04　“大规模白痴”，芯片的发明

1957年12月20日，在纽约州奥韦威戈的IBM公司军工产品事业部的一间会议室里，气氛异常严肃，一张长桌的两侧分别坐着IBM公司的工程师和穿着正装的诺伊斯。

IBM公司刚刚从美国军方拿到了“B-70”瓦尔基里超声速战略轰炸机上的电子设备系统的订单，他们在寻找合适的晶体管供应商。这种轰炸机呈细长的流线型，装有6个引擎，飞行高度21千米，巡航速度极快，被称为“有人驾驶的导弹”，能携带核武器飞越数千千米，对电子元件的性能和可靠性要求极高。

费尔柴尔德从IBM公司内部打探到消息后，立刻转告了仙童半导体公司，那时他们手上空空如也，还没有接到一份订单。其他公司也闻风而动，跟仙童半导体公司争抢订单的有德州仪器、通用电气、摩托罗拉、休斯飞机（Hughes Aircraft）和雷神等一众大公司。

德州仪器公司早在三年前就做出了硅晶体管，而其他公司也大都参加过贝尔实验室早期的晶体管技术研讨会，并且有着丰富的制造军用电子产品的经验。

IBM公司的工程师向诺伊斯介绍，他们需要的晶体管工作电流应不小于150 mA，工作温度为85℃，工作电压为40V，指标不仅比民用晶体管高出一大截，还要通过严苛条件下的测试。

最后，他们问诺伊斯：“能否做出100个满足要求的硅晶体管？”

被激怒的物理学家，霍尼发明平面晶体管

诺伊斯被问到这个问题时，仙童半导体公司才成立三个月，位于帕洛阿托市查尔斯顿路844号的二层小楼刚装修好，还没有正式投入生产。此前他们都是在车库里办公，别说生产军用级别的晶体管了，就连任何一款晶体管产品都还没有做出来。

毕竟，这8个年轻人是完全白手起家。除了一栋空荡荡的小楼，没有任何机器设备。我们今天行走在任何一家现代晶圆厂里，里面都配备了高精尖的自动化设备。而20世纪50年代的仙童半导体公司的联合创始人们则要靠他们自己的双手攒出绝大部分设备来。

诺伊斯、拉斯特搭建了一间充满黄光的小屋，用来安放光刻设备。光刻要用到相机，以便缩小版图。为此，他们跑到旧金山的摄影器材商店购买了3个16毫米的光学镜头。他们还从柯达公司购买了光阻剂。

克莱纳和朱利叶斯·布兰克（Julius Blank）拼装了车床设备，罗伯茨搭建了拉晶机，而格林尼许开发了测试流程。有着宽大额头、戴着一副方形黑框眼镜的霍尼是一名理论物理学家，他的任务是坐在一张桌子旁思考。 ¹

摩尔搭建了高温扩散炉。在大学期间，他学习过吹制玻璃，现在派上了用场。他吹制了不同形状、大小的玻璃管和容积约为19升的壶，俨然组成了一座玻璃“丛林”。 ²

IBM公司高层对于这群年轻人能否做出晶体管颇有疑虑，首席执行官小托马斯·沃森（Thomas Watson Jr.）私下里跟费尔柴尔德等人打听他们的背景和能力。费尔柴尔德慷慨陈词道：“我是你们公司最大的个人股东，已经在这个团队上投资了100多万美元，就凭这一点，你们就应该给仙童半导体公司一次机会。”

在IBM公司的会议室里，诺伊斯果断地回答：“当然，我们做得到。”在场的同事都替他捏了一把汗。

后来，德州仪器公司评估后决定放弃。凭借费尔柴尔德的个人名誉担保，仙童半导体公司赢得了第一笔订单。这批硅晶体管每个报价高达150美元，并约定于1958年8月交货。

时间紧迫，仙童半导体公司同时成立了两个小组，分别研发PNP型晶体管和NPN型晶体管，他们约定，哪种晶体管先研发成功，就用哪种发货。摩尔领导了NPN型晶体管团队，而霍尼接手了PNP型晶体管团队。 ³

IBM公司订单中的NPN型晶体管较为容易，摩尔发明了用铝同时做出P型和N型硅引线的方法，成了后来业界的标准做法。 ⁴ 而霍尼负责的PNP晶体管则很棘手，团队一直无法解决金属喷镀的问题。

此时的晶体管工艺依旧不稳定，易受外界影响。空气中的灰尘污染、温度急剧变化，甚至在果园上方喷洒农药的飞机路过时发出的轰鸣声，都会对晶体管造成不可逆转的影响。 ⁵

1958年夏天，摩尔的小组率先开发出了NPN型扩散硅晶体管，并制造出了IBM公司所需要的100个硅晶体管。

好胜的霍尼输了竞赛，这让他心中的怒火被点燃了。霍尼的好友拉斯特对他十分了解：“霍尼是个很复杂的人。有时他很可爱，有时也很令人害怕。一旦他被激怒了，他就会在短时间内做出非常抢眼的成果！” ⁶

这位出生于瑞士的“八叛徒”之一曾拿到了日内瓦大学和剑桥大学的两个博士学位，而现在，他需要解决一个棘手的问题来证明自己的能力。

没过多久，仙童半导体公司的平顶晶体管被爆出有严重的稳定性问题。

*　*　*

晶体管的稳定性问题是在仙童半导体公司大规模出货后发现的。

1958年8月，仙童半导体公司在洛杉矶举行的WESON展会上宣告，他们成功地做出了商用的扩散硅晶体管，一举震惊了业界。

就在会场上，IBM公司又下了500个晶体管的订单，他们准备再要3 000个。一星期后，仙童半导体公司又制造出了1 000个晶体管。又过了一星期，他们制造出了1 500个晶体管。 ⁷ 这一数字每天都在不断地增长，仙童半导体公司的工厂每天能制造出700个晶体管，每个能卖到40～50美元。整个9月，仙童半导体公司收到了总额为65 000美元的NPN型晶体管订单，没多久就达到了50万美元。

