【发明物语】集成电路是如何发明的？

　　如果您从头上拔出一根头发并将其分成两部分，则将看到横截面区域，或者可能因为很小而看不到，因此该区域可以容纳成千上万个可以智能连接以构建复杂电路的电子晶体管。这种制造规模非常敏感，以至于灰尘或细菌等微观实体都可能破坏整个电路。电路集成的科学和工艺方面的进步确实令人难以置信，但对于世界各地成千上万进行大量工作的工程师和集思广益的半导体公司来说，这些都是“日常事务”。

　　图1：过去计算机的图像

　　半个世纪以前，现在的“日常事务”只是理论上的可能性。请记住，曾经有一段时间，计算机只有一个大房间。计算机越复杂，容纳真空管电路所需的空间就越大，电路的可靠性就越低。这些是电子行业每天都无法解决的问题。我们如何脱离厚重的真空管的复杂迷宫，如何实现当今的纳米级集成，都离不开集成电路的发明。而这个发明遵循一条古老的格言：必要性是发明之母。 

　　需要本发明的是臭名昭着的“数字暴政”问题。

　　数字暴政

　　贝尔实验室早在1950年代就已经开发出小型且可靠的晶体管。人们认为，如果减小电子元件的尺寸，则所有与体积有关的问题都将得到解决，并且创建复杂的电路将是轻而易举的。然而，伴随小型化存在未曾预料到的问题。

　　第一个问题是如何减少错误的电路连接。

　　电路不仅涉及其组件，还涉及其连接。为了使任何电路正常工作，连接必须稳定——电子（电流）通过它们从一个组件流到另一个组件。连接是互动的渠道，容易出错的通道会使整个电路失效。

　　那时，电路是手工制作的，劳动者用金属线将不同的组件焊接到真空管上。当组件的尺寸减小时，很明显，手动组装微小的半导体组件会导致错误的连接。错误是不可避免的，并且没有办法进行质量检查。

　　第二个问题是尺寸。

　　复杂的电路依赖于速度。如果金属线太长，电信号的移动速度将不够快。这将使电路效率低下。

　　这两个问题加在一起就是数字问题，即臭名昭着的数字暴君。简而言之，该问题表明，任何高级电路都将具有如此多的零件和连接，以至于不可行。

　　解决方案的预言：没有连接线

　　英国无线电工程师Geoffrey Dummer早在1942年就已经乐观地解决了这些问题。他说：“随着晶体管的出现以及整个半导体领域的工作，现在看来可以将电子设备设计成没有连接线的坚固块。该模块可以由绝缘，导电，整流和放大材料层组成，电气功能通过切掉各个层的区域来连接。”

　　他是“集成电路的先知”——可以看到集成电路在不久的将来出现的人。他为这个明显的问题提出了理论上的解决方案：无连接电路。但正是在两位工程师的手中，他们同时在同一个国家的不同实验室中工作，这一预言才开始成形。

　　杰克·基尔比的杰作–单片IC

　　1958年夏天，德州仪器（TI）关闭了整个公司的两周假期。他们每年都这样做。1958年，尽管他们有一个新员工，但他尚未获得假期。杰克·基尔比（Jack Kilby）应该在工作。因此，为了充分利用自己的时间，他全神贯注于当今的核心问题，并开始寻找替代电路的实践中小型化方法的方法。由于他先前在密尔沃基的Centralab的经历，Kilby熟悉“数字暴政”的问题。他意识到，公司能够廉价制造的唯一商品是半导体。因此，他总结说，所有电路组件都应使用与制造半导体相同的材料制成，而这以前没有人想到过。

　　图2：世界上第一个集成电路（IC）的图像

　　Kilby为此过程绘制了一些草图。假期结束后，他将素描的照片展示给了他的经理Willis Adcock。Adcock发现它们很棒，但是他不确定它们。他仍然要求Kilby继续研究并建立硅工作电路。事实证明，这是一项重大的管理决定，1958年8月28日，基尔比向Adcock展示了一条成功运作的赛道，并立即为其项目赢得绿旗。在他的下一个电路中，他将所有电子和电气组件集成在一根锗棒上。 

　　该设备已经过测试，并且按Kilby的预期工作。因此，他解决了与小型化相关的最困惑的问题之一。

　　一旦他的发明被业界人士所接受，一切都将彻底改变电子技术。

　　“这种想法使我得出结论，即真正需要半导体，即电阻器和电容器（无源器件）尤其可以由与有源器件（晶体管）相同的材料制成。我还意识到，由于所有组件都可以由单一材料制成，所以它们也可以就地互连以形成完整的电路。”基尔比在1976年题为“集成电路发明”的文章中回忆道。

　　他补充说：“那时我们没有意识到的是，集成电路会将电子功能的成本降低了百万分之一。以前没有任何事情可以做到。”

