读芯片战争：世界最关键技术的争夺战02筹码

1. 从钢铁到硅片

1.1. 第二次世界大战成为一场工业消耗冲突

• 1.1.1. 战斗力是由美国恺撒造船厂和红河装配线产生的

• 1.1.2. 美国建造的坦克比所有轴心国的加起来还要多，船只、飞机也更多，大炮和机枪的产量是轴心国的两倍

1.2. 第二次世界大战的结果取决于工业产出，但很明显，新技术正在改变军事力量

1.3. 使用机器进行计算的想法并不新鲜

• 1.3.1. 人类自从第一次学会计数以来，就开始上下翻转手指计数

• 1.3.2. 古人发明了算盘，以操纵大量的数字

1.4. 更高的精度需要更多的计算

• 1.4.1. 工程师们最终开始用电荷取代早期计算机中的机械齿轮

• 1.4.2. 早期的电子计算机使用真空管

• 1.4.2.1. 真空管是一种将金属丝密封在真空玻璃中的灯泡状器件

• 1.4.2.2. 流经真空管的电流通过控制电极可以打开和关闭，这与珠子在木棒上来回移动的功能没有什么不同

• 1.4.2.3. 打开的真空管编码为1，而关闭的真空管编码为0

• 1.4.2.4. 真空管像灯泡一样发光，会吸引昆虫，需要工程师定期“清理昆虫”(debugging)

1.5. 1945年，宾夕法尼亚大学为美国陆军建造了一台名为“埃尼阿克”的最先进的计算机，用于计算炮弹轨迹，该计算机有18000只真空管

• 1.5.1. 平均每两天就有一只真空管发生故障

1.6. 只要计算机是会被飞蛾缠身的怪物，它们就只能用于破解代码等少数应用，除非科学家能找到更小、更快、更便宜的开关

2. 开关

2.1. 美国电话电报公司(AT&T)

• 2.1.1. 从事的是电话业务，而不是计算机业务

2.2. 贝尔实验室(Bell Labs)

• 2.2.1. 晶体管

• 2.2.1.1. 可以用于放大传输电话的信号

• 2.2.1.2. 晶体管可以放大电流，人们很快就意识到晶体管可以用于助听器和收音机等产品，从而取代不太可靠的真空管

2.3. 威廉·肖克利

• 2.3.1. William Shockley

• 2.3.2. 肖克利的专业是半导体，这是一种独特的材料

• 2.3.2.1. 大多数材料要么导电（如铜线）要么绝缘（如玻璃）​，半导体则不同

• 2.3.2.2. 硅和锗等半导体材料本身就像绝缘体，几乎不导电

• 2.3.2.3. 当加入某些材料并施加电场时，电子就会开始流动

• 2.3.3. 1945年，肖克利首次提出了他所谓的“固态阀门”的理论

• 2.3.3.1. 如果在硅这样的半导体材料上施加电场，就可以吸引其内部的“自由电子”聚集在半导体边缘附近

• 2.3.3.2. 如果电场吸引了足够多的电子，半导体的边缘就会变成导电材料​，这样电流就可以流经之前根本不导电的材料

2.4. 沃尔特·布喇顿

• 2.4.1. Walter Brattain

• 2.4.2. 来自华盛顿农村牧场的杰出实验物理学家

2.5. 约翰·巴丁

• 2.5.1. John Bardeen

• 2.5.2. 普林斯顿大学毕业的科学家

• 2.5.3. 唯一一位获得两次诺贝尔物理学奖的人

• 2.5.4. 1947年12月16日下午，在贝尔实验室总部，布喇顿和巴丁打开电源，观测到了流过锗的电流可以被控制并放大，从而证明了肖克利关于半导体材料的理论是正确的