一年前，这8位创始人还在为自己的前途忧心忡忡，觉得844号的场地永远都塞不满，而现在他们靠着100多万美元的投资和很短的时间，一举成为业界标杆。

1958年结束时，一个不安的声音在制造主管摩尔耳边响起，越来越多的客户投诉晶体管不稳定，摩尔立刻拉响了警报。

那时公司的客户大多是美国军方。为了建立核威慑力量，装载着原子弹的若干架“B-52”轰炸机24小时轮流在空中巡航警戒，上面的电子系统要绝对可靠。对于美国军方来说，昂贵的价格丝毫不是问题，但可靠性和稳定性必须要达到最高等级。

仙童半导体公司的一位客户是北美航空下属的自动控制公司（Autonetics），是一家军事用品承包商，为空军的“民兵”洲际导弹开发板载制导计算机。一次，摩尔拜访这家公司，发现对方把规格书中的故障率指标的百分号给省略了，这意味着客户要求的稳定性再提高100倍。

摩尔立即成立了一个小组来调查晶体管不稳定的原因，行动代号为“UFO”（不明飞行物）。 ⁸ 工程师们发现，只要用铅笔轻轻地敲一敲晶体管外面的金属壳，晶体管就可能失效。切割开晶体管外壳后发现，原来是金属壳内壁的金属屑掉了下来，吸附到裸露的PN结上，从而造成了短路。

摩尔着手改进生产环境的清洁度，消除金属壳里的微小颗粒，但收效甚微，这让整个团队陷入了束手无策的困境。

这时，霍尼出手了。1958年10月，他的团队已经可以稳定地生产出PNP型晶体管了，有精力腾出手来解决晶体管稳定性的问题。

如果不是被之前的比赛激怒，霍尼是不会关注晶体管的平顶结构问题的。霍尼为了解决这一问题，常常独自在夜里做实验，甚至将办公地点搬到了车间。

霍尼发现，这种晶体管从侧面看就像是一座有着圆形平顶或平台的火山，所以又叫平顶（平台）晶体管。平顶的火山口（N）是发射极，山腰（P）是基极，山脚（N）是集电极。而出问题的部位是山腰部分，那里是P和N的交界处，裸露的PN结会吸附金属屑（见图4-1）。

1959年1月，霍尼翻阅一年前的笔记本，发现自己曾经记录下一个新型晶体管的想法，那是他在1957年12月1日早上洗澡时突然想到的，他还请诺伊斯过目并签了字。但这种新晶体管在光刻时需要4个透镜，而诺伊斯和拉斯特当时只买了3个，这使得霍尼的想法被搁置了下来。

霍尼的想法是将那座火山彻底压扁、碾平，让山顶陷入山腰，而山腰陷进地面以下。从上方俯视，就像一个纯平面的同心圆，更确切地说，就像一个同心圆湖泊或者牛的眼睛。最中心的圆环是发射极，对应于火山口；中间的圆环是基极，对应于山腰；最外圈的圆环是集电极，对应于山脚。最后，在同心圆硅的表面覆盖一层薄薄的二氧化硅保护膜，将PN结彻底封在里面，确保其不会暴露在空气中被金属屑污染。

此前，人们认为二氧化硅层比较“脏”，包含了杂质，所以会用酸液清洗。但是霍尼正相反，他就利用二氧化硅这层绝佳的天然保护层，来避免晶体管受到金属屑和灰尘的污染。 ⁹

人类是幸运的，得到了二氧化硅这一天赐的礼物。它制作方法简单，而且绝缘性能良好，不溶于水 ，能很好地保护硅晶体表面，成了制造硅晶体管的标准材料之一。 ¹⁰

1959年3月12日，霍尼做出了第一个平面晶体管，各项指标远超平顶晶体管。众人用铅笔反复敲打，它依然能稳定地工作。美国军方对这个新产品很满意，要求剩下的货全部使用平面晶体管。

霍尼终于笑到了最后。 ¹¹

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随着硅晶体管的产量急剧增加，仙童半导体公司原有的产能已经不够用了，于是在附近盖了一座新工厂，以生产需求火爆的硅晶体管。

仙童半导体公司由此成为加州第一家蓬勃发展的半导体公司。1971年，一位《电子新闻》（ Electronic News ）的记者唐·霍夫勒（Don Hoefler）以“硅谷”为题目写了一系列文章，从此有了“硅谷”这个地名。多年后，在仙童半导体公司曾经的厂房地基上盖起了新的办公楼群，其中一座属于谷歌。

仙童半导体公司的厂房里，一条条生产线逐列排开，许多女工坐在工作台前，在显微镜前用细小的镊子夹起一小块从晶圆上切割下来的晶体管芯，小心翼翼地把它们放入黄豆大小的金属罐中封装好。这些女孩心灵手巧，被称为“晶体管女孩”。客户拿到货后，同样需要许多女工再把晶体管一个一个地焊接到电路板上。

不过，一个新的问题随之冒了出来。

计算机、通信设备中使用的晶体管越来越多，不同元件之间的互连线更多，一块电路板上往往要焊接成百上千条连接线，而晶体管的尺寸又如此之小，很容易出错。

就这样，电路系统中的元件数量很难再增多。如果不解决这个问题，未来电路中晶体管的数量最多有数千个，很难再突破。

1958年6月，在贝尔实验室为庆祝晶体管发布10周年的研讨会上，已经晋升为副总裁的杰克·莫顿说道：“所有这些功能都受到所谓‘数字暴政’的统治……如果我们必须依赖单个分立元件来制造大规模系统的话，庞大系统的‘暴政’将给未来的发展设下一道数字屏障。” ¹²

沉默的巨人，基尔比实现单片集成

而这时，仙童半导体公司正忙着应付雪片般的订单，无暇顾及“数字暴政”问题，反而是德州仪器公司先行动了起来。

德州仪器公司跟美国军方一直保持着很紧密的关系，而美国军方对电路的体积有着严苛的要求。德州仪器公司与美国军方合作了一个“微型模块”（micromodule）项目，并从美国军方那里得到了一笔资助。他们的目标是将电路做小，从而在电路板中放下更多元件。 ¹³

