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70年前, 当物理学家沃尔特·布拉顿像往常一样写下他的实验日记, 他不曾预料, 一个时代即将开启.
这场实验的主角是一个比火柴棍短且粗的半导体放大器, 后来, 它被命名为点接触式晶体管.
点接触式晶体管成了人类打开晶体管大门的第一把钥匙. 大门推开后, 一场信息技术革命席卷全球.
70年后, 晶体管已经变得几乎无处不在. 人类以其为砖瓦, 搭建出一个个虚拟世界. 我们至今仍未找到晶体管的替代品, 以其为基础的集成电路, 还将被人类长期依赖.
晶体管的问世, 人类微电子革命的先声
晶体管诞生之前, 人们已经有了电子管, 或者叫真空管.
电子管具有信号放大作用, 但是毛病一箩筐——寿命低, 体积大, 可靠性差.
所以, 人们希望找到一种器件替代电子管. 美国电话电报公司 (AT&T) 下属的贝尔实验室成了寻找路上的开路先锋.
贝尔实验室创建于1925年. 成立伊始, 它就是世界上规模最大的工业实验室. 3600名工作人员中, 有2000名是技术人员.
1945年7月, 二战临近结束, 为了适应战后研究方向的调整, 贝尔实验室进行了各个研究部门的改组.
这次改组中, 物理部门成立了3个研究小组, 其中之一就是固体物理研究组. 该组又分为半导体和冶金两个小组, 麻省理工大学博士肖克莱兼任半导体小组组长. 他将小组的研究计划, 定为研制 '半导体放大器' .
半导体是指常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料, 像硅和锗, 就是常见的半导体材料.
清华大学微电子所所长魏少军说, 要理解晶体管的工作原理, 可以想象一个大坝的水闸.
当大坝闸门合上, 无水流出, 水力发电机就无法发电; 当闸门打开, 水流涌出, 水力发电机就可以输出电流. '闸门的开合直接影响到了水力发电机的运转, 这就是用一个弱信号, 去控制了一个强信号. ' 而晶体管的基本原理, 就是 '放大' , 用小电流去控制大电流.
贝尔实验室对晶体管的构思由来已久. 晶体管的诞生, 是长期积累的结果. 从诺贝尔奖的归属来看, 荣誉最终给了3个人——肖克莱, 布拉顿和巴丁.
1947年12月16日, 摆在布拉顿和巴丁面前的, 是一个多次改进后的, 构筑在锗晶体之上的器件. 锗晶体表面, 用一根弹簧压着一个两边包裹着金箔的三角形塑料楔子. 这两边的金箔, 就是信号的输入端和输出端.
就是它, 在那天的实验中, 成功放大了30%的输出功率和15倍的输出电压.
用现代标准来衡量, 这点触式晶体管的原型实在太过质朴笨拙, 但无可否认, 它就是人类微电子革命的先声.
在它之后, 又有双极型, 单极型晶体管和硅晶体管相继问世.
'从移动计算到智能计算, 当今时代的种种变化, 都离不开电子信息系统. 而晶体管, 是其中最为基础的器件. ' 魏少军说, 晶体管之于信息革命, 如同铁器之于农业革命, 如同蒸汽机之于工业革命, '它的重要性怎么强调都不为过. '
起步不晚的中国, 还是落后了
晶体管应该被拿来做更多的事情, 不过前提是, 它要足够小.
如何找到一种高效的晶体管, 导线和其他器件的连接方法? 1958年左右, 美国两位30岁出头的年轻人, 各自拿出了自己的解决方案——就是我们今天已经熟知的集成电路.
如果说, 晶体管的诞生, 是蝴蝶扇动了翅膀, 那么, 远隔大洋的中国, 也敏锐地嗅到了风暴来袭的信号.
中国的起步并不晚. 上世纪50年代中期, 正值我国开始实施第一个五年计划. 半导体这门新兴科学技术受到了党和政府的高度重视. 1956年, 在没有技术资料和完整设备的条件下, 我国成功研制出了首批半导体器件——锗合金晶体管. 1965年, 我国又拥有了集成电路.
'说起我国第一代半导体人, 那真是非常了不起. ' 中科院微电子研究所所长叶甜春感慨, '他们带着知识归国, 自己研制设备, 自己制备材料, 自己培养了第一批学生, 完全白手起家. '
头20年, 我国集成电路和国际上的差距并不大; 但在第二个20年, 道路开始曲折.
