科技年轮 | 从大到小，集成电路的发展史

CPU的制程工艺越来越先进，n年前还是几百纳米，现在都发展到了如今的7nm，这种速度真的想都不敢想的。那么平常我们所说的制程到底是个什么意思呢？

 

其实CPU本质上是个集成电路，制程工艺越先进，也就是说的器件特征尺寸不断缩小、集成度提高，CPU里能容纳的晶体管也就更多了，速度更快还更省电。

 

 

那么过去的集成电路长什么样子？它又是从何而来的，让我们今天一起走进这段不那么漫长的发展史吧。

 

正如大家所熟知的那样，晶体管诞生以前，人们一直是用的电子管。1883年，爱迪生在寻找电灯泡最佳的灯丝材料时，在真空电灯泡里的碳丝附近装了一小截铜丝，希望能阻止碳蒸发，虽然结果失败了，但无意中发现没有和电路相连的铜丝却产生了微弱的电流，不过爱迪生只是给这个现象申报了个专利、取了个“爱迪生效应”的名字之后，就置之不理了。

1904年11月16日，英国一个30岁的电气工程师约翰·安布罗斯·弗莱明却对这方面很有兴趣，他发现这么做可以让灯泡里的电子实现单向流动，最终研制出了一种叫“热离子阀”的灯泡，也就是世界上第一支电子管（真空二极管）。

 

 

1906年美国发明家德·福雷斯特在这种二极管的灯丝和金属片之间加了个栅极，只要在这个栅极上施加信号变化，就能有规律地改变通过的电流大小，微弱的信号电流都可以被放大许多倍。比如钟表的滴答声经过放大后，甚至能震耳欲聋。

他比较沉得住气，在公开之前一直悄悄地进行着改进实验，不过做着做着就没钱了，只能带着这个重大的新发明去找大公司赞助。比较惨的是，因为他穿的不修边幅，不仅连大门都进不去，还被当成骗子赶到了警察局。

 

 

但真理能战胜一切，最后德福雷斯特的三极管赢得了世界的掌声，也解决了贝尔电话公司当时设计长途电话的关键问题，也在1912年前后引领了无线电技术的发展。

 

在他的故居至今矗立着一块小小的纪念碑，上面写着“李·德福雷斯特在此发现了电子管的放大作用。”如今这个地方已经成长为了硅谷。

 

 

但是真空电子管这种器件缺点也很明显，笨重、耗电、成本高、反应慢、一摔就碎，在之后的一战、二战时期禁不住苛刻的考验，人们开始寻找更优的替代品。其实早在1918年人们就已逐步发现了半导体材料，但直到1946年那个ENIAC依然使用着18000只电子管。

在二战结束后的贝尔实验室里，物理学家肖克莱打算着用硅来制造替代电子管的放大器。他们的工程师都很讨厌电子管，心里明白半导体才能实现工程师们心中所期望的平衡。可惜诸多实验都面临了失败，2年后他拉来了2个下(天)属(才)——巴丁和布拉顿。

 

 

三人行一定行，他俩发现硅还是太脆、不好提纯，于是找来了特性和硅类似的锗。它的外层电子能级较高，导电能力更好。1947年12月23日，人类历史上第一块晶体管在贝尔实验室诞生了，他们三人最后都得到了诺贝尔物理学奖。

 

 

当然，贝尔实验室只是提供了技术可行性方案，工业量产还是得交给大厂德州仪器来，1949年量产后，晶体管让计算机的性能直接提升了一个次元，但锗这种元素价格比银还贵，真心用不起啊，最终大家还是把眼光放到了硅。你想啊，硅不就是沙子嘛，成本全靠浪啊（笑）。

 

 

但是这又该怎么说服厂家呢？1954年的一次展会上，德仪的工程师戈登·蒂尔上台进行了一场表演，它把连着唱机的锗晶体管给下油锅了，唱机瞬间闭嘴。随后他换上了硅晶体管再做一遍，而唱机依然工作。这场表演非常成功，给他们带来了无数订单。

 

1957年，德州仪器又来了一个聪明的新员工，他叫杰克·基尔比。他发现公司里雇了许多低收入的女工，每天就是盯着显微镜、把极小的硅元件焊接起来，导线一断、工作白干。

 

太蠢了，真的太蠢了，为什么要让几千个人焊晶体管，干脆把元件都刻在同一个半导体上不就行了吗？（老板：我tm这是解决就业问题好不好）

 

于是基尔比立马行动起来（想象力丰富的人很多，行动力强的人很少），由于硅的纯度达不到他的标准，最后他又选择回了锗。他把几个锗晶体管沾在一个锗片上，用细金丝把他们连接起来，做出了“最初的集成电路”。可惜的是，老爷子直到2000年才获得诺贝尔物理学奖，真可谓是奖迟但到。

 

 

而锗元素很快又离开了历史舞台，1960年，罗伯特·诺伊斯发明了基于硅的集成电路，毕竟便宜才是硬道理啊！其实他的才是第一块实用化的集成电路芯片，其中包含了4个晶体管、6个电阻器，形成了一个环形振荡器。

他也被成为集成电路之父，先后共同创办了硅谷两家最伟大的公司之——仙童半导体，以及英特尔。等等，你没听过仙童半导体公司？他可是Intel、AMD、LSI、VLSI、Intersil、Altera、Xilinx等众多巨头的老妈，可以说是电子界的黄埔军校了，至于他的历史，又可以有一篇文章好讲了。

 

 

1963年，同样是在仙童公司，26岁年轻工程师Bob Widlar设计了第一个单块集成运算放大器电路——μA702，正是这个小东西，成为了日后模拟器件的基本构成部分。

 

 

1965年，Intel的创始人之一戈登·摩尔提出了摩尔定律，他预测硅芯片工艺每24个月就能翻一番，晶体管也的确越做越精细，一年年地发展成了如今的样子。

 

 

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