日記號: 38139-7'
70年前, 當物理學家沃爾特·布拉頓像往常一樣寫下他的實驗日記, 他不曾預料, 一個時代即將開啟.
這場實驗的主角是一個比火柴棍短且粗的半導體放大器, 後來, 它被命名為點接觸式晶體管.
點接觸式晶體管成了人類開啟晶體管大門的第一把鑰匙. 大門推開後, 一場資訊技術革命席捲全球.
70年後, 晶體管已經變得幾乎無處不在. 人類以其為磚瓦, 搭建出一個個虛擬世界. 我們至今仍未找到晶體管的替代品, 以其為基礎的整合電路, 還將被人類長期依賴.
晶體管的問世, 人類微電子革命的先聲
晶體管誕生之前, 人們已經有了電子管, 或者叫真空管.
電子管具有訊號放大作用, 但是毛病一籮筐——壽命低, 體積大, 可靠性差.
所以, 人們希望找到一種器件替代電子管. 美國電話電報公司 (AT&T) 下屬的貝爾實驗室成了尋找路上的開路先鋒.
貝爾實驗室建立於1925年. 成立伊始, 它就是世界上規模最大的工業實驗室. 3600名工作人員中, 有2000名是技術人員.
1945年7月, 二戰臨近結束, 為了適應戰後研究方向的調整, 貝爾實驗室進行了各個研究部門的改組.
這次改組中, 物理部門成立了3個研究小組, 其中之一就是固體物理研究組. 該組又分為半導體和冶金兩個小組, 麻省理工大學博士肖克萊兼任半導體小組組長. 他將小組的研究計劃, 定為研製 '半導體放大器' .
半導體是指常溫下導電性能介於導體和絕緣體之間的材料, 像矽和鍺, 就是常見的半導體材料.
清華大學微電子所所長魏少軍說, 要理解晶體管的工作原理, 可以想象一個大壩的水閘.
當大壩閘門合上, 無水流出, 水力發電機就無法發電; 當閘門開啟, 水流湧出, 水力發電機就可以輸出電流. '閘門的開合直接影響到了水力發電機的運轉, 這就是用一個弱訊號, 去控制了一個強訊號. ' 而晶體管的基本原理, 就是 '放大' , 用小電流去控制大電流.
貝爾實驗室對晶體管的構思由來已久. 晶體管的誕生, 是長期積累的結果. 從諾貝爾獎的歸屬來看, 榮譽最終給了3個人——肖克萊, 布拉頓和巴丁.
1947年12月16日, 擺在布拉頓和巴丁面前的, 是一個多次改進後的, 構築在鍺晶體之上的器件. 鍺晶體表面, 用一根彈簧壓著一個兩邊包裹著金箔的三角形塑料楔子. 這兩邊的金箔, 就是訊號的輸入端和輸出端.
就是它, 在那天的實驗中, 成功放大了30%的輸出功率和15倍的輸出電壓.
用現代標準來衡量, 這點觸式晶體管的原型實在太過質樸笨拙, 但無可否認, 它就是人類微電子革命的先聲.
在它之後, 又有雙極型, 單極型晶體管和矽晶體管相繼問世.
'從移動計算到智能計算, 當今時代的種種變化, 都離不開電子資訊系統. 而晶體管, 是其中最為基礎的器件. ' 魏少軍說, 晶體管之於資訊革命, 如同鐵器之於農業革命, 如同蒸汽機之於工業革命, '它的重要性怎麼強調都不為過. '
起步不晚的中國, 還是落後了
晶體管應該被拿來做更多的事情, 不過前提是, 它要足夠小.
如何找到一種高效的晶體管, 導線和其他器件的連接方法? 1958年左右, 美國兩位30歲出頭的年輕人, 各自拿出了自己的解決方案——就是我們今天已經熟知的整合電路.
如果說, 晶體管的誕生, 是蝴蝶扇動了翅膀, 那麼, 遠隔大洋的中國, 也敏銳地嗅到了風暴來襲的訊號.
中國的起步並不晚. 上世紀50年代中期, 正值我國開始實施第一個五年計劃. 半導體這門新興科學技術受到了黨和政府的高度重視. 1956年, 在沒有技術資料和完整設備的條件下, 我國成功研製出了首批半導體器件——鍺合金晶體管. 1965年, 我國又擁有了整合電路.
'說起我國第一代半導體人, 那真是非常了不起. ' 中科院微電子研究所所長葉甜春感慨, '他們帶著知識歸國, 自己研製設備, 自己製備材料, 自己培養了第一批學生, 完全白手起家. '
頭20年, 我國整合電路和國際上的差距並不大; 但在第二個20年, 道路開始曲折.