差的不在技术, 而是产业. 一个还没有完成工业化的国家, 刚刚从计划经济时代走出, 还不知道如何组织大规模商品生产. 此时, 还想更进一步, 发展高新技术产业, 更是难上加难.
产业发展不起来, 技术研发也步履维艰, 陷入恶性循环. 叶甜春记得, 1986年自己刚入集成电路这一行时, 整个行业都处在痛苦的转型期. 大家还在学习高质量低成本地批量制造产品, 在混沌中摸索.
上世纪八九十年代, 国际集成电路产业开始起飞. '这是国家发展阶段的差异, 也没什么好埋怨的. ' 叶甜春坦言.
真正的转折点, 发生在2008年.
那一年, 国家科技重大专项启动. '核心电子器件, 高端通用芯片及基础软件产品' '极大规模集成电路制造装备及成套工艺' 等专项都指向了集成电路. 5年后, 技术储备到了一定程度, 加大产业投入, 也就被提上议事日程.
2014年, 国务院发布《国家集成电路产业发展推进纲要》, 设立国家产业投资基金. '效果一下子就显现出来了. 为什么能这么快? 因为技术体系已经建立起来了, 能支撑产业体系的快速发展了. ' 叶甜春总结, '这是一套组合拳, 堪称完美. '
到了能打大战役的时候了
2017年1月, 晶体管诞生之国美国, 在一份报告中将矛头对准了中国.
美国总统科技顾问委员会称, 中国的芯片业已经对美国的相关企业和国家安全造成了严重威胁, 建议美国总统下令对中国的芯片产业进行更加严密的审查.
为什么? 我国集成电路产业规模在世界占比非常小, 算是 '小透明' , 就算有一些跨国并购, 但交易额也完全不够看, 何至于引起这么高的警觉?
'因为资本的背后, 是我们自己真正的技术体系和产业体系在做支撑. ' 叶甜春说, '他们认为, 一旦发展起来, 就不可阻挡. 我们有核心竞争力了, 人家就害怕. '
实际上, 我国集成电路一直都在国际上的打压和遏制中求生存. 产业还在起步阶段, 就有 '巴黎统筹协会' 对我国所需的新技术, 新设备进行封锁禁运. 当上世纪80年代后期 '巴黎统筹协会' 解体之后, 又有 '瓦圣那协定组织' 继续对我国新兴技术和新兴产业进行封锁限制, 它们只允许放行比经济发达国家滞后两代的集成电路技术和设备.
'西方国家有点神经过敏. ' 魏少军的看法略有不同, '中国打赢集成电路这场仗没那么容易. ' 集成电路产业的发展, 需要全球化的产业环境, 需要巨额投入, 也需要大量人才. 这都无法一蹴而就.
从中国半导体行业协会的统计来看, 2016年我国集成电路产业销售额达4335.5亿元, 比上年增长20.1%, 这一增长速度算得上 '高歌猛进' . 不过, 魏少军提醒, 这4000多亿元的销售额, 还包括了在华外商的贡献. '其实我们自身的能力还相当有限. ' 他判断, 我国自己生产的集成电路, 大约可以满足国内需求的1/4.
从技术上来看, 我国最新的集成电路技术, 跟国际上最新技术还差了一代到两代. 不过, 叶甜春认为, 纠结于这个最新技术的代际差异, 是一种误区, 并没有太大意义.
比如, 如今依然在大量生产的55纳米, 40纳米和28纳米芯片, 进入市场已近10年, 但它们并未因为更小尺寸芯片的出现就退出历史舞台.
'集成电路尺寸缩小速度确实很快, 但并不是下一代对上一代的完全替代. 每一代技术都有大约10年的生命周期. ' 叶甜春表示, 我国55, 40, 28纳米三代成套工艺已研发成功并实现量产, 而更先进的22, 14纳米先导技术在研发上也取得突破, 形成了自主知识产权. '所谓赶超, 也无需要求在各个领域全面超越, 只要我国的集成电路能够支撑我国信息化和智能化的发展即可. '
可以肯定的是, 这场晶体管开启的信息革命, 将更深, 更广地重塑人类社会. '未来, 芯片的重要性只增不减. ' 魏少军强调.
而回首来路, 叶甜春常说 '传承' . 一代一代半导体人的砥砺前行, 才有中国今天的局面.
今天是个怎样的局面? 他抬起头, 望向远方, 带着笑意. '可以打大战役了. 我们有了 '战' 的能力, 虽然能力有限, 但和从前相比, 大不一样了. 天时地利人和, 没有理由超不过别人, 这只是时间早晚问题. '