1958年春天，德州仪器公司收到了一位34岁的工程师杰克·基尔比（Jack Kilby，见图4-2）的求职信，他在一家名为中心实验室的公司工作了11年，解决的正是电路微型化问题，而且他也有晶体管方面的工作背景，是从事这个项目的极佳人选。

基尔比身高两米，他从伊利诺伊大学毕业那年刚好是晶体管诞生的1947年。第二年，基尔比听到了巴丁做的关于晶体管的演讲。1951年，基尔比被中心实验室派往贝尔实验室参加晶体管技术研讨会，学习了制作晶体管的技术。

中心实验室以印制电路板（简称PCB）起家，采用了一种类似于PCB的方法解决电路微型化问题——将电阻器和电容器等元件紧凑地布局在一个陶瓷片上，从而形成一个小巧的电路。

但是基尔比认为它没有真正地解决微型化问题。他想找到一个更好的方案，但公司太小了，无法给他资金资助，于是他萌生了换家公司的想法。此时德州仪器公司位列晶体管产业第一梯队，占据了20%的晶体管市场份额，正是基尔比理想中的求职公司。1958年5月，基尔比如愿加入了德州仪器公司。

跟基尔比同时加入德州仪器公司的，还有一位华裔工程师张忠谋。每天到了快下班时，两人会在茶水间的咖啡机旁碰到，顺便聊聊天。张忠谋毕业于麻省理工学院，在那里拿到了学士和硕士学位。而基尔比则没那么幸运，他高中毕业时考了497分，因只比麻省理工学院的录取线差了3分而与其失之交臂，这是他人生遭受的第一次挫折，让他难过了好一阵子。

转眼到了7月，得州的天气变得闷热。德州仪器公司的传统是夏季放假两周，绝大多数人都趁此时间外出休假，但是基尔比刚加入公司不久，还没有积攒到足够的休假天数，只好留在空旷的实验室里继续工作。他的上司威利斯·阿德科克（Willis Adcock）也去休假了，并没有给他布置任务。实验室里很安静，这让基尔比有时间坐下来静静地思考电路微型化的问题。

基尔比在堪萨斯州的草原上长大，跟发明晶体管的布拉顿一样。不过，基尔比的运气远不如布拉顿。太平洋战争爆发后，这名大一新生变成了一名通信兵，远赴缅甸和中国西南地区潮湿的雨林里维护无线电通信设备，直到战后才回到美国完成剩下的学业。

跟布拉顿正好相反，基尔比特别不善言谈。他说话时，人们会听见一个瓮声瓮气的声音从他那巨大的头颅中缓缓发出。他的女儿珍妮特·基尔比（Janet Kilby）曾打趣说：“如果被要求发言，爸爸会准备两个版本的讲话，较短的版本是‘谢谢’，较长的版本是‘非常感谢’。”

不过在那个夏天，基尔比面前只有半导体晶片，他不需要费力去想该说什么，只要静静地思考就可以了。

早在1952年5月，英国国防部一位雷达工程师杰弗里·杜默（Geoffrey Dummer）提出了一种微型化思路，他在华盛顿召开的电子元器件质量进展研讨会上指出：

现在看来，不用引线来连接元件组成电子线路板是可能的。这种线路板可以由绝缘层、导电层、整流层和放大材料组成，其电学特性可以通过切割出不同的区域而互连起来。

这次演讲为杜默赢得了“集成电路先知”的称号。但杜默一直没能做出实物。英国当时缺乏对于集成电路的急迫需求，英国国防部不愿意投入大量资金来做基础研究，因为看不到具体应用；市场方面也没有接纳它的环境，大家觉得还没有积累起足够的研发经验，致使集成电路研究陷入了“是先有鸡还是先有蛋”的死循环中。 ¹⁴

1953年5月21日，美国无线电公司的哈里奇·约翰逊（Harwick Johnson）提交了一份专利申请，在一块晶圆上集成多个元件以构成移相振荡器电路。但因为他缺少半导体扩散技术，最终没能做出可运行的集成电路。 ¹⁵

进入德州仪器公司后，基尔比得知公司上下都很重视的“微型模块”项目。它的做法是在一个标准的方形模块上集成晶体管等元件，每个模块就像一个乐高组件，可以和其他模块紧密地拼接起来，最后通过模块下方的走线互连起来。 ¹⁶ 但是，基尔比不喜欢这个方法。此外，美国军方还资助了“分子电路”的研究，分子电路是指元件就像分子一样，只要稍微变换就能像瑞士军刀那样完成不同的功能，这样就能减少元件总数，从而减少连线。但基尔比同样不看好它。 ¹⁷

基尔比思忖，如果他在这段时间不能想到一种解决电路微型化的方法，等同事们休假回来，他很可能会被分配到自己不想做的“微型模块”项目。因此，他必须尽快想出一个新方案。

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基尔比开始重新思考。他的出发点很实际，就是通过集成电路来降低成本。为此，他觉得应该用尽量少的材料类型来制造晶体管、电阻器、电容器等各种元件。而对德州仪器公司这种擅长提纯和制造硅的半导体公司来说，唯一能经济地制造元件的方法就是大量使用硅。 ¹⁸

这时，基尔比想起了在中心实验室时做的电路微型化方案，它是把各种元件都集成到陶瓷基材上。这使基尔比的灵感瞬间被激发了出来：只要把所有的元件都集成在硅基材上，包括元件本身也用硅制作，这样就能大大地缩小电路，实现“单片集成”。

但是，如何用硅来制造各种元件呢？虽然晶体管可以用硅制造，但是电阻器、电容器等元件呢？要知道，这些元件都不是用硅做成的，每种元件的材料和制作方法都各不相同。而基尔比提出仅仅用硅这一种材料来制造出所有这些元件，实在是一个违反常理的想法。