差的不在技術, 而是產業. 一個還沒有完成工業化的國家, 剛剛從計劃經濟時代走出, 還不知道如何組織大規模商品生產. 此時, 還想更進一步, 發展高新技術產業, 更是難上加難.
產業發展不起來, 技術研發也步履維艱, 陷入惡性迴圈. 葉甜春記得, 1986年自己剛入整合電路這一行時, 整個行業都處在痛苦的轉型期. 大家還在學習高質量低成本地批量製造產品, 在混沌中摸索.
上世紀八九十年代, 國際整合電路產業開始起飛. '這是國家發展階段的差異, 也沒什麼好埋怨的. ' 葉甜春坦言.
真正的轉折點, 發生在2008年.
那一年, 國家科技重大專項啟動. '核心電子器件, 高端通用晶片及基礎軟體產品' '極大規模整合電路製造裝備及成套工藝' 等專項都指向了整合電路. 5年後, 技術儲備到了一定程度, 加大產業投入, 也就被提上議事日程.
2014年, 國務院發布《國家整合電路產業發展推進綱要》, 設立國家產業投資基金. '效果一下子就顯現出來了. 為什麼能這麼快? 因為技術體系已經建立起來了, 能支撐產業體系的快速發展了. ' 葉甜春總結, '這是一套組合拳, 堪稱完美. '
到了能打大戰役的時候了
2017年1月, 晶體管誕生之國美國, 在一份報告中將矛頭對準了中國.
美國總統科技顧問委員會稱, 中國的晶片業已經對美國的相關企業和國家安全造成了嚴重威脅, 建議美國總統下令對中國的晶片產業進行更加嚴密的審查.
為什麼? 我國整合電路產業規模在世界佔比非常小, 算是 '小透明' , 就算有一些跨國併購, 但交易額也完全不夠看, 何至於引起這麼高的警覺?
'因為資本的背後, 是我們自己真正的技術體系和產業體系在做支撐. ' 葉甜春說, '他們認為, 一旦發展起來, 就不可阻擋. 我們有核心競爭力了, 人家就害怕. '
實際上, 我國整合電路一直都在國際上的打壓和遏制中求生存. 產業還在起步階段, 就有 '巴黎統籌協會' 對我國所需的新技術, 新設備進行封鎖禁運. 當上世紀80年代後期 '巴黎統籌協會' 解體之後, 又有 '瓦聖那協定組織' 繼續對我國新興技術和新興產業進行封鎖限制, 它們只允許放行比經濟發達國家滯後兩代的整合電路技術和設備.
'西方國家有點神經過敏. ' 魏少軍的看法略有不同, '中國打贏整合電路這場仗沒那麼容易. ' 整合電路產業的發展, 需要全球化的產業環境, 需要巨額投入, 也需要大量人才. 這都無法一蹴而就.
從中國半導體行業協會的統計來看, 2016年我國整合電路產業銷售額達4335.5億元, 比上年增長20.1%, 這一增長速度算得上 '高歌猛進' . 不過, 魏少軍提醒, 這4000多億元的銷售額, 還包括了在華外商的貢獻. '其實我們自身的能力還相當有限. ' 他判斷, 我國自己生產的整合電路, 大約可以滿足國內需求的1/4.
從技術上來看, 我國最新的整合電路技術, 跟國際上最新技術還差了一代到兩代. 不過, 葉甜春認為, 糾結於這個最新技術的代際差異, 是一種誤區, 並沒有太大意義.
比如, 如今依然在大量生產的55納米, 40納米和28納米晶片, 進入市場已近10年, 但它們並未因為更小尺寸晶片的出現就退出曆史舞台.
'整合電路尺寸縮小速度確實很快, 但並不是下一代對上一代的完全替代. 每一代技術都有大約10年的生命周期. ' 葉甜春表示, 我國55, 40, 28納米三代成套工藝已研發成功並實現量產, 而更先進的22, 14納米先導技術在研發上也取得突破, 形成了自主智慧財產權. '所謂趕超, 也無需要求在各個領域全面超越, 只要我國的整合電路能夠支撐我國資訊化和智能化的發展即可. '
可以肯定的是, 這場晶體管開啟的資訊革命, 將更深, 更廣地重塑人類社會. '未來, 晶片的重要性只增不減. ' 魏少軍強調.
而回首來路, 葉甜春常說 '傳承' . 一代一代半導體人的砥礪前行, 才有中國今天的局面.
今天是個怎樣的局面? 他抬起頭, 望向遠方, 帶著笑意. '可以打大戰役了. 我們有了 '戰' 的能力, 雖然能力有限, 但和從前相比, 大不一樣了. 天時地利人和, 沒有理由超不過別人, 這隻是時間早晚問題. '