2.6. 发明晶体管的诺贝尔奖授予了肖克利、巴丁和布喇顿

3. 集成电路

3.1. 晶体管如果能够简化并大规模销售，就能取代真空管

• 3.1.1. 晶体管很快就开始取代电脑中的真空管

• 3.1.2. 未来很快就会有成千上万、数十亿这样的晶体管在微观尺度上取代人脑来完成计算任务

3.2. 肖克利计划制造出世界上最好的晶体管，这是可能的，因为贝尔实验室和晶体管专利的拥有者美国电话电报公司提出以25000美元的价格向其他公司许可该器件专利，这是一笔最尖端的电子技术的交易

3.3. 八名工程师决定离开肖克利半导体公司，用东海岸一位百万富翁的种子资金创办自己的公司—仙童半导体

• 3.3.1. 与台面晶体管相比，将仙童的“平面”设计小型化似乎要容易得多

• 3.3.2. 更小的晶体管意味着消耗更少的电力

3.4. 肖克利半导体公司的八名叛逆者被普遍认为是硅谷的创始人

• 3.4.1. 尤金·克莱纳(Eugene Kleiner)

• 3.4.1.1. 成立了世界上最大的风险投资公司之一克莱纳·珀金斯(Kleiner Perkins)

• 3.4.2. 戈登·摩尔

• 3.4.2.1. 负责仙童的研发，后来提出了摩尔定律的概念，以描述计算能力的指数级增长

• 3.4.3. 罗伯特·诺伊斯

• 3.4.3.1. “八叛逆”中的领袖，对微电子有着超凡的热情和远见卓识，他直观地意识到需要哪些进步技术才能使晶体管变得更小、廉价和可靠

• 3.4.3.2. 诺伊斯制造了一种集成电路：在一块半导体材料上放置多个电子元器件

• 3.4.3.3. 诺伊斯的版本完全没有键合线，晶体管和导线被制造在同一块材料上面

• 3.4.3.4. 小型化和低功耗是一个强大的组合：更小的晶体管和更低的功耗将为他们的集成电路创造新的应用

• 3.4.3.5. 但刚开始，诺伊斯的集成电路的制造成本是用分立件搭建的50倍

3.5. 基尔比是贝尔实验室以外最早使用晶体管的人之一

• 3.5.1. 多个晶体管可以内置在同一块硅或锗板中

• 3.5.2. 基尔比称他的发明为“集成电路”​，但它被通俗地称为“芯片”​，因为每个集成电路都是由一块从圆形硅片上“切”下来的硅制成的

• 3.5.3. 基尔比后来因发明了第一个集成电路而获得诺贝尔奖

3.6. 基尔比和诺伊斯基于半导体材料开发的“集成电路”被简称为“半导体”​，或者被更简单地称为“芯片”​

• 3.6.1. 集成电路将比其他电子设备所依赖的错综复杂的电线更加可靠

3.7. 第一个商业化的晶体管是由锗制成的，上面有多层不同的材料，呈亚利桑那沙漠般的台面形状

3.8. 简·霍尔尼

• 3.8.1. Jean Hoerni

• 3.8.2. 瑞士物理学家

• 3.8.3. 狂热的登山者

• 3.8.4. 如果整个晶体管内置在锗中而不是在其上，台面就没有必要存在了

• 3.8.5. 发明了一种制造晶体管的方法：在一块硅片上沉积一层保护性二氧化硅，然后在需要的地方蚀刻孔并沉积额外的材料

• 3.8.6. 沉积保护层避免了材料暴露在会导致缺陷的空气和杂质中，这是可靠性方面的一大进步

3.9. 诺伊斯芯片的第一笔大订单来自NASA（美国国家航空航天局）​

• 3.9.1. NASA委托麻省理工学院仪器实验室的工程师为阿波罗飞船设计制导计算机

• 3.9.2. 基于晶体管的计算机比在第二次世界大战期间破解密码和计算火炮弹道的真空管计算机要好得多

• 3.9.3. NASA相信集成电路可以引导宇航员登月，这是一个重要的认可标志

• 3.9.4. 仙童的微型逻辑芯片不再是未经验证的技术，它们已被用于最无情、最恶劣的环境：外太空

3.10. 1959年，就在杰克·基尔比发明了第一款集成电路的一年后，麻省理工学院的仪器实验室收到了第一款由TI生产的集成电路，以1000美元的价格购买了其中64只芯片，将其作为美国海军导弹计划的一部分进行测试