首先是电阻器。普通的电阻器是用碳粉黏结而成的一个长圆柱体，能阻碍部分电流。纯净的硅不适合做电阻器，因为它导电性不强，几乎阻挡了所有电流。但基尔比想到，如果向硅中掺杂带有额外电荷的元素，就能增强导电性 。掺杂的额外电荷越多，导电性就越强，电阻也越小。通过改变杂质的多少，就能做出想要的电阻器 。 ¹⁹

其次是电容器。普通电容器是两片铝中间夹了一层浸泡过电解液的纸。两片铝作为金属极板，分别存储正电荷、负电荷，两者被绝缘层分开。基尔比需要在半导体中找到一个类似的正负极板结构来做出电容器。他想到，半导体里的PN结能承担此任务，只要施加反向电压阻断电流，一侧剩下固定不动的正电荷，另一侧剩下固定不动的负电荷，就刚好可以作为电容器的正负极板（见图4-3）。

最后是电感器。普通电感器是用铜线绕制的螺旋线圈，只需用电阻很小的半导体硅，加工成螺旋状，就能做成等效电感线圈（见图4-4）。

在当时的工程师看来，基尔比的做法很蹩脚。经过上百年的完善，用传统方法制作的元件精度已经很高，而半导体器件很容易受杂质的影响，导致精度变差。而且传统元件很便宜，一美分就能买到几十个，而一个硅元件要好几美元。

但基尔比不这么认为。他觉得硅的原材料是沙子，丰富且廉价。将来随着硅的制造成本下降，由硅制成的任何元件都会越来越便宜。与其用碳粉、铝片、铜丝等各不相同的材料去分头制造电阻器、电容器和电感器，不如用廉价的硅来制造一切。 ²⁰

1958年7月24日，基尔比把自己的想法写在实验室的笔记本上并签了名。7月底，他的上司阿德科克休假回来后，基尔比小心翼翼地把笔记本上的想法展示给他看。

阿德科克很感兴趣，但这只是纸面上的一个想法，他对此半信半疑，希望看到基尔比用实验来验证他的想法。基尔比趁机劝说上司拨一笔经费并为他调配几个助手。但此时德州仪器公司的工程师都在忙于美国军方的“微型模块”项目。见阿德科克有些犹豫，基尔比继续劝说。

终于，阿德科克妥协了，同意折中一下，先试验一个简单的方案，即用硅分别做出单独的电阻器、电容器和电感器元件，但无须将它们集成在硅片上，只是用导线把它们连接起来。

8月28日，基尔比独自完成了这一步。阿德科克为基尔比亮起了绿灯，同意他将所有元件都集成在硅片上，做出一块完整的集成电路（见图4-5）。 ²¹

基尔比立刻行动起来。不过，当时德州仪器公司的扩散硅晶体管还不成熟，只有一些锗晶体管可以用，于是基尔比就地取材，将锗晶体管跟其他元件集成起来。

基尔比拿了一片已经包含了锗晶体管的晶圆，请技师把它切割成0.4英寸（约1厘米）长、1/16英寸（约1.6毫米）宽的小长条，比一颗葵花籽还要小。基尔比就在上面额外地做出了几个电阻器和电容器，组成了一个移相振荡器电路（见图4-6）。 ²²

1958年9月12日，基尔比将电路调试好，准备给上司阿德科克、研发主管谢泼德以及公司总裁哈格蒂等人演示一下。他用宽大的手掌将这片小巧轻薄的集成电路连接好，然后接通电源。一瞬间，示波器上水平的直线呈现出振荡波形，频率为每秒130万次。

哈格蒂的眼睛亮了，他看向谢泼德和阿德科克，发现他们也露出了同样的表情，每个人都用笑脸回应了这个漂亮的波形。世界上第一块集成电路成功地运行了，基尔比提出的“单片集成”的想法实现了！

实际上，基尔比做的第一块集成电路的外形相当丑陋，有许多不规则的形状，并且被固定在一块塑胶片上。

尽管如此，德州仪器公司高层还是表现出了他们的远见。哈格蒂很认同基尔比提出的将所有元件都集成在一起的想法，谢泼德热忱地给予了支持和鼓励。几个月后，曾经很火热的“微型模块”项目被慢慢地淡忘了，德州仪器公司转而全力支持这个“固态电路”项目。

9月19日，基尔比又将一个数字触发器电路也集成在半导体芯片上。从10月初开始，基尔比尝试在一片全新的锗片上制作集成电路，他使用了体电阻器、PN结电容器和平顶晶体管。到了1959年初，他终于做出了可以正常工作的实验模型。

不过，基尔比的集成电路还有一个很关键的问题没解决，那就是元件的互连。他还没有想出如何把半导体上的元件的互连线集成到芯片内部，因而不得不采用最原始的方法，即在电路外面用金线将它们手工焊接起来，这就像在一个堆满电器的房间里，在插线板上拉出许多条电缆，分别连到电风扇、电视机、音响等家电上，看起来非常凌乱。

而德州仪器公司芯片上的这个缺陷给它的竞争对手留下了可乘之机。

暗战，诺伊斯提出互连方案

仙童半导体公司在整个1958年都非常忙碌，诺伊斯尤其如此，他掌管研发部并负责寻找、联系客户，总是马不停蹄地在外面奔波、与人会面。

1959年1月20日，诺伊斯会见了美国保殊艾玛公司（American Bosch Arma）的代表，他们在为美国国防部设计一种计算机，需要将多个晶体管连接起来，组成逻辑电路。

这一年来，诺伊斯眼看着电路系统上晶体管的数量日渐增多，连线以指数级增长，将来必然遭遇莫顿所说的“数字暴政”的天花板。诺伊斯认为，“将许多晶体管焊接在电路板上并完成连线看起来很蠢，不仅昂贵，还不可靠。很明显，这限制了工程师能够建造的电路规模，但是没有人知道该怎么解决这个问题”。

1月23日，诺伊斯终于可以静下心来想一想这个问题了。这一天，他感觉此前头脑中所想到的点点滴滴都突然组合了起来，并拼合成了一个完整的想法。诺伊斯在笔记本上用钢笔飞快地记录起来，以便能追上他飞速涌出的想法：