　　微电子学的三个问题

　　顺便说一下，连接并不是唯一需要关注的领域。实际上，电子部件的小型化存在三个不同的基本问题。1958年，Torrek Wallmark将其描述为：

　　1.集成问题：1958年，由于合金化不适用于IC，因此无法将各种电子组件集成到一个半导体晶体中。您如何整合它们？

　　2.隔离问题：在原子级别上，如何确保不同的组件不会相互重叠？如何将它们电隔离在一个半导体晶体上？

　　3.连接问题：如何可靠地连接微电子组件？当时唯一可用的方法是使用金线的极其昂贵和费时的方法。

　　解决方案很快被发现。三个公司分别发明了它们，并针对这三个问题分别拥有关键专利。当Sprague Electric Company决定不开发IC时，Kilby工作的Texas Instruments似乎束手无策。然而，飞兆半导体结合了单片IC商业生产所需的不同技术，并继续前进。在飞兆半导体公司，他是另一个天才，没有他的开拓性努力，集成电路将在很长一段时间内仍然是一种理论概念，一种可能性。这个天才是Fairchild的共同创始人，后来他又共同创立了电子巨头Intel。

　　罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）的开拓性努力

　　罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）分别在基尔比（Kilby）之后仅六个月提出了他在飞兆半导体公司的集成电路构想。Noyce解决了Kilby电路中存在的许多实际问题，特别是组件之间的互连问题。他添加了金属作为最后一层，然后去除了其中的一部分，从而形成了导线。通过摆脱“飞线”连接，Noyce引入了批量生产Jack Kilby固态电路的实用方法。

　　1959年7月，诺伊斯（Noyce）申请了“半导体器件和引线结构”专利，然后，一组仙童（Fairchild）专家工程师于1960年5月制造了第一批可工作的单片IC。

　　因此开始进行改进，使IC易于商业化生产。

　　微芯片的早期成功

　　像所有前沿技术一样，集成电路首先在军事领域找到了接受者。早在1961年，第一台使用硅芯片的计算机就为空军制造，并于1962年在民兵导弹中使用。由于需要一种产品，该产品可以使每个人都了解IC技术的重要性（并有助于使其流行起来） ），Kilby设计了一种计算器，该计算器与当时的大型机电台式计算器一样强大，但又足够小，可以放在手掌上操作。尺寸的减小导致他的计算器取得了巨大的成功-集成电路技术的首批商业应用之一-并为制造技术中的集成技术开辟了道路。

　　集成电路专利

　　Kilby和Noyce都被认为是IC的发明者。如果其中一个提出了革命性的集成新想法，另一个人则确保与它们相关的实际问题不会妨碍该想法发挥其潜力。但是，在这些天才工程师所服务的两家公司中，事情并不是完全无缝的。Fairchild和TI于1959年申请了专利。Jack Kilby和Texas Instruments的微型电子电路获得了美国专利＃3,138,743，Robert Noyce和Fairchild Semiconductor Corporation的硅基集成电路获得了美国专利＃2,981,877。其次是十年的专利诉讼。

　　在事情变得丑陋之前，双方决定采用商业解决方案。两位发明者应得的。Kilby和Noyce于1979年获得了美国国家科学奖章。Noyce非常谦虚地说：“毫无疑问，如果这项发明不是在Fairchild上产生的，那么它将在不久的将来在其他地方产生。这是一个想法，它的时代已经到来，技术已经发展到可行的程度。”

　　图3：Fairchild Semiconductor F型触发器图像

　　集成电路的发展

　　自杰克·基尔比（Jack Kilby）开发出第一款IC原型以来，我们已经走了很长一段路。芯片上的晶体管现在大约在90 nm处：为了进一步说明这一成就，在单个红细胞中可以插入数百个这样的晶体管。英特尔的早期集成电路先驱和创始人之一戈登·摩尔曾经说过：“如果汽车工业的发展速度与半导体产业一样快，那么劳斯莱斯将获得每加仑50万英里的行驶里程，而且抛掷起来会更便宜而不是停放它。”?借助Kilby的第一个原型原型以及Noyce精明的实际改进，使微型化技术的迅速发展成为可能。

　　认识到这一点，诺贝尔委员会授予杰克·基尔比（Jack Kilby）2000年诺贝尔物理学奖，这是人类所能获得的最高荣誉。罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）那时已经去世，所以他不能分享这个奖项。尽管他的贡献从未有过争议。IC的发明功劳由两位工程师共同承担。

　　由于半导体技术的迅猛发展，我们作为一个文明正在迅速发展。每六个月，我们的计算机就会变得功能越来越强大，价格越来越便宜，并且计算领域每天都会发生数百项创新。毫无疑问，IC的发明改变了人类历史的进程，因为IC是地球上每个现代电子产品的核心。