领域(当时是冷战最敏感的时期)


1961年,美国空军推出了第一台由集成电路驱动的计算机。1962年,美国人又将集成电路用于民兵弹道导弹(Minuteman)的制导系统。


后来,著名的阿波罗登月计划(Apollo Project),更是采购了上百万片的集成电路,让德州仪器和仙童公司赚得盆满钵满。


军用市场的成功,带动了民用市场的拓展。1964 年,Zenith公司将集成电路用到了助听器上,算是集成电路在民用领域的首次落地。从那以后,集成电路的成本逐步下降,工艺不断改进,逐渐为行业所接受。


1961年,德州仪器主席帕特里克.E.哈格蒂(Patrick E.Haggerty)为了推动集成电路的普及,安排基尔比设计一款全新的、可以拿在手里的微型计算器。


1967年,基尔比带领的小组,成功完成了这款产品的研发,也就是世界首款电子手持计算器——Pocketronic。


基尔比和他的计算器(左手),图/wiki


集成电路的更大意义,在于它为微处理器的问世铺平了道路。


1970年,英特尔推出世界上第一款DRAM(动态随机存储器)集成电路1103。次年,他们又推出世界上第一款包括运算器、控制器在内的可编程序运算芯片——Intel 4004。


Intel 4004,拥有2300个晶体管,是世界上第一款微处理器。它的诞生,揭开了微型计算机时代的序幕。


迟到的诺贝尔奖


1971年,基尔比离开德州仪器,从事咨询工作并继续其发明创造,也曾在德州农业和机械大学(Texas A&M University)当教授。


其间,基尔比曾在美国能源部的资助下,从事“清洁能源(太阳能)”的开发利用,建立了几个大型系统。但由于石油价格的下跌,太阳能项目未被重视,因此成果未能商业化。


1999年,美国《洛杉矶时报》评选出“50名本世纪经济最有影响力人物”,其中并列第一名的有三个人:威廉·肖克利、罗伯特·诺伊斯和杰克·基尔比。


2000年10月10日,瑞典皇家科学院宣布,俄罗斯科学家泽罗斯·阿尔费罗夫、美国科学家赫伯特·克勒默和杰克·基尔比,因在“信息技术方面的基础性工作”而获本年度诺贝尔物理学奖。 


基尔比因为在发明集成电路中所作的贡献,获得了奖金总额(900万瑞典克朗,约合100万美元)的一半。


此时,距离基尔比发明集成电路,已经过去了42年。


不管怎么说,迟到总比没到好。诺伊斯就很可惜,他在1990年6月3日突发心脏病去世(享年62岁),与诺奖失之交臂。


2005年6月20日,杰克·基尔比因癌症在达拉斯的家中逝世,享年81岁。


结语


基尔比的一生,拥有60多项发明专利。除了前面所说的集成电路、微型计算器和太阳能系统之外,他还发明过热敏打印机。


毫无疑问,他是一个伟大的发明家。他所做出的贡献,推动了社会的进步,值得我们永远铭记。


最后,让我们用德州仪器前董事会主席汤姆·恩吉布斯(Tom Engibous)的评价来结束今天的文章:


“我认为,有几个人的工作改变了整个世界,以及我们的生活方式——亨利·福特、托马斯·爱迪生、莱特兄弟,还有杰克·基尔比。如果说有一项发明不仅革新了我们的工业,并且改变了我们生活的世界,那就是杰克发明的集成电路。”


参考文献:

1. 《芯片战争》,科技-产业研究;

2.《60年前,世界上第一块集成电路诞生》;

3.《诺贝尔奖得主的发明故事》,上海交大图书馆;

4.《硅谷简史》,钱纲,机械工业出版社;

5. 维基百科。


本文来自微信公众号:鲜枣课堂(ID:xzclasscom),作者:小枣君

网友评论

热门标签