在许多应用中，为了能够将不同的元器件连接起来以作为制造工艺的一部分，可以将多个元器件集成在一个单独的硅片上，这样就能减小每个有源器件的尺寸、重量和成本。 ²³

诺伊斯独立想出了集成电路，他不知道德州仪器公司的基尔比已经在4个月前就有了同样的想法。不过诺伊斯是幸运的，基尔比只想到了集成，却不知道如何解决元件互连问题。

诺伊斯想到，可以将全部互连线集成到硅芯片的表层下方，就像在房间地板下埋设电线，所有线缆都走地板下方，然后从插座引出，这样整个地板看起来就会干净整洁，而不是乱糟糟地到处拉电线。这样一来，不仅不需要手工连线，还极大地改善了电路的可靠性，可以让集成电路成为完整的一体。

不过，诺伊斯还有些细节没来得及考虑清楚，他既没有把这个想法告诉其他人，也没有请人在他的笔记本上签字见证。后来他回忆时说：“我们当时只是一家小公司，有许多紧急的、事关生存的事情要处理。”就这样，他把笔记本封存了一个多月。

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诺伊斯在笔记本上写下集成电路的想法5天后，1959年1月28日，德州仪器公司突然听到了一个令人不寒而栗的传言：美国无线电公司已经做出了集成电路。这个传言犹如晴天霹雳，震惊了全公司，大家无不神经紧绷。

德州仪器公司旋风般地行动了起来，他们立刻聘请了一位专利律师，协助基尔比撰写专利申请所需的文本，并将基尔比的“单片集成”想法写进专利申请书。事情来得如此突然，以至于元件互连的问题还没有解决，基尔比只不过是用飞线把元件连了起来。

基尔比也知道飞线不是一种实用的方法，但他此时来不及想更好的方法，因此，在专利申请书的示意图上画的仍是集成电路上方的飞线。

最终，基尔比这份包含了4页图形和5页文字的专利申请书在1959年2月6日提交到了美国专利商标局。 ²⁴ 此时，基尔比不知道诺伊斯已经想出了实现元件互连的方法。

2月下旬，仙童半导体公司的霍尼和诺伊斯接待了一位专利律师约翰·罗尔斯（John Ralls），他将协助霍尼为新发明的平面晶体管申请专利。罗尔斯经验丰富，他问了霍尼和诺伊斯一个问题：“为了更全面地保护平面晶体管这个想法，你们还能想到什么可能的应用？” ²⁵

罗尔斯的问题将诺伊斯于1月23日的想法重新激发了出来，再次激励他开动脑筋思考。诺伊斯已经想到将不同元件集成并互连起来，现在他们有了霍尼提出的平面晶体管，那么，这对于实现集成电路能起到什么作用呢？

诺伊斯想到，霍尼的平面晶体管的表面是纯平面，在上面覆盖一层二氧化硅，正好可以起到地板的作用。然后在上面铺设金属走线，就可以将不同元件互连起来。

为了将金属走线和器件连接起来，需要在绝缘保护膜的特定位置开一个小窗，就像在地板上量尺画线、开孔并做出插座面板，而这可以通过光刻技术确定位置，并用酸液腐蚀二氧化硅来实现（见图4-7）。在1958年底，诺伊斯在美国国防部的戴蒙德军械引信实验室（简称DOFL）会见了精通光刻的吉姆·纳尔（Jim Nall），现在纳尔已经加盟仙童半导体公司，光刻问题也迎刃而解了。

那如何在二氧化硅表面铺设金属呢？恰好纳尔也掌握了这一项技术。至于选用什么金属，此前摩尔已经想出了方法：只需用一种金属铝，就能同时引出PNP型晶体管和NPN型晶体管的连线。 ²⁶

就这样，诺伊斯一点点地把所有的技术细节都拼了起来，组成了一个完整的方案，所有的器件和互连线都可以用现有技术集成在同一片硅上。

诺伊斯后来回忆道：“我没有任何‘上帝，我发现了’这样的时刻。”每当诺伊斯有了新想法，他就会拐到摩尔办公的小隔间，站在黑板前画下自己的想法，而摩尔总会耐心地倾听，并尝试在诺伊斯充满激情的想法中剔除掉不合理的部分。 ²⁷

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在1959年3月6日的无线电工程师协会会议上，德州仪器公司发布了集成电路。此时悬在德州仪器公司全员心头的石子终于落地，有关美国无线电公司的传言是虚惊一场。德州仪器公司发布了基尔比做的集成电路，各个元件之间仍用芯片外的金线连在一起。

德州仪器公司总裁哈格蒂预测，固态电路将首先应用于电子计算机、导弹和空间飞行器。研发主管谢泼德在会上宣称：“这是自从德州仪器公司发布商用硅晶体管后所取得的最有意义的技术成就。” ²⁸

德州仪器公司发布集成电路的消息立刻传到了仙童半导体公司，这一回轮到他们紧张起来了。诺伊斯紧急召集研发部人员开了一次会议，并第一次跟大家公开了集成电路的想法。大家一致决定尽快将诺伊斯的点子申请专利。那么在专利的权利申明中，仙童半导体公司应该以哪一项作为他们的原创想法来加以保护呢？

诺伊斯等人猜测德州仪器公司一定已经将“集成”的想法写进了专利诉求，但肯定不是基于霍尼的平面技术，因为这是仙童半导体公司的“独家秘籍”，所以诺伊斯等人决定以霍尼的平面工艺为基础，突出诺伊斯提出的互连技术，将其放在第一个要保护的声明中。

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事后证明，这一策略很有预见性，因为不仅集成的想法已经被基尔比提出来了，而且芯片制造中另一个关键问题——元件隔离的方法也已经被其他人提出来了。

