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從大到小,集成電路的發展史

CPU的製程工藝越來越先進,n年前還是幾百納米,現在都發展到了如今的7nm,這種速度真的想都不敢想的。那麼平常我們所說的製程到底是個什麼意思呢?

其實CPU本質上是個集成電路,製程工藝越先進,也就是說的器件特徵尺寸不斷縮小、集成度提高,CPU里能容納的晶體管也就更多了,速度更快還更省電。

那麼過去的集成電路長什麼樣子?它又是從何而來的,讓我們今天一起走進這段不那麼漫長的發展史吧。

正如大家所熟知的那樣,晶體管誕生以前,人們一直是用的電子管。1883年,愛迪生在尋找電燈泡最佳的燈絲材料時,在真空電燈泡里的碳絲附近裝了一小截銅絲,希望能阻止碳蒸發,雖然結果失敗了,但無意中發現沒有和電路相連的銅絲卻產生了微弱的電流,不過愛迪生只是給這個現象申報了個專利、取了個「愛迪生效應」的名字之後,就置之不理了。

1904年11月16日,英國一個30歲的電氣工程師約翰·安布羅斯·弗萊明卻對這方面很有興趣,他發現這麼做可以讓燈泡里的電子實現單向流動,最終研製出了一種叫「熱離子閥」的燈泡,也就是世界上第一支電子管(真空二極體)。

1906年美國發明家德·福雷斯特在這種二極體的燈絲和金屬片之間加了個柵極,只要在這個柵極上施加信號變化,就能有規律地改變通過的電流大小,微弱的信號電流都可以被放大許多倍。比如鐘錶的滴答聲經過放大後,甚至能震耳欲聾。

他比較沉得住氣,在公開之前一直悄悄地進行著改進實驗,不過做著做著就沒錢了,只能帶著這個重大的新發明去找大公司贊助。比較慘的是,因為他穿的不修邊幅,不僅連大門都進不去,還被當成騙子趕到了警察局。

但真理能戰勝一切,最後德福雷斯特的三極體贏得了世界的掌聲,也解決了貝爾電話公司當時設計長途電話的關鍵問題,也在1912年前後引領了無線電技術的發展。

在他的故居至今矗立著一塊小小的紀念碑,上面寫著「李·德福雷斯特在此發現了電子管的放大作用。」如今這個地方已經成長為了矽谷。

但是真空電子管這種器件缺點也很明顯,笨重、耗電、成本高、反應慢、一摔就碎,在之後的一戰、二戰時期禁不住苛刻的考驗,人們開始尋找更優的替代品。其實早在1918年人們就已逐步發現了半導體材料,但直到1946年那個ENIAC依然使用著18000隻電子管。

在二戰結束後的貝爾實驗室里,物理學家肖克萊打算著用來製造替代電子管的放大器。他們的工程師都很討厭電子管,心裡明白半導體才能實現工程師們心中所期望的平衡。可惜諸多實驗都面臨了失敗,2年後他拉來了2個下(天)屬(才)——巴丁和布拉頓。

三人行一定行,他倆發現硅還是太脆、不好提純,於是找來了特性和硅類似的。它的外層電子能級較高,導電能力更好。1947年12月23日,人類歷史上第一塊晶體管在貝爾實驗室誕生了,他們三人最後都得到了諾貝爾物理學獎。

當然,貝爾實驗室只是提供了技術可行性方案,工業量產還是得交給大廠德州儀器來,1949年量產後,晶體管讓計算機的性能直接提升了一個次元,但鍺這種元素價格比銀還貴,真心用不起啊,最終大家還是把眼光放到了硅。你想啊,硅不就是沙子嘛,成本全靠浪啊(笑)。

但是這又該怎麼說服廠家呢?1954年的一次展會上,德儀的工程師戈登·蒂爾上台進行了一場表演,它把連著唱機的鍺晶體管給下油鍋了,唱機瞬間閉嘴。隨後他換上了硅晶體管再做一遍,而唱機依然工作。這場表演非常成功,給他們帶來了無數訂單。

1957年,德州儀器又來了一個聰明的新員工,他叫傑克·基爾比。他發現公司里雇了許多低收入的女工,每天就是盯著顯微鏡、把極小的硅元件焊接起來,導線一斷、工作白乾。

太蠢了,真的太蠢了,為什麼要讓幾千個人焊晶體管,乾脆把元件都刻在同一個半導體上不就行了嗎?(老闆:我tm這是解決就業問題好不好)

於是基爾比立馬行動起來(想像力豐富的人很多,行動力強的人很少),由於硅的純度達不到他的標準,最後他又選擇回了鍺。他把幾個鍺晶體管沾在一個鍺片上,用細金絲把他們連接起來,做出了「最初的集成電路」。可惜的是,老爺子直到2000年才獲得諾貝爾物理學獎,真可謂是獎遲但到。

而鍺元素很快又離開了歷史舞台,1960年,羅伯特·諾伊斯發明了基於硅的集成電路,畢竟便宜才是硬道理啊!其實他的才是第一塊實用化的集成電路晶元,其中包含了4個晶體管、6個電阻器,形成了一個環形振蕩器。

他也被成為集成電路之父,先後共同創辦了矽谷兩家最偉大的公司之——仙童半導體,以及英特爾。等等,你沒聽過仙童半導體公司?他可是Intel、AMD、LSI、VLSI、Intersil、Altera、Xilinx等眾多巨頭的老媽,可以說是電子界的黃埔軍校了,至於他的歷史,又可以有一篇文章好講了。

1963年,同樣是在仙童公司,26歲年輕工程師Bob Widlar設計了第一個單塊集成運算放大器電路——μA702,正是這個小東西,成為了日後模擬器件的基本構成部分。

1965年,Intel的創始人之一戈登·摩爾提出了摩爾定律,他預測硅晶元工藝每24個月就能翻一番,晶體管也的確越做越精細,一年年地發展成了如今的樣子。

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