• 3.10.1. 阿波罗计划的芯片销售将仙童从一家小型初创公司转变为一家拥有1000名员工的公司，其销售额从1958年的50万美元飙升至两年后的2100万美元

3.11. 机载制导计算机是一个基于分立晶体管制造的巨大怪物，目标打击程序通过打孔纸带输入计算机

• 3.11.1. 赢得“民兵II号”导弹合同改变了TI的芯片业务

• 3.11.2. 到1964年底，TI已经为“民兵”导弹计划提供了10万块集成电路，1965年当年销售的所有集成电路中有20%用于“民兵”导弹计划

4. 规模生产

4.1. 杰伊·莱思罗普

• 4.1.1. 麻省理工学院毕业

• 4.1.2. 曾在美国政府实验室工作

• 4.1.3. 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

• 4.1.3.1. 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

• 4.1.3.2. 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

4.2. 詹姆斯·纳尔

• 4.2.1. James Nall

• 4.2.2. 莱思罗普的助手

• 4.2.3. 显微镜镜头可以拍摄一些小东西，让它们看起来更大

• 4.2.4. 如果把显微镜颠倒过来，这些小东西看起来就更小

4.3. 光刻

• 4.3.1. 莱思罗普用柯达的光刻胶涂在一块锗上

• 4.3.1.1. 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

• 4.3.2. 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

• 4.3.3. 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

• 4.3.4. 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

• 4.3.5. 生产的晶体管比以前小得多，直径只有0.1英寸，高度只有0.000 5英寸

• 4.3.6. 光刻技术使人们可以构想大规模生产微型晶体管

• 4.3.7. 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

4.4. 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

4.5. 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

4.6. 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

• 4.6.1. TI也开始自己生产硅片

4.7. 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

• 4.7.1. 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

• 4.7.2. 依靠人类“计算机”处理数字，是一个缓慢、费力、痛苦的过程

4.8. 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

• 4.8.1. 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

4.9. 引导阿波罗飞船和“民兵II号”导弹的计算机助力了美国集成电路工业的腾飞

• 4.9.1. 到了20世纪60年代中期，从卫星到声呐，从鱼雷到遥测系统，美国军方在各种武器中采用了芯片

• 4.9.2. 国防承包商认为，芯片是一种可以升级所有旧军事电子设备的产品

4.10. 在戈登·摩尔的指导下，仙童的研发团队不仅开发了新技术，还开辟了新的民用市场

• 4.10.1. 随着成本下降，用户数量也会增加

• 4.10.2. 如果每颗芯片上的计算能力呈指数级增长，那么集成电路将不仅仅改变火箭和雷达，还将彻底改变社会

• 4.10.3. 用于火箭或卫星的大多数芯片也必须有民用用途

• 4.10.3.1. 第一个为商业市场生产的集成电路用于真力时(Zenith)助听器，最初是为NASA卫星设计的

4.11. 仙童是第一家为民用客户提供现成集成电路的完整产品线的公司

• 4.11.1. 20世纪60年代中期，仙童芯片的售价从20美元降至2美元

• 4.11.2. 1966年，计算机公司柏拉夫斯(Burroughs)从仙童订购了2000万只芯片，这是阿波罗计划消耗的20多倍

• 4.11.3. 仙童芯片服务于这个计算机市场的80%

• 4.11.4. 20世纪60年代末，经过十年的发展，阿波罗11号终于准备好使用仙童驱动的制导计算机将第一个宇航员送上月球