在一个电路里，无关的器件需要彼此隔离，否则容易造成短路或彼此干扰。这对于印制电路板而言并不是问题，因为印制电路板本身是绝缘的木板。而芯片则不同，所有元件都放在同一片硅上，但硅并不是优良的绝缘体，无法做到将无关的器件真正地隔离开来。这是硅芯片最大的技术挑战。

诺伊斯想到了关键的一点，不是将各个元件从物理上真正地分割开来，而是隔断它们之间的电气连接，即阻断电流，而这可以使用反向偏置的PN结来实现。 ²⁹

不过，斯普拉格电气公司的库尔特·莱霍韦茨（Kurt Lehovec）已经先于诺伊斯想出了这个方法。早在1958年底，莱霍韦茨参加了普林斯顿大学的研讨会，美国无线电公司的一位专家指出未来集成电路面临的困难就是如何隔离不同的元件。而正好莱霍韦茨之前在半导体上做过PN结，他想到只需施加反向电压就能隔离硅上的元件，问题就这么巧合地被解决了。 ³⁰

可是斯普拉格电气公司的领导根本不了解集成电路，认为莱霍韦茨的想法毫无实用价值，拒绝为其支付专利申请费。最后，莱霍韦茨自掏腰包，于1959年4月22日先于诺伊斯提交了隔离元件的专利申请。

仙童半导体公司在3月18日的会议上决定成立团队研究集成电路。 ³¹ 可就在这时，总经理埃德·鲍德温（Ed Baldwin）突然跳槽，带走了一批核心的研发人员和平顶晶体管的制造手册。诺伊斯和摩尔对这一背叛深感震惊，等处理完这一棘手问题，已经到了夏天。7月，诺伊斯的专利申请终于提交了。 ³²

现在，仙童半导体公司可以专注于集成电路的开发了。1959年7月的一天，诺伊斯对拉斯特说：“8月将召开美国西部电子设备展览会议（WESCON），我们必须在那儿拿出些东西，以显示我们正在做集成电路，是时候露一手了！” ³³

但提出集成电路的概念是一回事，把它转变成能工作的电路则是另外一回事。实际上，诺伊斯的专利并没有提供制造的详细步骤，而“魔鬼”则隐藏在细节之中，那里有无数的陷阱和暗礁，阻碍着人们抵达最后的成功。

此时距离美国西部电子设备展览会议只有不到一个月的时间了，仓促之下，拉斯特用平面晶体管工艺制作了4个晶体管，用铅笔石墨作为电阻器，将所有元件都装在陶瓷基底上，做出了一个简陋的触发器芯片的半成品。

此后，拉斯特组建了一支十余人的芯片开发团队。但是他们始终无法用PN结实现电气隔离，因此不得不改为原始的“物理隔离”，即在晶圆上刻蚀出小槽， ³⁴ 并在其中填充不导电的环氧树脂，但这个“混合怪物”很容易断裂。 ³⁵

接下来整整一年，团队都在跟电气隔离作斗争。直到1960年8月，他们用扩散工艺在晶圆的上下两面做出了一些孤立的阱，并在每个阱中制造了一个晶体管，从而解决了隔离问题。 ³⁶

1960年9月27日，第一批实用的触发器芯片下线了。摩尔建议公司生产用于计算机的“微逻辑”（Micrologic）芯片，包括触发器、逻辑门、加法器、移位寄存器等。之后，“微逻辑”研发团队去费城参加了固态电路会议，拉斯特给自己起了一个绰号叫“微先生”（Mr. Micro），而罗伯特·诺曼（Robert Norman）的绰号是“逻辑先生”（Mr. Logic）。

1961年3月，“微逻辑”芯片发布。仙童半导体公司在广告上说，这种集成触发器电路只有一角美元硬币上的字母D那么大（见图4-8）。 ³⁷

“我看不出它能走多远”，芯片之争与弃

1961年4月26日，基尔比接到了来自华盛顿的一个电话，被告知集成电路的专利已经被正式授权——不过不是给了德州仪器公司，而是给了仙童半导体公司。

电话是德州仪器公司常驻美国专利商标局的代表紧急打回来的。原来诺伊斯的申请走了快速通道，抢先得到授权。基尔比先于诺伊斯半年提交了专利申请，但专利权却被诺伊斯抢了去。德州仪器公司立刻聘请律师提交了上诉申请。两家公司拉开了一场旷日持久的专利官司大战。 ³⁸

在专利诉讼中，有一项原则是时间优先。德州仪器公司的律师提交了证据：基尔比的实验室记录本上记录的时间是1958年7月24日；仙童半导体公司提交的最早记录是诺伊斯的实验室笔记本，时间是1959年1月23日。这下，专利授权出现反转，集成电路的专利转而被授予了德州仪器公司。

这一次轮到仙童半导体公司提出上诉了。他们检查了基尔比的专利申请书，找到了一个关键漏洞，那就是基尔比提交的集成电路示意图上的飞线，依照基尔比提供的手工连线的方法是无法制造出实用的集成电路的。仙童半导体公司的律师抓住了这一点，一下就击中了要害。

德州仪器公司不甘心，他们从基尔比的申请书的最后一段中找到了回击的有力证据，那是基尔比在提交专利前一刻临时补充的一句：“除了使用金线实现电气连接，也可以用其他方式提供连接。例如，可以使二氧化硅蒸镀到半导体晶圆表面。类似金这样的金属可以放置到氧化物上以实现电气连接。”

德州仪器公司的律师宣称基尔比已经想到了解决互连问题的方案，那就是在二氧化硅层上放置一层金属。天平又倾斜向了德州仪器公司。

但是仙童半导体公司的律师则抓住了“放置”这个字眼，质问德州仪器公司的律师，在集成电路工艺中，金属是“粘到”氧化层上的，而不可能是“放置”上去的，所以基尔比并没有教会人们如何制造集成电路。

就这样，两家公司聘请的律师在字眼问题上你争我抢，交锋了十几个来回，导致两家公司缴纳了大量的律师费。

最终在法庭外，德州仪器公司和仙童半导体公司达成了和解，授权对方使用自己的技术，即德州仪器公司允许仙童半导体公司使用将不同元件“集成”在一起的方法，而仙童半导体公司则允许对方使用不同元件“互连”的方法。最后的诉讼结果已经不重要了，因为两家公司已向全球多家公司收取了数亿美元的使用许可费。

至于电气隔离的方法，德州仪器公司不认同斯普拉格电气公司的发明，发起了诉讼。斯普拉格电气公司的领导对于丢掉这个重要的专利一点都不上心，最后还是莱霍韦茨自掏腰包坐飞机去了华盛顿应诉。在法庭上，莱霍韦茨单枪匹马地面对德州仪器公司十几人组成的强大阵容，推翻了他们的诉讼请求，捍卫了自己的成果。 ³⁹

就这样，在这短短的一年时间里，基尔比首先提出并实现了单片集成技术，而诺伊斯首先提出并实现了互连技术，莱霍韦茨则首先提出了电气隔离技术，这三项技术组合起来，成为集成电路技术的基石。

不过，我们也不应当忘记霍尼的平面工艺，是它推倒了诺伊斯头脑中最关键的一块多米诺骨牌。正如有了平整的纸张和印版，才有高效的印刷术；有了平面工艺，才会有大规模光刻的集成电路，由此推动了计算机、智能手机和互联网等一连串变革。

每次接受采访时，诺伊斯都特意强调自己没有什么了不起，“即使这个想法不是由他提出来的，也会在世界上其他地方被其他人提出来”。 ⁴⁰ 在随后的几十年中，家人不断地追问诺伊斯“什么时候才能得诺贝尔物理学奖”，但他总是淡淡一笑说，“我只是解决了一个工程问题，而诺贝尔奖委员会是不会为此颁奖的”。不过，2000年的诺贝尔物理学奖还是颁给了集成电路的发明者基尔比，但遗憾的是，诺伊斯已经在1990年离世。

基尔比说：“如果诺伊斯还活着，他一定会和我一起分享诺贝尔物理学奖。”基尔比和诺伊斯并没有像以前的许多共同发明人那样互相攻击对方，而是成了惺惺相惜的朋友。

每次听到自己被称作科学家时，基尔比总说自己是一名工程师，是在尝试解决实际问题。在诺贝尔奖领奖礼的演讲中，基尔比展示了自己手工做出的第一颗带着飞线的芯片的照片，并说道：“如果我知道这个电路将来会帮我赢得诺贝尔奖，我会多花些时间好好装点一下。”

基尔比获奖的那一年，全世界生产了890亿颗芯片，按每颗1厘米计算，它们连起来能绕赤道22圈，有往返月球的距离。基尔比在诺贝尔奖颁奖礼上讲了一个关于河狸 的寓言。

河狸眺望着巨大的胡佛水坝，对身边的兔子说：“不，它不是我独自建造的，但它确实建立在我的一个想法之上。” ⁴¹

*　*　*

就在德州仪器公司和仙童半导体公司争相发明芯片时，外部大环境却发生了巨大的变化。苏联早在1956年就发射了第一枚洲际导弹，而美国在15个月后才做出来，这让美国人大为震惊。美国军方做出了选择，不是研发体积更大的导弹以容纳由分立元件组成的电子设备，而是选用刚问世的芯片来减轻重量，并提高精准度。1965年，美国1/5的芯片都被美国空军买走了。

“民兵II”洲际导弹是第一个大规模使用芯片计算机的系统，德州仪器公司赢得了这份订单，负责提供二极管-晶体管逻辑（简称DTL）芯片。此前，“民兵I”洲际导弹使用晶体管搭建的计算机，重达约28千克，而采用芯片的“民兵II”洲际导弹上的计算机重量降低到了约11.8千克。

美国和苏联的竞争延伸到了载人航天领域。1961年4月12日，苏联宇航员尤里·加加林（Yuri Gagarin）实现了人类第一次太空航行。这再一次深深地刺激了美国，刚刚上任4个月的肯尼迪总统宣布了“阿波罗登月计划”，投入的资金更是“曼哈顿计划”的5倍。

对于刚刚经历了一场分裂的仙童半导体公司来说，这是一场及时雨。飞船起飞时，重量每增加约0.5千克，就要多携带1吨燃料，多花点钱在昂贵的芯片上绝对物超所值。仙童半导体公司赢得了飞船导航计算机上的芯片订单，仅仅1965年就销售了20万颗“微逻辑”电阻-晶体管逻辑（简称RTL，与后文的寄存器传输级缩写相同）芯片。1964年，火星探测器“水手IV号”上也安装了仙童半导体公司的“微逻辑”芯片。

而在航天与军事以外的领域，芯片的遭遇却截然不同。

那时，一块简单的触发器集成电路要100美元，而一个晶体管已经降到了几美元，用几个晶体管搭建触发器成本要低得多，业界认为制造集成电路很不经济。除此之外，集成电路的良品率很低，一片晶圆上的大部分芯片都是不能工作的废品，就像蒸好一笼包子，却要扔掉一大半，这大大增加了成本。

电子工程师也不愿意使用芯片，他们觉得一旦芯片把所有元件都在内部连接好了，那就没自己什么事了，他们担心自己将来会失业。 ⁴² 仙童半导体公司的安德森记得，Librascope公司的一位工程经理生气地捶打桌子，大喊他永远都不会用别人设计的集成触发器芯片。

电子工程师往往很不情愿接受别人设计好的芯片，毕竟，这是对他们多年思维习惯的挑战。此前他们早已习惯了电路由一个个分立的元件组成，可以单独挑选、替换元件。而对于连成一体的芯片，电子工程师却无从下手，只能被动地整体接受它。

在仙童半导体公司内部，平面晶体管正在火热销售，而集成电路的出现则在公司内部引发了竞争。客户如果买了集成电路，就不会再买平面晶体管。如果仙童半导体公司在集成电路上增加投入，就会挤占原本分配给晶体管的资金。

负责营销的汤姆·贝（Tom Bay）对拉斯特的集成电路项目很不满，他在一次会议上对拉斯特大喊：“你干吗要去搞集成电路？这个玩意儿浪费了公司整整100万美元，却没有什么收益，必须裁撤掉！” ⁴³ 一向精于计算的摩尔也没有给予拉斯特足够的支持，拉斯特承受了巨大的压力，集成电路项目几乎处于边缘位置。

拉斯特和霍尼憋了一肚子火，1961年新年前夜，他们把车开到黑黢黢的山顶，对着远处城市的灯火大声叫喊和鸣笛以宣泄心中的愤懑。紧接着，两人从仙童半导体公司辞职，创办了阿梅尔克公司（Amelco），专攻集成电路，他们甚至没能在仙童半导体公司看到“微逻辑”芯片的正式发布。

摩尔和诺伊斯大受震撼，8位创始人逐渐分道扬镳。不过，自从仙童半导体公司开辟了创业和风投的先河，高科技风险投资就开始在加州兴起，当年的投资人洛克也搬到了加州，拉斯特和霍尼很快找到了他，并拿到了投资。从仙童半导体公司分化出来的初创企业被称为“小仙童们”，在加州播下了创新的种子。

德州仪器公司从1958年秋天起，就把基尔比的“固态电路”研究通报给了美国军方。海军方面没有任何兴趣，也没有资助计划。空军则更看好“分子电子学”，向其拨了一大笔经费。只有空军下面一个叫作R. D.阿尔伯茨（R. D. Alberts）的人领导的研究小组为基尔比的方案提供了一笔资金。

基尔比的同事张忠谋对刚做出来的芯片很感兴趣，但他坦言，当时还看不出这种新奇的玩意儿什么时候才会有真正的用武之地。

有一次，贝尔实验室的塔嫩鲍姆（他曾发明了扩散硅晶体管）访问了仙童半导体公司。看了诺伊斯展示的芯片后，他说：“我觉得它很重要，但是我看不出它能走多远。”

实际上，贝尔实验室里跟塔嫩鲍姆持同样看法的人不在少数。

贝尔实验室副总裁莫顿认为，单个晶体管的良率很低，组成系统后良率更低，即便单个晶体管的良率提升到了90%，但100个晶体管组成的系统的良率就是100个90%连乘，结果只有不到3/100 000。因此，莫顿断定由晶体管组成的大型电子系统在经济上很不划算。塔嫩鲍姆形象地总结了莫顿对于芯片的态度：“你向芯片篮子里放的鸡蛋越多，就越有可能碰到一颗坏的蛋！”后来，当大规模集成电路（简称LSI）兴起时，莫顿将其称为“大规模白痴”（Large Scale Idiot）。

莫顿的计算看似缜密而有理，但后来人们发现他的计算前提并不正确。莫顿假设晶圆上的缺陷是均匀分布的，所以整体的良率是单个晶体管良率的连乘。但实际上在一片晶圆上，出问题的部位总是集中在一小块区域，只要去除了这一小块有问题的区域，其他区域的良率就能接近100%。 ⁴⁴

莫顿此前领导的半导体研究小组在拉晶法、扩散法和硅晶体管方面取得的一连串的成功，增强了他的信心，让他觉得自己做出的决定一贯都是正确的。

1959年，美国电话电报公司连接的电话数量已达一亿部。莫顿认为，“电话系统的创新就像一边跑步一边做心脏移植手术，而且要与以前的技术兼容”。 ⁴⁵ 贝尔实验室致力于发展可靠的、能在交换机等设备里工作40年之久的单个晶体管。莫顿为此创造了一个新词“兼容式创新”，但显然芯片不属于这种技术。

此外，贝尔实验室不像美国军方那样对体积和重量有严格的要求，他们倾向于减少整体的元件个数，以便减少互连的个数。半导体研发部主管扬·罗斯发表了一篇文章，认为芯片“治标不治本”。由此，贝尔实验室不认为集成电路代表着未来，于是选择了另外一条“微型模块”的道路，但这最终被历史证明是一条死胡同。

与此同时，仙童半导体和德州仪器等公司却在积极地探索集成电路。当初基尔比发明的带有飞线的集成电路极不成熟，无法大规模生产，任何一个理性的领导都有理由将其否决，而德州仪器公司总裁哈格蒂却坚定地支持这项新发明。在仙童半导体公司，人们对集成电路有过激烈的争论，但最终还是决定放它一马。摩尔曾说：“仙童半导体公司的可贵之处在于它的组织上是不成熟的。类似的想法也会出现在其他更‘成熟’的大公司，但是一定会被认为在经济上不值得而被否决掉。” ⁴⁶

就这样，手握大量芯片相关核心技术（扩散法、硅提纯、光刻、硅晶体管、氧化硅层、金属淀积等）的贝尔实验室，靠着领导层的丰富“经验”与“缜密”思考而错失了这一重大发明。而这，还不是最后一次……

本章核心要点

多即不同。

晶体管数量增多会引发新问题，但也催生了新的电路形态——集成电路。

当晶体管数量增多，遭遇数量瓶颈，限制了电路规模的进一步扩大时，贝尔实验室的莫顿称之为“数字暴政”。

1958年，德州仪器公司的基尔比提出了“单片集成”的想法，主要是指用硅制作所有的电路元件并将其集成在硅晶圆上。基尔比做出了第一块用于演示的集成电路，但是没有解决元件互连的问题。

1959年，仙童半导体公司的霍尼发明了平面晶体管。在此基础上，诺伊斯想到，可以利用平面工艺将所有元件都集成在硅晶圆的平面上，并通过晶圆上的金属线互连起来，从而解决互连问题，发明了可大规模制造的集成电路。

但是，集成电路这个想法跟大多数人的直觉相抵触，成本高、制造困难，业界普遍不看好其应用。贝尔实验室等研究机构和公司提出了许多缜密的分析来论证集成电路的不可行性，从而“理性”地与这一重大发明失之交臂。 +d4zDA1KZdv+hnSEvPQouWQGtAUCyVXlRDLrUA7osbrNa9obGx4GA/QIF43z6G/r